คุณคิดว่าน้ำประปาที่เราใช้กันอยู่ทุกวันสะอาดแล้วใช่ไหม แต่ถ้าเอามาใช้ในโรงงานผลิตชิปคอมพิวเตอร์จะทำให้ชิปเสียหายเพราะความสะอาดไม่เพียงพอ ดังนั้นโรงงานจึงต้องสร้างน้ำชนิดพิเศษขึ้นมาเอง เรียกว่า น้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวด หรือ Ultrapure Water (UPW) และในช่วงไม่กี่ปีมานี้ น้ำชนิดนี้กำลังกลายเป็นสิ่งที่หลายประเทศแย่งกัน จนเริ่มมีคนเรียกมันว่า ทรัพยากรใหม่

น้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดคืออะไร

น้ำประปาที่เราดื่มมันมีของอื่นละลายอยู่เต็มไปหมด ไม่ว่าจะเป็นเกลือแร่ แคลเซียม โซเดียม ซิลิกา และสารอินทรีย์เล็กๆ อีกนับร้อยชนิด สิ่งเหล่านี้ไม่มีอันตราย แต่น้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดคือ น้ำที่ดึงของพวกนี้ออกไปเกือบหมด เหลือแค่โมเลกุลน้ำล้วนๆ เปรียบง่าย ๆ ก็คือ ถ้าน้ำประปาเป็นน้ำซุปที่มีเครื่องลอยอยู่ น้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดก็คือ น้ำเปล่าที่กรองเครื่องออกจนหมดเกลี้ยง ผลที่ตามมาค่อนข้างแปลก เพราะเมื่อไม่มีอะไรละลายอยู่เลย มันจึงพร้อมจะละลายทุกอย่างที่สัมผัส ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมันถึงล้างสิ่งสกปรกออกจากแผ่นเวเฟอร์ได้ดี

นักวิทยาศาสตร์วัดความสะอาดของมันด้วยการนำไฟฟ้าได้ และน้ำที่สะอาดจริงๆ จะไม่นำไฟฟ้า โดยมาตรฐานจึงกำหนดค่าความต้านทานไว้ที่ 18.2 MΩ·cm ซึ่งเป็นเพดานทางทฤษฎีที่น้ำจะสะอาดได้

ทำไมชิปถึงต้องใช้น้ำสะอาดขนาดนี้

เพราะวงจรในชิปสมัยใหม่มีขนาดเล็กกว่าเส้นผมคนเราหลายพันเท่า ลองนึกว่า คุณกำลังวาดถนนเส้นเล็กๆ บนกระดาษ ถ้ามีเม็ดฝุ่นตกลงไปขวางถนน ถนนก็ขาด รถวิ่งไม่ได้ ในชิปก็เหมือนกัน อนุภาคเล็กๆ ที่ตาเรามองไม่เห็น สามารถทำให้ลัดวงจรหรือวงจรขาดได้ จึงเรียกอนุภาคพวกนี้ว่า Killer Particle และกำหนดไว้ว่าขนาดที่มีความเสี่ยงอันตรายต่อวงจรคือ ครึ่งหนึ่งของความกว้างของเส้นวงจร

ยิ่งชิปเล็กลง มาตรฐานน้ำก็ยิ่งเข้มขึ้น เมื่อสิบปีก่อนวัดกันที่ระดับหนึ่งในพันล้าน ตอนนี้บางโรงงานวัดกันที่ระดับหนึ่งในล้านล้าน ผลของน้ำที่ไม่ได้มาตรฐานจึงไม่ใช่แค่ชิปเสียไม่กี่ตัว แต่หมายถึงโรงงานที่ลงทุนไปเป็นหมื่นล้านบาทผลิตของขายไม่ได้

กระบวนการผลิตสามขั้นตอน

การทำน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดไม่ได้ใช้เครื่องกรองเครื่องเดียว แต่ต้องต่อกันเป็นสายยาว 5 ถึง 10 ขั้นตอน แบ่งเป็น 3 ช่วงใหญ่

1. เริ่มที่การกรองหยาบ กำจัดตะกอน เศษผง และคลอรีนออกไปก่อน เหมือนล้างผักคร่าวๆ ก่อนเอาเข้าครัว
2. ช่วงนี้คือ หัวใจของระบบ ใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า Reverse Osmosis หรือ RO ซึ่งก็คือเครื่องกรองน้ำแบบเดียวกับที่หลายบ้านติดในครัว เพียงแต่ขนาดใหญ่กว่ามาก โดย RO ทำงานด้วยแรงดันน้ำผ่านเยื่อบาง ๆ ที่มีรูขนาดเล็กจนเกลือแร่ผ่านไม่ได้ ขั้นตอนนี้กำจัดสิ่งปนเปื้อนออกไปได้มากที่สุด
3. การกรองแบบประณีต ซึ่งแพงที่สุด ใช้แสงยูวีสลายสารอินทรีย์ที่เหลือ ใช้เรซินจับไอออนตัวสุดท้าย และไล่ก๊าซที่ละลายอยู่ออกไป

ปริมาณการใช้น้ำและปัญหาการขาดแคลน

โรงงานผลิตชิปแห่งเดียวใช้น้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวดวันละหลายล้านลิตร บางแห่งใช้ถึง 8,000 ถึง 20,000 ลูกบาศก์เมตรต่อวัน การผลิตเวเฟอร์เพียงแผ่นเดียวใช้น้ำราว 8 ลูกบาศก์เมตร โดยสามในสี่ของน้ำนั้นใช้ครั้งเดียวแล้วทิ้ง ที่สำคัญกว่านั้น การผลิตน้ำบริสุทธิ์ 1 ลิตร ต้องใช้น้ำประปาตั้งต้นถึง 1.4 ถึง 1.6 ลิตร ส่วนที่เหลือเต็มไปด้วยน้ำเสีย

ปัญหาคือ โรงงานชิปจำนวนมากตั้งอยู่ในพื้นที่แห้งแล้ง ทั้งไต้หวัน เกาหลีใต้ และรัฐแอริโซนาในสหรัฐฯ ประมาณ 40% ของโรงงานทั่วโลกอยู่ในพื้นที่เสี่ยงขาดน้ำรุนแรงภายในปี 2030 น้ำจึงไม่ใช่แค่สาธารณูปโภคอีกต่อไป แต่กลายเป็นวัตถุดิบเชิงยุทธศาสตร์เหมือนแร่หายากหรือน้ำมัน

การนำน้ำเสียกลับมาใช้ใหม่ และอุปสรรคเรื่องยูเรีย

เมื่อน้ำเริ่มขาด เลยต้องเอาน้ำเสียกลับมาใช้ใหม่ แต่ว่าเครื่องกรอง RO ทำงานเหมือนตะแกรง มันกันของชิ้นใหญ่ได้ดี แต่ให้ของที่มีขนาดเล็กมากจะลอดผ่านไปได้ ตัวที่สร้างปัญหามากที่สุดคือ สารชื่อยูเรีย ซึ่งเป็นโมเลกุลเล็กจิ๋วและไม่มีประจุไฟฟ้า ตะแกรงจึงกันไม่อยู่ และเพราะไม่มีประจุ เรซินแลกเปลี่ยนไอออนก็จับไม่ได้ ถ่านกัมมันต์ก็ดูดซับได้ไม่ดีนัก ที่ยุ่งกว่านั้นคือ น้ำเสียที่นำกลับมาใช้ใหม่มียูเรียมากกว่าน้ำประปาราวสองเท่า ทางเลือกที่ควรจะช่วยแก้ปัญหาจึงสร้างปัญหาใหม่ขึ้นมาแทน

นักวิจัยกำลังทดลองวิธีใหม่หลายทาง เช่น การใช้อนุมูลอิสระที่มีพลังสูงไปสลายยูเรียให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ หรือการเคลือบเอนไซม์ลงบนเยื่อกรองเพื่อให้ย่อยยูเรียได้โดยตรง ซึ่งวิธีหลังนี้ช่วยเพิ่มการกำจัดยูเรียได้ถึง 28%

การเก็บน้ำจากอากาศ

ทางเลือกใหม่ที่สุดจากมหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนา คือ การดึงน้ำออกมาจากอากาศโดยตรง หลักการเดียวกับน้ำที่หยดจากแอร์ในบ้าน แต่ใช้วัสดุคล้ายฟองน้ำที่ดูดความชื้นได้ดีกว่ามาก โดยที่เวลากลางคืนดูดไอน้ำเก็บไว้ ส่วนเวลากลางวันก็ให้คายความร้อนออกมา ซึ่งเคยมีการทดลองในหุบเขามรณะที่แคลิฟอร์เนียแล้วยังเก็บน้ำได้จริง

ข้อดีก็คือ น้ำจากอากาศแทบไม่มีเกลือแร่ ทำให้ขั้นตอน RO ที่กินไฟที่สุดน้อยลงไปมาก แต่ข้อเสียคือ กินไฟกว่าการกลั่นน้ำทะเลถึง 25 เท่า เพราะไอน้ำในอากาศเจือจาง ทางออกที่นักวิจัยเสนอคือ การใช้ความร้อนเหลือทิ้งจากระบบหล่อเย็นและระบบปรับอากาศ ที่มีอุณหภูมิ 40 ถึง 80 องศา ซึ่งพอดีกับที่วัสดุต้องการ แล้วยังเท่ากับเป็นการเปลี่ยนของเสียให้เป็นทรัพยากรอีกด้วย