Якби не було піску, не було б і комп’ютерних чипів

Здавалося б, що може бути простіше і прозаїчніше за пісок, який до того ж є всюди? Проте він являє собою справжню загадку. Дійсно, у будь-якій пустелі повно піску, досить кинути погляд на її нескінченні дюни. Усе це кремній, найпоширеніший елемент у земній корі після кисню. Є безліч способів використовувати пісок, а його доступність надихає на нові ідеї. Здавалося б, сама Земля складається з піску, але це не заважає відчувати його дефіцит. За нього в деяких частинах світу точиться запекла боротьба мафіозних кланів, які відправляють свої банди на видобуток піску з пляжів і з річища річок, щоби потім продати на чорному ринку.

Влада різних країн розуміє, наскільки цінний пісок. На пляжах його цінують за красу. Так, у Сардинії можна отримати штраф за спробу викрадення навіть малої кількості білого піску, яким знамениті місцеві пляжі. У Туреччині недалеко від Анталії є бухта з надзвичайно білим піском, який туристи повинні змивати з ніг перед відходом, щоб не забирати із собою навіть ненавмисно. У деяких азійських країнах підпільні видобувачі піску добувають його з річкового дна, що руйнує річкові екосистеми, щоби продати будівельним фірмам.

Є безліч різних видів піску, кожен зі своїми унікальними властивостями. Більшість із них складається з кремнезему, білі піски на пляжах — з подрібнених коралів і мушель. На деяких віддалених пляжах Гаваїв і островів Карибського басейну пісок являє собою екскременти риби-папуги, що поїдає корали, у яких багато поживних речовин. Екскременти являють собою карбонат кальцію майже в чистому вигляді.

Використання піску залежить від вмісту кремнезему. З піску з високим вмістом кремнезему роблять скло. Якщо він містить занадто багато домішок, то йде на будматеріали. А найдивовижніше, що в дикій природі немає двох жмень піску з однаковим хімічним складом. Використання піску, який Конвей називає основою цивілізації, дуже широке. Колись його перетворювали на намистини, чашки та прикраси, сьогодні його використовують для створення смартфонів, комп’ютерів і найсучасніших видів зброї.

Сьогодні західним ученим не дають ділитися інноваційними технологіями з країнами Азії. А колись виробники муранського скла не могли покинути острів Мурано під страхом смерті, щоб секрет прозорого, тонкого і красивого скла не перехопили конкуренти. Проте кільком майстрам вдалося втекти з Мурано, і з їхньою допомогою англійський склодув Джордж Рейвенскрофт створив власне кристалічне скло, рецепт якого теж тримав у таємниці. Уряд Англії заборонив англійським склодувам переїжджати до США.

Мало хто замислюється над роллю скла в промисловій революції, причинами якої називають політичні інститути, освіту, винахід парового двигуна чи доменної печі. Мало кому спадає на думку така проста річ, як скло. Але саме за допомогою скляних лінз астрономи могли спостерігати за зірками та виявити, що Земля обертається навколо Сонця. Крім того, винахід окулярів допоміг людям з ослабленим зором продовжити трудове життя. Усім зрозуміла величезна роль друкарського верстата в розвитку грамотності. Але саме окуляри дали змогу читати грамотній частині населення зі слабким зором. Поява дзеркал дала змогу художникам епохи Відродження побачити світ під іншим кутом. Леонардо да Вінчі зазначав, що дзеркало — справжній інструмент художника. Скло було проривною інновацією, такою ж, як колесо чи кремнієвий чип. Сьогодні воно не менш важливе, ніж у минулі часи. Інформація передається оптоволоконними дротами, без скла неможливо створити процесор для найпередовіших комп’ютерів. А саме скло створено з розплавленого піску.

Пісок необхідний для будівництва. Хмарочоси, дороги, фундаменти, стоянки за великим рахунком зроблені з піску. Можна будувати не тільки з піску, а й на піску, якщо вміти з ним поводитися. Знаменита будівля, найвища у світі, Бурдж Халіфа, побудована на хитких пісках: її фундамент зі 192 круглих бетонних паль йде під землю на 47 метрів. У тому ж Дубаї є комплекс штучних островів, Пальма Джумейра, створених із мільйонів тонн піску з дна Перської затоки, розпорошеного й ущільненого в плоский твердий ґрунт. Для цього не годиться більше ніякий вид піску, піски пустелі для цього не підходять. Але навіть пісок із дна морського постійно піддається природним впливам: його руйнують припливи, і доводиться вживати заходів, зокрема будувати хвилерізи навколо островів.

Не тільки Дубай будує нові землі з морського донного піску, подібний досвід є і в Японії, і в Нідерландах, і в Китаї. До Японії з XIX століття приростили 25 тисяч гектарів нової землі з дна морського. Китай теж розширює морським піском прибережні міста, старі й нові.

Конвей вважає, що з підвищенням рівня моря видобуток піску для розпилення та ущільнення берегових бар’єрів та інших засобів захисту від повеней прискорюватиметься. Мальдіви, які можуть повністю опинитися під водою, використовують пісок і каміння для зведення бар’єрів навколо своєї столиці Мале. Сінгапур практикує меліорацію земель як захист від кліматичних змін і підвищення рівня моря. Він постійно імпортує пісок, і потреба в ньому весь час зростає. У кожне десятиліття площа Сінгапуру завдяки донному піску збільшується на 10 квадратних миль. Водночас площа Індонезії, головного постачальника піску для Сінгапуру, постійно зменшується. Роботи з поглиблення дна та видобуток піску стали настільки інтенсивними, що з мапи цієї країни зникло кілька островів, змінивши її морські кордони.

З піску можна робити найрізноманітніші речі: як будівлі, де використовуються бетон і цемент, так і комп’ютерні чіпи.

Конвей описує подорож, яку здійснюють частинки кремнію, перш ніж перетворитися на чіп. Наприклад, смартфон, чи то iPhone, чи то Android, розроблений у Каліфорнії та зібраний у Китаї. Так написано на його упаковці, але це сильне спрощення не відображає всю повноту процесу. Смартфон — це гобелен, витканий із технологій з усього світу. На найрізноманітніших заводах виробляють дисплеї, акумулятори, камери, акселератор, модем і прийомопередавачі, мікросхеми. Усі ці складові частини стікаються до Китаю, збираються і відправляються споживачам у вигляді готових смартфонів. Останні чіпи iPhone, які називаються A16 Bionic, виробляються компанією TSMC. Але і TSMC не змогла б виготовити чіп, якби не машини компанії ASML, про яку мало хто знає. Ці машини виробляються іншими компаніями (лінзи виробляє Zeiss, скло — Schott, лазери — німецька Trumpf). Але якщо повернутися до самих початків, то чіп народжується не на стерильно чистому заводі, а в місцях залягання кварцу. Одне з місць, де видобувають кварц, розташоване неподалік від Сантьяго-де-Компостела в іспанській Галісії. Місцевість вкрита пагорбами, найбільший серед яких — Піко Сакро, схожий на піраміду. Місцева легенда свідчить, що на пагорб перетворився переможений заклинанням дракон. Геологи пояснюють появу пагорба тим, що приблизно 350 млн років тому тут зіткнулися два стародавні континенти, Лавразія і Гондвана, земля здибилася та оголила кварцові породи. Кварцовий рудник Серрабал — одне з найчистіших родовищ кварцу у світі. Великі шматки кварцу на схилі пагорба із часом перетворяться на кремнієві чіпи. Рудником володіє іспанська компанія Ferroglobe, що виробляє металевий кремній за межами Китаю зі своїх рудників в Іспанії, США, Канаді та Південній Африці. Більшість сировинних інгредієнтів видобувається і переробляється в Китаї, Ferroglobe — рідкісний виняток.

Жили кварциту є не тільки в Іспанії, а й у Росії, Норвегії, Туреччині, Китаї, Єгипті. Вміст кремнезему у кварциті із Серрабаля не є найвищим порівнюючи з іншими родовищами. Однак важливий не тільки вміст, а й форма. Пісок із Серрабаля схожий на великий гравій. Його шматки везуть на завод у Сабоні неподалік від порту Ла-Корунья. Там їх змішують із коксівним вугіллям і деревними трісками та поміщають у піч із температурою вище 1 800 °C. Суміш під впливом високої температури перетворюється на металевий кремній. Коли суміш у рідкому вигляді виливається з печі та твердне, вона перетворюється на металеві гранули. Цей кремній із чистотою 98–99 %, але цього недостатньо: потрібне подальше очищення від домішок, щоб отримати кремній для чіпа. Очищення відбувається на заводі німецької фірми Wacker, де гранули розщеплюють на елементарні частини та формують їх заново. Потім їх перетворюють на порошок, змішують із чистим хлористим воднем і відливають у довгі стрижні надчистого полікремнію. Їх везуть на західне узбережжя США, на завод японської компанії Shin-Etsu, що виробляє кремнієві пластини. На ці пластини й перетворюються стрижні чистого кремнію. Shin-Etsu плавить надчистий кремній, перш ніж помістити його в ідеальну форму й нарізати на пластини. Тиглі, у яких відбувається плавлення, виготовлені з особливого типу кварцу, який видобувають тільки в одному місці — на двох шахтах у невеликому містечку Спрюс-Пайн у Північній Кароліні. Шахтами володіє бельгійська фірма Sibelko, яка, як і Shin-Etsu, ретельно охороняє свої робочі процеси від сторонніх очей. Кілька компаній ретельно вивчають геологічні дані інших країн, щоб знайти аналогічні за якістю породи кварцу. Китай намагався виробляти кварц такої ж чистоти, але в нього нічого не вийшло. Поки що весь світ орієнтується на Спрюс-Пайн, і якщо із цими двома шахтами щось трапиться, проблеми можуть виникнути в усьому світі.

Кожен із ланцюжків постачання для виробництва чипів тісно пов’язаний з іншим: кремнієві чипи неможливо виготовити без печей на вугіллі, що перетворюють кварцит на металевий кремній. Щоб він перетворився на полікремній, потрібен хлористий водень. Без усього цього не було б виробництва чипів.

Сіль — не тільки гастрономічний продукт, а й основа життя

Ми всі потребуємо солі. Людському організму потрібно кілька кілограмів кухонної солі (хлориду натрію) на рік. Сіль дає змогу електриці протікати через наш організм і тим самим допомагає функціонувати м’язам, нервам і сухожиллям. Засолювання було головним способом зберігання продуктів до винаходу холодильників. Наявність солі для нас — щось само собою зрозуміле і тривіальне. Але з ранніх днів свого використання вона була інструментом влади. Правителі з давніх часів регулювали її споживання і продаж, встановлювали податок на сіль і зміцнювали в такий спосіб свою владу. Так, перші імператори Китаю контролювали весь процес видобутку та реалізації солі. Вони наймали робітників, встановлювали об’єми варильних котлів і щоденну норму виробництва, розподіл по імперії та продажу споживачам. Готовий продукт продавали споживачам за ціною набагато вищою за собівартість, що приносило великий дохід до скарбниці. На частку солі в III столітті н. е. припадало майже 90 відсотків державних доходів. Державна монополія на сіль у Китаї збереглася й у XXI столітті. У країні навіть є «соляна поліція» — підрозділ зі значком у формі кристалів солі, який бореться з приватними торговцями, які продають сіль онлайн.

Податки на сіль практикувалися не лише в Китаї, а й у Британській та Османській імперії та у Франції, де цей податок був особливо високим і спричинив найбільше обурення, бо встановлювався довільно. В одних частинах країни податки на сіль були занадто високими, в інших їх не було взагалі. Ця несправедливість стала однією з причин Французької революції. Незадовго до революції податок став настільки високим, що цілі сім’ї страждали від голоду або недоїдання. Відмовитися від солі було не можна: громадян зобов’язали купувати не менше 7 кг солі на рік. Після революції податок було скасовано, але Наполеон знову його запровадив у м’якшій формі. За часів колоніального панування британці брали ще більш несправедливий соляний податок із населення Індії, причому нав’язуючи йому британську сіль. Коли Махатма Ґанді підіймав народ на протести, він називав британську сіль однією з форм гноблення. Коли Ґанді і його прихильники зібрали марш протесту і прибули до приморського села Данді, він зачерпнув морської води, хлюпнув її на себе й підібрав кілька крупинок солі, порушивши тим самим один із ненависних британських законів — видобув сіль, не сплативши податок. Його прихильники теж випарували трохи солі та попрямували до солеварень. Марш жорстоко розігнала поліція, відбулися численні арешти, але це тільки розпалило обурення. Ґанді був заарештований, але незабаром його випустили, а соляний податок і монополію на сіль скасували.

Перероблена сіль має широке застосування, від фармацевтичних препаратів до дорожнього щебеню.

Але є особлива сіль, селітра. Якщо змішати її із сіркою і вугільним пилом, вийде порох. Добути селітру було непросто. Її основним джерелом були смердючі органічні речовини, такі як гниле м’ясо й сеча. У Середні віки вирушали військові експедиції на пошуки старих гнойових куп, покинутих відхожих місць, ділянок гнилої землі. Смердючу землю викопували, її кип’ятили, проціджували та випарювали, і в підсумку виходили пластівці селітри. В Англії таких збирачів гною не шанували: у них була ліцензія на розкопки будь-якої ділянки землі, незалежно від того, кому вона належала. Але вони діяли за наказом короля. 1626 року король Карл I настільки потребував селітри, що велів своїм підданим зберігати всю свою сечу й сечу коней, корів та інших тварин, щоб із них можна було випарувати селітру. Створювалися цілі смердючі плантації, де білі кристали селітри дуже повільно росли. Але незабаром у мулі індійської річки Ганг знайшли великі поклади селітри, що прискорило окупацію і колонізацію Індії. За кілька десятків років селітра стала пріоритетним товаром Британської Ост-Індської компанії. А в середині XIX століття на групі островів Чінча недалеко від узбережжя Перу було виявлено поклади гуано. На островах тисячі років жили зграї олуш, бакланів і пінгвінів, які покривали скелі послідом. За цей час послід перетворився на величезну кірку. Це були сполуки азоту, одного з найкращих природних добрив, і різних типів фосфатів. Інки збирали гуано зі скель Чинча, розтирали його й удобрювали ним свої поля. У XIX столітті уряд Перу націоналізував острови та видав ліцензії на збір гуано. Його охоче розкуповували різні країни, і гроші наповнювали перуанську скарбницю, поки Чінча не виснажилися.

У тому ж Перу в пустелі Атакама земля була вкрита кірками особливої солі, яку називали каліче (сіль). Коли мандрівники розпалювали багаття в цьому місці, деякі камені у вогні іскрилися і загорялися. Здебільшого вони складалися з кухонної солі (хлориду натрію) та інших солей — нітратів, сульфатів, хлоридів, йодатів. Звідки взялася ця сіль, досі невідомо, хоча є різні теорії. Каліче була дуже схожа на селітру за складом, а хіміки незабаром вигадали, як перетворити її на вибухонебезпечні речовини — азотну кислоту, нітрогліцерин і динаміт. Незабаром одним із найважливіших видів сировини стали південноамериканські нітрати. Вони не тільки могли стати основою вибухових речовин, а й перетворювалися на прекрасні добрива.