Ne biste vjerovali ali - staklo je bitnije nego što mislite. Sve u digitalnom dobu ovisi upravo o staklu. Tko ga ima...

U službenom narativu o tehnološkom i ekonomskom napretku već se desetljećima fokus sve više stavlja na nematerijalne stvari. Od sredine 20. stoljeća sve se češće tvrdi da budući razvoj čovječanstva leži u digitalnome, a fizikalno će postajati sve manje važno. Širenje interneta je ojačalo tu tezu, a danas umjetna inteligencija obećava još veću razinu odvajanja od materijalnog svijeta. Čak i novac, koji je kroz povijest nebrojeno puta mijenjao fizički oblik, danas je postao samo digitalni zapis.

Pa ipak, sve to stoji na temeljima materijalnog svijeta. Ne samo da stoji, nego bi nastanak i razvoj digitalnog bili nemogući bez razvoja novih načina korištenja fizičkih resursa, od kojih mnoge koristimo od najranijih dana ljudske civilizacije. Današnji čelik puno je drukčiji i bolji od onoga koji su koristili naši preci, ali u osnovi se radi o kombiniranju željeza s nekoliko postotaka ugljika i drugih metala u tragovima. Bez bakra električna mreža ne bi funkcionirala, iako je bakreno doba završilo prije više od četiri tisuće godina. Neke kemikalije bez kojih se ne bi mogli proizvoditi moderni mikročipovi dobivaju se iz soli ili uz pomoć soli.

Jedan od materijala koje čovječanstvo koristi već tisućama godina, a koji omogućuje današnji digitalni svijet jest staklo. Nije to isto staklo čije je tajne proizvodnje Venecija stoljećima čuvala na otoku (skupu otoka) Murano, ali zapravo se radi o istom materijalu na bazi silicijeva dioksida. Zapravo je danas staklo ključan materijal za visokotehnološke proizvode, digitalnu infrastrukturu, znanost, računala, mobitele i razvoj umjetne inteligencije.

STAKLENI ŽIVČANI SUSTAV SVIJETA

Bežična tehnologija stvara dojam da informacije svijetom kruže isključivo "kroz zrak". To je daleko od istine. Samo zadnja etapa tog putovanja je zaista "bežična", a cjelokupna mreža ovisi o optičkim vlaknima i kabelima.

A ta vlakna su izrađena od posebne vrste stakla, nevjerojatno "čistog" stakla proizvedenog od visokopročišćenog kvarca, koji je osnovni sastojak pijeska. U središtu optičkih kabela su optička vlakna otprilike debljine vlasi kose i kroz koja doslovno putuje svjetlost. Prednost optike u odnosu na klasične kabele nije u brzini prijenosa signala, nego u tome što može prenositi višestruko veću količinu informacija na puno veće udaljenosti i uz puno manje gubitaka snage signala. Današnje bi brzine interneta bile praktično nemoguće bez optičkih vlakana i kabela.

Svijet je premrežen podvodnim optičkim kabelima bez kojih bi globalna digitalna komunikacija bila nemoguća. Oko 1,5 milijuna kilometara prelazi oceane, mora i ide oko kontinenata. Ako se električne kabele može opisati kao krvotok svijeta, onda su optički kabeli njegovi živci.

Mnogi su čuli za talijanske kompanije Fincantieri, Pirelli, Barilla i Ferrero... Za Prysmian, talijansku kompaniju koja je jedan od najvećih proizvođača optičkih kabela na svijetu, malo tko zna iako zapošljava 34 tisuće ljudi diljem svijeta i ima 109 tvornica diljem svijeta. Cijena dionice kompanije od početka 2024. snažno raste velikim dijelom jer su optički kabeli ključni dio infrastrukture za podatkovne centre, te neizostavan dio za 5G i buduću 6G digitalnu mrežu.

Sirovina iz koje se proizvodi staklo za njih mora biti posebno kvalitetna, pa iako je pijesak, tj. kvarc, široko rasprostranjen u prirodi, onaj koji se koristi za početak proizvodnje stakla koje će završiti u optičkim kabelima puno je rjeđi. Najveći proizvođači takvog "pijeska", visokopročišćenog kvarca, jesu SAD, Norveška, Australija i Brazil.

Staklo nije samo glavni građevni element živčanog sustava digitalnog svijeta, nego i sastojak bez kojeg njegov mozak, mikročipovi, ne bi postojao.

BEZ STAKLA NEMA MIKROČIPOVA

Većina strojeva za proizvodnju najsofisticiranijih mikročipova izrađuje nizozemska kompanija ASML, ali samo rijetki su svjesni toga da su jedni od najkritičnijih dijelova tih strojeva napravljeni od stakla.

Sami strojevi su veličine autobusa i imaju na desetke tisuća različitih dijelova, a u značajnom dijelu procesa koji se odvijaju unutar stroja su uključeni elementi bazirani na specijalnom staklu i materijalima na bazi stakla.

Primjerice, njemačka kompanija Zeiss proizvodi zrcala koja usmjeravaju ekstremno ultraljubičasto zračenje kako bi se uzorak električnog sklopa precizno prenio na silicijsku pločicu. Cijeli proces jedan je od tehnički najkompleksnijih na svijetu, pa je s razlogom ASML praktički svjetski monopolist.

Rastaljene kapljice kositra promjera oko 25 mikrometara izbacuju iz generatora brzinom od 70 metara u sekundi. Dok padaju, kapljice najprije pogađa laserski impuls slabijeg intenziteta koji ih spljošti u oblik nalik palačinki. Zatim ih pogađa drugi, znatno snažniji laserski impuls koji isparava spljoštenu kapljicu i stvara plazmu koja emitira ekstremno ultraljubičasto (EUV) zračenje. Kako bi se proizvela dovoljna količina EUV zračenja za proizvodnju mikročipova, taj se postupak ponavlja čak 50.000 puta u sekundi. U tom procesu je uloga zrcala da prikupi zračenje, zatim nekoliko iznimno preciznih zrcala usmjerava na tzv. fotomasku, a nakon toga drugi sustav zrcala projicira uzorak na silicijsku pločicu.

Svaki dio tog procesa je puno kompleksniji od ovoga što je opisano, a specifični dijelovi (parametri laserskih impulsa, algoritmi za sinkronizaciju, upravljanje toplinom...) poslovna su tajna. Cijeli je niz visokotehnoloških staklenih dijelova: kolektorsko zrcalo, optika senzora, projekcijska zrcala, leće, prizme, prozori koji odvajaju različite dijelove, ali moraju propuštati određene valne duljine svjetlosti itd.

Njemački Zeiss jedini je dobavljač većeg broja takvih zrcala na svijetu, a na svojim stranicama piše da se radi o zrcalima koja su toliko ravna da kada bi bila veličine Njemačke, najveća neravnina bi bila veličine jedne desetine milimetra, a senzori na projekcijskom optičkom sustavu su toliko precizni da bi reflektiranu lasersku zraku mogli s preciznošću usmjeriti da pogodi lopticu za golf na Mjesecu. Radi se o teško zamislivoj razini preciznosti i jednom od najpreciznijih industrijskih proizvoda koje je čovječanstvo sposobno proizvesti.

A čak ni Zeiss nije proizvođač same sirovine, nego Schott, druga njemačka kompanija koja proizvodi sami materijal iz kojeg Zeiss radi zrcala. Njima za proizvodnju treba ultračisti kvarc, sirovina koju dijele s kompanijama koje proizvode optička vlakna.

AUTONOMNA VOZILA TREBAT ĆE VIŠE STAKLA

Jedna od novijih tehnoloških inovacija posljednjih nekoliko godina su autonomna i poluautonomna vozila. Dok su automobili 20. stoljeća koristili staklo uglavnom da bi vozač mogao vidjeti kroz njega ili da bi propuštao svjetlo iz automobilskih svjetala, moderni automobili dodatno koriste i optička stakla u kamerama senzora. Poluautonomni automobili imaju još više takvih kamera, a posebno potpuno autonomni.

Automobili marke Tesla, prema javnim izvorima, imaju devet kamera, a svaka od tih kamera ima nekoliko leća. Potpuno autonomna robotaksi vozila, kao što je Waymo, imaju do 29 kamera. Novije generacije koriste manje, 15-ak kamera, ali koriste tehnologije bazirane na laserima kao što je LiDAR, koje su ovisne o visokokvalitetnim optičkim staklima.

Potreba je još veća kod autobusa i kamiona zbog same njihove veličine (senzori moraju pokriti veće područje) te većeg puta kočenja (što znači da senzori moraju ranije reagirati). Za senzore i radare, posebno one o kojima u konačnici ovisi ljudski život, moraju se koristiti sofisticirana optička stakla.

MATERIJAL KOJI ČOVJEČANSTVO PRATI OD SAMIH POČETAKA

Začuđujuće je da još danas nemamo dovoljno dobre zamjene za korištenje stakla ni u medicini, kemiji, biologiji i ostalim znanostima. Nijedan drugi materijal nema takvu kombinaciju inertnosti te kemijskih, optičkih i termalnih svojstava, barem ne po dovoljno niskoj cijeni. Mikroskopi, endoskopi, laboratorijski laseri, spektroskopi, epruvete, tikvice, pipete... brojni instrumenti koriste staklo zbog njegovih svojstava. Točnije, radi se o borosilikatnom staklu.

Staklo je zapravo pojam koji označava širok spektar srodnih materijala s istom bazom, samo različitim primjesama drugih materijala. Ovisno o tome što je potrebno, dodaju se borov oksid, olovni oksid, aluminijev oksid i drugi elementi. U osnovi je gotovo uvijek silicijev dioksid, spoj silicija i kisika koji se u prirodi najčešće pojavljuje u obliku kvarca.

Na neki način utješno je da postoje materijali kao staklo koji su pratili razvoj ljudske civilizacije gotovo od početaka do danas. Većinu povijesti se radilo o luksuzu, a dolaskom znanstvene revolucije postaje jedan od suputnika u velikom napretku čovječanstva. Velika otkrića biologije, astronomije i fizike ovisila su o staklu, često su bila ograničena dostupnom kvalitetom optičkog stakla, a slično se događa i danas. Znanje o izradi i obradi visokotehnološkog stakla kompanije kao što su Zeiss i Schott čuvaju kao nekada Venecija znanje o izradi luksuznog stakla.

Uzimajući u obzir njegovu ulogu u optičkim vlaknima, proizvodnji strojeva za mikročipove i samih mikročipova, autonomnim vozilima, znanosti i drugim industrijama, staklo neće tako skoro izgubiti svoju važnost. Tako će jedan od najstarijih umjetnih materijala koje je čovjek naučio proizvoditi ostati poveznik budućnosti sa samim počecima civilizacije.