Sind Halbleiter schlecht für die Umwelt?

In der Technologiebranche herrscht eine stille Spannung, die es selten bis zur Produkteinführung schafft. Die Geräte, die wir kaufen, um zu navigieren, zu kommunizieren und uns zu unterhalten, sind auf Chips angewiesen, deren Produktion in mehrfacher Hinsicht messbar schädlich für den Planeten ist. Die Chipherstellung verbraucht außerordentlich viel Wasser und Strom, setzt starke Treibhausgase frei und erzeugt chemische Abfälle, die eine sorgfältige Handhabung erfordern. Gleichzeitig tragen die Produkte, die diese Chips antreiben, dazu bei, die Emissionen in den Bereichen Transport, Energie und Landwirtschaft zu reduzieren. Die Entscheidung, ob Halbleiter umweltschädlich sind, ist daher keine einfache Frage. Es geht um Kompromisse-, Zeitpläne und darum, wer die Kosten trägt.

 

 

Halbleiter

 

Beginnend mit den Grundlagen: Worüber wir sprechen

Um die Umweltrisiken zu verstehen, ist es hilfreich, sich daran zu erinnern, worauf sich das Wort eigentlich bezieht. Die Bedeutung von Halbleiter kommt aus der Physik: Ein Halbleiter ist ein Material, dessen Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, zwischen der eines Leiters und der eines Isolators liegt. Silizium, das häufigste Beispiel, kann je nach Bedingungen so konstruiert werden, dass es elektrischen Strom leitet oder blockiert, was es zum idealen Baustein für Transistoren macht. Milliarden von Transistoren auf einem einzigen Chip bilden die Logikschaltkreise in jedem Smartphone, Server, Auto und Gerät. Der Herstellungsprozess, bei dem diese Chips im Nanometermaßstab hergestellt werden, gehört zu den ressourcenintensivsten Industriebetrieben der Welt.

 

 

Wasser: Der unsichtbarste Kostenfaktor

Umwelt-Hotspots:

• Ultra-Verbrauch von reinem Wasser
• Emissionen von Perfluorkohlenstoffgasen
• Strom aus fossilen Brennstoffen
• Chemische Abfallströme
• CO2-Fußabdruck der Ausrüstung

Für die Chipherstellung ist Wasser von außerordentlicher Reinheit erforderlich, das weitaus sauberer als Trinkwasser ist und zum Spülen der Wafer zwischen den Hunderten von Schritten zum Aufbau der Schaltkreisschichten verwendet wird. Eine einzelne große Fabrik kann täglich Millionen Gallonen dieses ultrareinen Wassers verbrauchen. Viele fortschrittliche Fabriken befinden sich in Regionen, die regelmäßig von schwerer Dürre betroffen sind. Dies wirft die Frage auf, ob die Ansiedlung der Chipproduktion in wasserarmen Gebieten nachhaltig ist, wenn die Produktion weiter steigt.

Was die meisten Menschen nicht berücksichtigen, ist, wie viel Präzisionshardware in die Verwaltung des Wassers investiert wird, sobald es in die Fabrik gelangt. Reinstwasserkreisläufe sind auf Edelstahlventile und Rohrverbindungen angewiesen, die strenge Anforderungen an Sauberkeit und Korrosionsbeständigkeit- erfüllen, da selbst Spuren von Verunreinigungen durch minderwertige Materialien eine Wafercharge ruinieren können. Hersteller wie LEADTEK liefern solcheKugelhähne aus Edelstahl SS316UndRohrverbindungsstückeauf die Halbleiterbetriebe für eine leckagefreie, kontaminationsfreie Flüssigkeitskontrolle in ihren Reinstwassersystemen angewiesen sind. Es ist ein Detail, das selten in den Schlagzeilen über den ökologischen Fußabdruck der Chipherstellung auftaucht, doch die Zuverlässigkeit jedes Ventils im Kreislauf hat direkten Einfluss darauf, wie viel Wasser eine Fabrik verschwendet oder zurückgewinnt.

Die Wassersorge verschärft sich, wenn neue Anlagen in ariden oder semi{0}}ariden Regionen gebaut werden, in denen die Verfügbarkeit von Süßwasser bereits durch Landwirtschaft, Bevölkerungswachstum und ein sich erwärmendes Klima unter Druck steht. Chiphersteller haben beim Wasserrecycling echte Fortschritte gemacht: Einige Werke gewinnen inzwischen mehr als achtzig Prozent des von ihnen verbrauchten Wassers zurück und verwenden es wieder. Fortschritt ist jedoch nicht dasselbe wie Entschlossenheit. Sogar recyceltes Wasser benötigt zur Reinigung Energie, und die absolute Nachfragemenge steigt mit der Ausweitung der Chipproduktion weiter.

 

LEADTEK-Flanschkugelhahn aus Edelstahl

 

Treibhausgase, von denen Sie wahrscheinlich noch nie gehört haben

Kohlendioxid ist das Treibhausgas, das die öffentliche Diskussion dominiert, aber der beunruhigendste atmosphärische Beitrag der Chipindustrie kommt von einer ganz anderen Familie von Molekülen. Perfluorkohlenstoffe und verwandte Verbindungen wie Stickstofftrifluorid werden bei Plasmaätz- und Kammerreinigungsprozessen in Fabriken verwendet. Diese Gase sind unglaublich starke Wärmer. Stickstofftrifluorid zum Beispiel speichert Wärme über einen Zeitraum von einem Jahrhundert-tausendmal effektiver als Kohlendioxid und verbleibt Hunderte von Jahren in der Atmosphäre.

Viele Jahre lang wurden diese Gase nicht einmal in die internationalen Emissionsverfolgungsrahmen einbezogen, teils weil sie in so geringen absoluten Mengen produziert wurden, teils weil sie keine natürlichen Quellen hatten und daher leicht übersehen wurden. Das Bewusstsein hat sich erheblich verbessert. Führende Chiphersteller melden jetzt ihre Emissionen fluorierter Gase und haben in Minderungssysteme investiert, die die Gase zerstören, bevor sie die Atmosphäre erreichen. Die Situation ist besser als vor einem Jahrzehnt und bleibt ein berechtigter Anlass zur Sorge, da die Wafer-Produktionsmengen weiter steigen.

Die Geräte, auf die wir uns verlassen, um in eine umweltfreundlichere Zukunft zu navigieren, werden von Fabriken gebaut, die ihre eigenen Umweltschulden begleichen müssen.

 

Die Energiegleichung

Fabs laufen rund um die Uhr und bleiben nie stehen. Die Maschinen, die Materialschichten auf Siliziumwafern abscheiden, ätzen und prüfen, sind auf eine Weise energiehungrig, die von außen nur schwer zu erkennen ist. Eine einzelne große Fabrik kann so viel Strom verbrauchen wie eine kleine Stadt, und der Gesamtverbrauch der globalen Chipindustrie kann mit dem vieler mittelgroßer Länder konkurrieren. Woher dieser Strom kommt, ist von enormer Bedeutung. Eine Fabrik, die mit Wasserkraft oder Solarenergie betrieben wird, weist ein grundlegend anderes Kohlenstoffprofil auf als eine Fabrik, die aus einem kohlelastigen Netz stammt.

Viele der Regionen, in denen die moderne Chipproduktion konzentriert ist, sind für ihre Stromversorgung immer noch weitgehend auf fossile Brennstoffe angewiesen, darunter Flüssigerdgas und in einigen Fällen Kohle. Da die Produktionskapazität gewachsen ist, ist auch der Druck auf die lokale Energieinfrastruktur gestiegen, und Umweltschützer an mehreren Standorten haben Bedenken geäußert, dass neue Kraftwerke für fossile Brennstoffe speziell zur Deckung der Nachfrage der Chipindustrie gebaut werden könnten. Die Branche hat sich im Großen und Ganzen dazu verpflichtet, die Beschaffung erneuerbarer Energien auszuweiten, obwohl Tempo und Glaubwürdigkeit dieser Verpflichtungen von Betreiber zu Betreiber erheblich variieren.

 

Die andere Seite des Hauptbuchs

Eine ausgeglichene Bilanz muss die Gegengeschichte anerkennen. Halbleiter sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Technologien, die die glaubwürdigsten Wege zur Senkung der globalen Emissionen bieten. Elektrofahrzeuge sind auf Leistungselektronik-Chips angewiesen, um die Batterieleistung und die Ladeeffizienz zu steuern. Smart-Grid-Systeme nutzen Chips, um Stromangebot und -nachfrage in Echtzeit auszugleichen und so den Abfall zu reduzieren. LED-Beleuchtung, Wärmepumpen, Windturbinensteuerungen und Solarwechselrichter sind für ihre Kernfunktion alle auf Chips angewiesen. Die durch diese Anwendungen ermöglichten Energieeinsparungen, die sich über Millionen von Installationen und jahrzehntelangen Betrieb erstrecken, sind erheblich.

Forscher, die den gesamten Lebenszyklus von Chiptechnologien-untersucht haben, stellen im Allgemeinen fest, dass die durch Produkte wie Elektrofahrzeuge oder intelligente Thermostate vermiedenen Emissionen die bei der Chipherstellung erzeugten Emissionen oft um ein Vielfaches überwiegen. Dies bedeutet nicht, dass die Auswirkungen auf die Herstellung akzeptabel oder vernachlässigbar sind. Das bedeutet, dass die Beziehung zwischen der Chipherstellung und der Umwelt komplizierter ist, als ein einfaches schlechtes-oder-gutes Urteil erfassen kann.

 

Wie Verantwortung aussieht

Die stärksten Akteure in der Chip-Lieferkette haben begonnen, Nachhaltigkeit als technisches Problem und nicht als PR-Maßnahme zu betrachten. Wasserrecyclingsysteme sind zu standardmäßigen technischen Anforderungen in neuen Fabrikdesigns geworden. Anlagen zur Reduzierung fluorierter Gase werden mittlerweile in großem Umfang in führenden Anlagen eingesetzt. Die Beschaffung erneuerbarer Energien beschleunigt sich, teils angetrieben durch interne Unternehmensverpflichtungen, teils durch den Druck von Großkunden im Technologiesektor, die ihre eigenen Netto-Null--Ziele verfolgen.

Auch die Regulierung verschärft sich. Die Corporate Sustainability Reporting Directive der Europäischen Union verpflichtet große Unternehmen, Umweltdaten immer spezifischer offenzulegen. Die kalifornischen Gesetze zur Klimaoffenlegung, die ab 2024 schrittweise in Kraft traten, betreffen Chiphersteller mit bedeutenden Betrieben oder Kunden im Bundesstaat. Diese Rahmenwerke schaffen Anreize zur Messung und Reduzierung, die über freiwillige Zusagen hinausgehen.

Die ehrliche Antwort auf die am Anfang dieses Artikels gestellte Frage lautet, dass die Chipherstellung tatsächlich mit Umweltkosten verbunden ist, Kosten, an deren Reduzierung die Industrie arbeitet, die aber noch nicht gelöst wurde. Gleichzeitig ermöglichen die hergestellten Chips Technologien, die letztendlich möglicherweise mehr zur Reduzierung der Emissionen beitragen, als die Fabriken ausstoßen. Das Ziel sollte nicht darin bestehen, diesen Kompromiss-zu feiern, sondern ihn zu schließen und die Produktion sauberer zu machen, während die dadurch ermöglichten Anwendungen weiterhin zur Dekarbonisierung der Gesamtwirtschaft beitragen.