Uno de los materiales clave de nuestro planeta, aunque no lo parezca, es la arena. Está compuesta por multitud de minerales y gracias a diferentes procesos tanto físicos como químicos, podemos utilizar este mineral para crear desde vidrio hasta los chips de nuestros ordenadores o teléfonos móviles. Se puede incluso utilizar sin refinar para almacenar energía. Ahora bien, dependiendo del proceso de refinado, el resultado es un silicio que se utiliza para construir aleaciones, para células solares en paneles fotovoltáicos y lo que nos interesa: semiconductores.
Y resulta que la mejor arena del mundo está en Spruce Prine, Carolina del Norte.
Como la 'especia' en Dune. Los procesos geológicos son interesantísimos y algo curioso es que lo que tenemos ahora, es lo que hay. Son procesos que se producen constantemente, pero cuyos resultados podemos explorar a millones de años vista, y es lo que ocurrió con esta arena. Hace millones de años, la tectónica de placas provocó que la zona que actualmente es Spruce Pine se encontrara al sur del ecuador. Tras un gran choque de placas, y como describe el geólogo Alex Glover en la web Our State de Carolina del Norte, la fricción generó un calor de más de 2.000 grados que derritió rocas a una profundidad de 25 kilómetros. Se fueron acumulando en fosas y, durante 100 millones de años, se enfriaron y cristalizaron.
Debido a que estaban a una gran profundidad y no había agua que 'contaminara' el material, el resultado fueron unas pegmatitas prácticamente puras formadas por un 65% de feldespato, un 25% de cuarzo, un 8% de mica y trazas de otros minerales. En los 300 millones de años siguientes, la erosión jugó su papel y acercó esa capa a la superficie, haciendo que fuera más fácil de encontrar.
Esto es bonito. De hecho, fueron los nativos americanos los que cavaron profundos túneles cuando se dieron cuenta de que había un material interesante para su cultura. Se trataba de la mica y, debido a que es brillante, se utilizaba para hacer collares, cinturones, adornos funerarios y hasta dinero. De hecho, desde los años coloniales hasta el siglo XX, tanto nativos americanos como colonos extrajeron la mica y el feldespato. Era una fuente tan rica de mica que el desarrollo del automóvil, los motores eléctricos, los cables y los primeros aparatos electrónicos utilizaban la mica de Spruce Pine como material aislante y conductor.
La nueva Meca minera. Si unos años antes había sido la fiebre del oro la que movilizó grandes masas de población en busca de riqueza, hacia los años cuarenta fue el feldespato y la mica de este lugar. Esto provocó que la zona, que es bastante pequeña en extensión con unos 40 por 8 kilómetros, viviera un apogeo. Boleras, salas de cine, restaurantes y estación de tren. Como el propio Glover explicó en Wired, durante años los lugareños cogían las pegmatitas y separaban a mano la mica y el feldespato. Curiosamente, el cuarzo (ya llegamos al cuarzo, que es lo importante de la historia) se desechaba porque no se sabía qué hacer con él. De hecho, o se tiraba o se destinaba a hacer ladrillos.
A la izquierda, el pueblo. A la derecha, la zona minera y la explotación de Sibelco. Esa carretera es la única entrada a una de las minas más importantes del mundo. Pincha para ir a Google Earth
De la basura a los transistores. La pureza de cada uno de los componentes de las pegmatitas atrajo a diferentes empresas. Corning Glass Company utilizó el feldespato para hacer vidrio (tan puro que se usó para fabricar los espejos de un enorme telescopio para el que se necesitó fundir 20 toneladas de material. A partir de los 50, la era de la computación empezó a coger carrerilla y se dieron cuenta de que los enormes ordenadores con tubos de vacío no eran una opción. Se necesitaba reemplazar ese enorme sistema por algo más pequeño y eficiente.
Fue entonces cuando se empezó a experimentar con los transistores y descubrieron que el silicio y el germanio eran muy superiores en eficiencia y conveniencia a los tubos de vacío. Tras varias pruebas y experimentos rudimentarios, descartaron el germanio y apostaron por el silicio que se obtenía a partir del refinado del cuarzo.
99,99999999999%. Después del oxígeno, curiosamente el silicio es el elemento más abundante en la corteza terrestre. Sin embargo, para la fabricación de los semiconductores no se puede usar un silicio cualquiera y es necesario no sólo un proceso de refinado muy optimizado, sino también que el material resultante sea lo suficientemente puro. No hace falta que tenga ese nivel de pureza para crear placas solares (y de hecho, se ha encontrado un mejor material que el silicio para esto), pero sí para los semiconductores.
La pureza ya la tenemos gracias al proceso de creación de las pegmatitas de la zona, pero faltaba extraer el silicio. Para hacerlo, hay que calentar en grandes hornos el cuarzo para separar el oxígeno. Esto nos deja el silicio metálico con un 99% de silicio puro. No es suficiente, por lo que los siguientes pasos consisten en exponer ese silicio puro a varios procesos químicos para separar compuestos y fundir el resultado para seguir limpiando el material. ¿Lo realmente difícil? Que el resultado de cada paso no se contamine por otros materiales. Cuando todo sale según lo previsto, se obtiene el silicio con un 99% y once nueves más de pureza.
Ese es el necesario para crear semiconductores y, tras todo el proceso, se crean lingotes de silicio de alta pureza que se cortan en 'lonchas' y se venden a los fabricantes. Esas son las obleas sobre las que se imprimen los transistores y, al final, es lo que prácticamente todos los dispositivos que tenemos a nuestro alrededor usan como 'cerebro'.
El oro de los Apalaches. Cuando la industria se dio cuenta de todo esto, se lanzaron como lobos a controlar la producción. Intel, IBM, Motorola y Texas Instrument ya necesitaban cantidades ingentes de silicio prácticamente puro para sus microchips y nació, en 1970, una empresa llamada Unimin (ahora parte del conglomerado de Sibelco). Fue comprando la zona y a diferentes empresas mineras hasta controlar prácticamente la totalidad de la explotación de Spruce Pine. Es tan importante que un incendio en una de sus plantas en 2008 hizo que la industria contuviera la respiración.
Vital para Estados Unidos. Como puedes imaginar, la explotación de Spruce Pine es vital para la industria y Estados Unidos, actualmente, se encuentra en un momento en el que va a tener que comprar muchas, muchísimas obleas a Sibelco. El motivo es que, durante muchos años Asia ha sido el gran productor de chips, pero con las tensiones entre China y Estados Unidos, el país norteamericano se ha dado cuenta de que no puede depender de la industria externa. Es por ello que está invirtiendo una enorme cantidad de recursos en atraer talento para construir chips dentro de sus fronteras.
Evidentemente, Spruce Pine también es vital para el resto del mundo y China puede verse en serios problemas si, en algún momento, Estados Unidos veta la compra de obleas al gigante asiático. Sería un gran conflicto para ambos territorios, ya que China necesita el semiconductor para imprimir patrones de transistores (SMIC está muy entonada ayudando a Huawei a crear sus procesadores), pero la economía de Estados Unidos sería golpeada si vetan ese acceso al producto de Sibelco.
Planta de Sibelco en Spruce Pine. Actualmente tiene prevista una expansión por valor de 500 millones que se realizará entre 2024 y 2027. Imagen de Sibelco
No se conocen alternativas. La gran pregunta es: ¿China, o cualquier otro país, no podría refinar el silicio a este nivel? El problema, aparte de la propia técnica para que no haya impurezas en el proceso de refinado, es que no se han encontrado otras fuentes de cuarzo tan puras como las de Spruce Pine. Como decíamos hace unos párrafos, en esa zona se dio una casualidad geológica con millones de años de antigüedad y en la ecuación entra tanto la temperatura alcanzada en la tectónica de placas como la ausencia de partículas contaminantes.
Y… ¿cuál es la producción? Pues no se sabe y, de hecho, hay que irse a estimaciones. Como leemos en SCMP, analistas estiman que las minas de Sibelco y The Quartz Corp en Spruce Pine producen entre el 80 y el 90% del suministro mundial, pero como decimos, no hay una cantidad exacta que nos permita hacernos una idea de lo que supone ese porcentaje. El motivo es que este asunto es extremadamente hermético.
Secretismo abusivo. Ese hermetismo es algo que parece sacado de películas de espías. En el artículo de Wire se exponen casos peculiares, como que Unimin no permite que el personal salga del área para la que tiene autorización, contratos con varios proveedores y hasta diferentes contratistas de forma temporal para que ninguno pueda aprender demasiado sobre lo que ocurre en el lugar. O fuertes cláusulas de confidencialidad para todos los empleados.
Luego tenemos historias como las del mencionado Alex Glover. Apunta a casos de despidos fulminantes por llevar a alguien no autorizado al trabajo, cláusulas que impiden que personal de la empresa socialice con gente que trabaje en alguna competidora y hasta personas que van con los ojos vendados a sus puestos de trabajo si, para llegar a él, hay que atravesar algún punto clave para el que no tiene autorización. Hay que decir que estas historias no se pudieron comprobar porque Sibelco no tiene un departamento de relaciones públicas. De hecho, en su web hay que dar a 'más' para encontrar las aplicaciones electrónicas y tampoco es que detallen demasiado.
Un diamante rodeado de pobreza. Podríamos pensar que un lugar así estaría rodeado de riqueza, como un Silicon Valley en los Apalaches, pero el condado de Mitchell, donde está Spruice Pine, tiene un salario medio de 37.000 dólares anuales., muy por debajo de la media nacional de unos 50.000 dólares y con un 20% de la población del condado viviendo bajo el umbral de la pobreza. En la zona, Apple, Google o Microsoft han abierto plantas de servidores que ayudan a dar empleo a la población, pero más allá de eso, la prosperidad que se vio en la zona en los 50 es sólo un recuerdo lejano. Curioso para la explotación que tiene el secreto de todos los dispositivos que usamos en el día a día.
Portada | Google Earth y Alejandro Alcolea
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