đĩa wafer bán dẫn silic

trong 70 năm qua, người ta tìm cách cắt silic, khắc, tán, rửa, tinh thể hoá và đánh bóng silic hơn phần lớn mọi vật liệu khác
Các kỹ sư đã làm những thứ hay ho để biến viên đá bóng bẩy ấy thành một mảng công nghệ ảnh hưởng lớn và ngành đĩa wafer đóng góp nhiều cho mối quan tâm ấy

Giới thiệu tấm đĩa bán dẫn wafer
Đĩa bán dẫn là viên gạch bản lề xây dựng bán dẫn, hệ vi cơ điện tử MEMS và tấm panel thu điện mặt trời.
Đĩa wafer phục vụ làm tấm nền cho các thiết bị vi điện tử nằm lên
Nhìn chung có 2 loại đĩa wafer: những tấm để sản xuất pin điện mặt trời và đĩa cho mạch tích hợp – loại thứ 2 cần độ tinh khiết cao hơn – tỷ lệ 11 con số 9 thay vì chỉ cần 6 con số 9 trong tỷ lệ phần trăm độ tinh khiết
Ngành sản xuất wafer theo 3 cỡ chung là 150, 200 và 300 milimet – đĩa càng lớn càng khó làm, nhưng nếu tỷ lệ đạt ổn thì sẽ tiết kiệm hơn.
Sản xuất wafer bắt đầu là tạo nên một tinh thể silic hoàn hảo duy nhất [nén] từ cát

Cát wafer và silic
Đĩa wafer ngày nay làm từ silic nguyên tố nhiều thứ nhì địa cầu, có màu xám xanh nước biển, dễ nghiền, thuộc chung nhóm nguyên tố với germanium và carbon trên bảng tuần hoàn hoá học
Cát chứa chủ yếu là silica, tiết kiệm nhất là tìm nguồn cát tự nhiên tinh khiết nhất có thể để người dùng đỡ tốn công làm sạch
Giống khoáng vật và cả con người, đá thạch anh bị ảnh hưởng bởi môi trường nó hình thành, bị vẩn đục khi những vệt nguyên tố hoặc khoáng vật thâm nhập vào khoáng vật khi nó tăng trưởng, ví dụ nước hoặc bong bóng khí
Nguồn thạch anh tinh khiến nhất là của tập đoàn Unimin của Mỹ, ngày nay công ty tên Covia, được khai thác ở Bắc Carolina gần thị trấn Spruce Pine và xử lý lấy cát cho đĩa wafer từ đá pecmatit
Có những công ty khác trong ngành, đối thủ lớn nhất là thạch anh chất lượng cao từ làng Drag ở Bắc Na-uy, khai thác bởi công ty Crystallites Na-uy

Cát thành silic đa tinh thể
Cát tinh khiết nhất thế giới hiện nay có độ tinh khiết 99.9992% chứa vệt nguyên tố như boron với lượng chỉ 40 mỗi 1 tỷ. Phần lớn cát cho đĩa wafer thì không như thế, và kể cả độ tinh khiết 39 thì vẫn quá bẩn không đủ yêu cầu bán dẫn
Cho nên việc thanh tẩy cần thiết, lấy cát wafer – thường tinh khiết chưa đến 99.9992% - đem trộn với nguồn carbon như than cốc, than đá hoặc gỗ mảnh, sau đó nung nóng trong một lò hồ quang điện chìm lên nhiệt độ 1500 đến 2000 độ C
Silica là silic đi-ôxit nên khi thêm carbon và năng lượng thì oxy rời bỏ silic và gắn vào carbon, thu được silic hạng tiêu chuẩn luyện kim MG-Si có độ tinh khiết 98-99% vẫn chưa đủ để silic hạng tiêu chuẩn bán dẫn
Để thanh tẩy, ta lấy silic hạng luyện kim giã thành bột, bổ sung axit clohydric và ném vào trong một lò phản ứng để nung lên 300 độ C phản ứng tạo thành một bộ các chất hoá học mới mà ta có thể xử lý thành silic đa tinh thể hạng bán dẫn
Những chất hoá học có thể đa dạng nhưng các kỹ thuật viên ưa thích dùng hợp chất trichlorosilane

Chế tạo silic hạng chất lượng bán dẫn
Trong công đoạn tạo nên trichlorosilane thì axit sẽ gột đi những vết sắt và nhôm, được trichlorosilane tinh khiết để hoá hơi và ngưng đọng lại với hydro tinh khiết vào một lò phản ứng lắng đọng hơi hoá học – tại đó khí sẽ phân huỷ, lắng đọng silic lên những que mỏng silic gọi là các “slim rod” – sau 200 đến 300 giờ tăng trưởng chậm ở nhiệt độ 1100 độ C được một que lớn hơn silic đa tinh thể hạng bán dẫn
Phương pháp dùng CVD để lắng đọng silic lên những que kim loại mỏng, được gọi là phương pháp Siemens theo tên công ty Siemens lần đầu đăng ký bản quyền phương pháp từ thập niên 1950
Có một phương pháp khác sử dụng những lò phản ứng nền chất lưu [như giường nước], gần đây đang nổi lên vì tiết kiệm hơn

Silic đa tinh thể năng lượng mặt trời
Phương pháp Siemens cho độ tinh khiết mong muốn nhưng cũng chỉ thu lại được 30% số silic đặt vào và cũng tốn nhiều điện – không phải vấn đề với ngành bán dẫn – nhưng gây khó cho ngành năng lượng mặt trời, một phần vì silic đa tinh thể hạng điện mặt trời không cần tinh khiết ngang hạng với silic đa tinh thể hạng bán dẫn, phần nữa vì ngành pin mặt trời có nhiều công ty cạnh tranh nhau hơn và hạ giá thành xuống thấp hơn là ngành bán dẫn.
Điện mặt trời phải cạnh tranh giá rẻ với cả nhiên liệu hoá thạch và điện gió nữa, khiến các tấm panel chỉ được phép sản xuất giá rẻ. Động cơ tài chính như thế nên sản xuất silic đa tinh thể hạng điện mặt trời phải sử dụng các công đoạn ngặt nghèo về độ tinh khiết, cho nên một số công ty đã tiên phong những phương thức xử lý silic hạng luyện kim, chỉ đạt 98-99% độ tinh khiết, thành chất lượng đủ tiêu chuẩn cho pin mặt trời
Một cách làm là rửa axit lên silic [hạng luyện kim] ấy, gột đi một số nhiễm bẩn, nhưng không đủ sức gột hết. Khoa học cần tìm thêm cách.

Làm tinh thể
Bước tiếp theo để làm đĩa bán dẫn là tạo những cục tinh thể, tinh khiết và không bị lỗi hay lỗ hổng lệch - 95% tinh thể của ngành được tăng trưởng sử dụng công đoạn gọi tên là phương pháp Czochralski
Năm 1916 Jan Czochralski một thợ luyện kim Ba Lan làm việc ở Berlin công bố một cách làm ra những tinh thể kim loại đơn nhất. Czochralski khám phá một cách tình cờ, nhờ nhìn vào bút của mình.
Thời ấy, người ta vẫn dùng bút để viết, chấm bút vào lọ mực để nhúng ngòi bút vào mực rồi sau đó viết lên giấy
Jan cần bôi thêm mực vào ngòi bút để viết tiếp, nên ông nhúng bút vào lọ mực và tai nạn xảy ra khi ông nhúng bút nhầm vào một nồi nấu thiếc hoá lỏng. Jan rút bút lên khỏi nồi và nhận thấy một sợi mỏng thiếc cô đặc lại quấn quanh ngòi bút và ngay sau đó Jan đã xác nhận được rằng sợi thiếc ấy là một tinh thể rắn đơn nhất – liên tục và không đứt gãy từ cạnh này sang cạnh còn lại
Bóng bán dẫn đầu tiên được làm từ germanium. Nhà khoa học Gordon Kidd Teal và JB Little đã chỉnh sửa phương pháp Czochralski thuở đầu để làm ra tinh thể germanium [hay gọi tên là phương pháp Teal và Little nhỉ?]
Ngành sau đó chuyển sang silic và phương pháp Czochralski chuyển theo, năm 1951 Teal và Buehler bắt đầu công đoạn Czochralski tăng trưởng các tinh thể silic

Phương pháp Czochralski
Chỉ là một tinh thể nhưng được nuôi tăng trưởng qua các giai đoạn, mỗi giai đoạn cần những điều kiện khác biệt
Bắt đầu là một bể silic đa tinh thể nóng chảy trong một nồi nấu thạch anh, hoá lỏng những miếng rắn ở 1420 độ C nhiệt độ cao giữ cho nóng chảy không bị hình thành bong bóng khí
Sau đó, lấy một mẩu tinh thể hạt giống nhúng xuống bể trong nồi nấu, mẩu thường chỉ cần cỡ vài milimet và có hình thù giống với sản phẩm tinh thể mong muốn
Đợi đến khi một phần nhỏ của hạt giống bắt đầu hoá lỏng thì kéo hạt giống ra khỏi bể, vừa kéo vừa xoắn, sao cho silic lỏng sẽ tinh thể hoá vào đáy hạt giống phía dưới điểm tiếp cận giữa hạt giống và silic lỏng
Kiểm soát tốc độ kéo và nhiệt độ để tăng trưởng phần còn lại của tinh thể, cả phần hình nón và phần hình trụ
Khi gần kết thúc phần cuối của tinh thể, ta lại tạo được một hình nón lật ngửa thu nhỏ dần, để ngăn tinh thể bị phát triển nên những phần không hoàn hảo do nhiệt độ thay đổi và những bất ổn không thể tránh khỏi trong kỹ thuật kéo
Có nhiều quyền sách viết về công việc này, trên đây chỉ là sơ lược dễ hình dung.
Những tinh thể silic đầu tiên ra đời chỉ nhỏ và nhẹ cầm tay được – dài hơn 20 cm với đường kính hơn 19 milimet – sau này mới lớn dần, đến mức cần thiết bị đặc biệt để nhấc lên
những máy Czochralski thập niên 1970 cao hơn 4.2 met và nặng 30-40 kg, dần dà đã cao lên gấp đôi và nặng hơn 400 kg, được tranh bị thêm khiên chống nhiệt, máy quay phim và từ trường để theo dõi và duy trì kiểm soát chất lượng – hàng thập kỷ nghiên cứu và mài dũa phương pháp để có được những tinh thể hoàn toàn tinh khiết khỏi nhiễm bẩn và lỗ lệch

Cắt và cưa
Có được tinh thể, cần cắt chúng thành các đĩa [wafer] nghe giống cắt xúc xích
Đầu tiên cắt bỏ phần hình nón trên đỉnh và dưới đáy của tinh thể
Phần thân được cưa thành những mảng khác nhau và mài thành thỏi, vì tinh thể phần lớn được tăng trưởng lớn hơn kích cỡ quy định cho nên phần thừa cần mài bỏ [trước khi cưa ra đĩa]
Có 2 cách cưa thỏi, đầu tiên là cưa đường kính bên trong bằng lưỡi cưa kim cương – dao cưa thông thường được gắn ở trung tâm và có phần lưỡi cắt hướng ra đường kính ngoài – cưa đường kính hướng vào bên trong thì ngược lại, cắt từng đĩa [wafer] một và mỗi lần cắt mất vài phút
Khi cắt, lưỡi dao có thể bị cong hoặc bị thiếu hoàn hảo riêng, gây lỗi đĩa wafer cần được sửa sau đó
Cách khác là dùng dây. Cưa dây, mới đầu, dây không thực sự làm việc cắt mà làm việc vận chuyển một hỗn hợp sền sệt mạt silic carbide và dầu đến thỏi, hỗn hợp sệt ấy làm việc cắt
Gần đây, ngành bắt đầu sử dụng dây cưa nhám kim cương, là dây sắt bọc ngoài bằng kim cương, cắt nhanh hơn và gây ít tổn hại hơn cho kết cấu nguyên vẹn tổng thể của đĩa [wafer]
Cưa dây cắt một thỏi lâu hơn, nhưng không cần lần lượt như cưa đường kính trong, cưa dây có thể cắt ra nhiều đĩa cùng một lúc, do đó được ưa chuộng hơn cho đĩa [wafer] trên 150 milimet, cải thiện tỷ lệ đạt
Tất cả tập trung vào tỷ lệ đạt, tốc độ và chất lượng sản phẩm, vì sản xuất bán dẫn là ngành kinh doanh tư bản, nhiều phương pháp khả dụng về mặt kỹ thuật nhưng phải chứng minh được cải thiện tài chính hơn thực tiễn đang áp dụng thì mới có thể triển khai thay đổi
Khi đĩa [wafer] được cắt khỏi các thỏi, thực tiễn sẽ xuất hiện những khuyết điểm, đĩa [wafer] có thể bị bẻ cong. Các cạnh có hình chữ nhật, dễ bị gãy, và bề mặt bị nhiễm bẩn bởi hoá chất cho nên cần làm thêm công đoạn để có được đĩa [wafer] lý tưởng với chi phí thấp nhất
Kế tiếp là giai đoạn phủ lên và khắc mòn – loại bỏ mọi phần silic bề mặt bị vỡ hoặc bị chấn thương bởi dây cắt – mà vẫn cần duy trì độ phẳng cần thiết
Sau đó, đánh bóng bề mặt đĩa [wafer] sẵn sàng cho quang khắc – phương pháp được gọi tên là đánh bóng cơ học hoá học, sử dụng hỗn hợp sệt silica và một số axit để tạo nên một bề mặt mịn mượt.
Sau cùng, đĩa [wafer] được rửa sạch bằng axit thêm và được kiểm tra xem vấn đề gì không
Qua được vòng kiểm tra, đĩa sẽ được chuyển đến TSMC, Intel hoặc Samsung để fab [hình thành mạch tích hợp trên bề mặt]

Đánh giá ngành đĩa [wafer]
những nhà cung cấp wafer silic hàng đầu đều là người Nhật: công ty hoá chất Shin-Etsu và công ty SUMCO cùng chiếm 60% thị trường với Shin-Etsu dẫn đầu thị phần
phần lớn việc làm đĩa [wafer] làm ở Nhật Bản chủ yếu vì lý do chính trị, nhưng cũng phản ánh di sản của ngành bán dẫn từng làm mưa làm gió của đất nước mặt trời mọc
thập niên 1980 nhiều công ty hoá chất phổ thông như Shin-Etsu đã đầu tư nghiên cứu phát triển những vật liệu bán dẫn tốt nhất cho các công ty bán dẫn nội địa
nhiều công ty này đã biến mất sau khi bong bóng bất động sản vỡ, chỉ còn Shin-Etsu và SUMCO sống sót nhờ tập trung vào những sản phẩm kỹ thuật khó và khai thác thị trường xuất khẩu
Tokyo Electron là công ty với câu chuyện kinh doanh tương tự
Đã có những lo ngại rằng sản xuất đĩa [wafer] silic chỉ tập trung ở Nhật Bản, thỉnh thoảng những nhà máy này chịu hoả hoạn hoặc động đất, lần nào thảm hoạ lớn là chuỗi cung lại bị cắt nửa và gây xôn xao dư luận báo chí, diễn đàn...

Silic quan trọng đến thế sao?
Đĩa [wafer] bán dẫn đầu tiên làm từ germanium nhưng các nhà công nghiệp đã nhận thấy nguyên tố germanium không được thực tiễn lắm vì:
1 đĩa [wafer] germanium có vấn đề không chịu được nhiệt, ngừng hoạt động ở 90 độ C tương đương 194 độ F vì lý do ngành vẫn gọi tên là germanium có “khe vùng năng lượng hẹp” trong khi khe vùng của silic rộng hơn nhiều
2 khi nung nóng trong môi trường giàu ôxy thì silic phản ứng tạo nên một lớp silica làm lớp cách ly ổn định hoá học, không tan trong nước và giúp bảo vệ những điện tử nằm dưới, và cũng dễ bị khắc mòn đi nếu cần và cho nên rất thích hợp cho bước quang khắc và fab hoá học ướt
Điểm cộng nữa là silic hoàn toàn lành tính và rẻ hơn 10 lần germanium

Tương lai
Hiện nay, tiêu chuẩn công nghiệp cho đĩa [wafer] là 300 milimet nhờ 10 năm hợp tác công nghiệp vô tiền khoáng hậu, không kém công phu so với cuộc chuyển đổi lên EUV
Bước kế tiếp sẽ là tiến lên đĩa [wafer] 450 milimet – ý tưởng đã đăng lên một thời gian nhưng ngành đang tranh cãi
Intel, TSMC và Samsung muốn chuyển sang bước tiến bộ mới này, nhưng thiết bị và những công ty bán đĩa [wafer] là Shin-Etsu, Lam Research và Applied Materials thì không – dễ hiểu tại sao
TSMC đã có những cân nhắc cho quang khắc và rửa sạch cho đĩa 450 milimet, diện tích bề mặt gấp đôi đĩa 300 milimet, mà thiết bị xử lý sẽ chỉ tốn thêm 30% cho nên sẽ giảm chi phí
Những công ty bán đĩa [wafer] thì bước chuyển sẽ làm chậm xuất lượng, phải chi nhiều hơn cho silic, hạ tỷ lệ đạt và phải mua mới thiết bị [công cụ] mới – những công việc phải thực tiễn - không có rào cản kỹ thuật nào, nhưng rào cản kinh tế và thiết kế [kỹ sư máy] thì khá đáng kể
Năm 1995 những tinh thể 400 milimet đầu tiên đã được tăng trưởng, và kế hoạch ban đầu cho đĩa [wafer] 450 milimet đã trình ra năm 2014 nhưng kế hoạch cứ bị lùi dần sau ấy

Tương lai xa
Nghiên cứu sinh cũng đã nói về bỏ rơi silic để áp dụng thế hệ bán dẫn mới, những bài viết đăng tải về graphen
Nhưng silic đã trở thành nhóm ngành trị giá hơn 10 tỷ đôla Mỹ và là nền móng [nghĩa đen] cho toàn bộ lĩnh vực bán dẫn 400 tỷ đôla – chưa kể ngành cạnh tranh khốc liệt, tìm ra những cách mới để tăng trưởng, cắt , cưa và đánh bóng, xử lý
Nhưng silic cũng không phải câu trả lời tối thượng trong tương lai xa, ngành đã tiến bộ trong tìm được hiệu năng tốt hơn cho người dùng nhờ sử dụng những phương pháp khác – nổi tiếng nhất là SoC hệ thống trên chip, đặt những cấu kiện khác nhau được tối ưu cho mục đích sử dụng nhất định
Phiên bản của SoC cho silic là: những phần của chip có thể được thay thế hoặc trộn lẫn với những vật liệu mới thích hợp hơn cho những chức năng nhất định, ví dụ những thiết bị điện năng cao, điện áp cao cần khe vùng [năng lượng] rộng hơn cả silic thì có thể fab với gallium nitride
Phần gallium nitride có thể lẫn vào silic để cải thiện hiệu năng người dùng mà không cần thu nhỏ bóng bán dẫn thêm
Công nghệ đĩa [wafer] hẳn sẽ phải thích ứng để vận hành phát triển mới này, bổ sung thiết kế phức tạp cho một bề mặt bánh pizza nhìn qua có vẻ đơn giản

Silic hạng điện mặt trời

thị trường tấm panel điện mặt trời tăng trưởng 30% hằng năm từ cả châu Á, Âu và châu Mỹ
90-95% những tấm panel ấy được làm từ silic hạng điện mặt trời [solar-grade silicon]

Điện mặt trời
người Hy Lạp cổ đại đã thiết kế nhà để lưu giữ nhiệt năng của mặt trời cho những ngày đông rét
thế kỷ 1700, Horace de Saussure nhà khoa học Thuỵ Sĩ đã phát triển một hộp kính cách nhiệt mặt trời sẽ đun nóng nước bằng năng lượng mặt trời
năm 1839 nhà vật lý Edmond Becquerel người Pháp mới 19 tuổi đã khám phá hiệu ứng quang điện: nếu phơi sáng một số vật liệu nhất định thì chúng sẽ sản sinh điện áp và dòng điện
Henri con trai của Edmund sau đó khám phá bằng chứng phóng xạ và giành đồng giải Nobel vật lý năm 1903 với nhà Curies

Que silic
Russell Ohl là nghiên cứu sinh vật liệu ở Bell Labs làm việc xem xết những cách hành xử của tinh thể: ông thử sử dụng tinh thể để phát hiện hiện diện của những sóng vô tuyến [radio] nhất định
những thiết bị phát hiện [detector] thường làm từ silic, là linh kiện quan trọng của radar
tuy nhiên, hành xử của những máy phát hiện bằng tinh thể này thì hơi thất thường: Ohl tìm ra được lý do vì những không tinh khiết [impurity]
Ohl đã tìm những phôi [ingot] silic tinh khiết hơn [increasingly pure], thậm chí cất công xây dựng lò luyện [furnace] riêng để làm
một trong những phôi này, tinh khiết 99.8%, được cắt thành những một que [rod]
Ohl làm một thẩm nghiệm dẫn điện bằng máy dao động ký [oscilloscope] và nhận thấy que sản sinh ra một vòng lặp kỳ dị [peculiar loop] trên máy [tool]: dấu hiệu cho thấy một hình thức rào cản [barrier] nào đó trong silic
Ohl cho rằng silic vẫn không đủ tinh khiết và để cái que đó sang một bên
một năm sau, Ohl nhận ra rằng cái que có một vết nứt nhỏ và thực hiện thẩm nghiệm đo dao động ký lần nữa: nghĩ rằng vết nứt có thể là lý do tại sao rào cản dẫn điện xảy ra
Ohl thí nghiệm và nhận thấy hành xử của vòng lặp đột nhiên thay đổi nếu đặt lên trên một bát nước, và lại thay đổi khi gần phơi [expose] đến [to] một sắt hàn nóng [hot soldering iron]
Ohl khoe hiện tượng này cho một số đồng nghiệp ở Bell Labs, không ai biết tại sao que silic này sản sinh dòng điện mạnh mỗi khi phơi sáng, ngoại trừ một người

Que ánh sáng
hoá ra, cái que đó là một vật liệu lai [hybrid] kỳ lạ
khi làm ra phôi silic nguyên liệu làm cái que này, hai nhà luyện kim ở Bell Labs đã làm nguội chậm để tránh những vết nứt không mong muốn: làm vậy, những 'vết bẩn' [impurity] đã bên trong silic bị tách thành 2 vùng [section] phôi: một là hạng thương mại bị nhiều 'vết không tinh khiết'[impurity] hơn và hai là silic tinh khiết hơn nhiều
cho nên, khi họ cắt ra cái que ấy, họ vô tình tạo cái que có cả 2 vùng silic: mỗi vùng mỗi đầu - vùng nhiều 'vết bẩn' [impurity] hơn sẽ có thêm electron bên trong và vùng kia silic tinh khiết hơn có thêm những hao hụt [decifit] electron hay gọi là lỗ trống [hole]
giữa hai vùng là một rào cản: cấu trúc này khiến electron chỉ có thể đi theo một hướng nhất định từ đầu này sang đầu kia
khi ta chiếu ánh sáng lên khu vực rào cản, photon đánh bật những electron lỏng lẻo [mức năng lượng cao - vùng hoá trị] thành electron tự do: có thể đi đâu đó nhưng vì rào cản đã ở đó nên electron chỉ có thể di chuyển theo hướng nhất định lan khắp [across] rào cản - tạo nên dòng điện
cái Ohl khám phá được là rào cản P-N nay nổi tiếng là nối P-N
nối P-N là viên gạch căn bản của những thiết bị như bóng bán dẫn, điốp và những cell quang điện
năm 1946 Ohl nộp đăng ký bằng sáng chế Mỹ cho một "thiết bị nhạy sáng" là tổ tiên của cell điện mặt trời ngày nay
năm 1954 một nhóm khác ở Bell Labs tạo ra cell điện mặt trời silic
thời báo New York đăng tin: "hiện thực hoá một trong những giấc mơ đắm đuối [cherished] nhất của nhân loại - khai thác [harness] năng lượng vĩnh cửu của mặt trời"

Silic điện mặt trời
ngày nay hầu hết mọi cell điện mặt trời sử dụng ở Trái Đất là làm từ silic
thị trường quy tụ về sử dụng silic từ thập niên 1970 khi thị trường điện mặt trời tăng trưởng sau những khủng hoảng dầu mỏ
ngoài vũ trụ, những mảng [array] cell điện mặt trời được làm chủ yếu bởi những cell mặt trời dựa trên gali asen [GaAs] hiệu suất cao hơn và tốc độ thoái hoá biến chất [degrade] chậm hơn
chính phủ Mỹ nghiên cứu điện mặt trời từ thập niên 1950 cho sứ mệnh du hành vũ trụ
từ năm 1950 đến 1970 chi nghiên cứu phát triển liên bang cho điện mặt trời đặt ở Trái Đất chỉ trung bình dưới 100 000 đôla một năm
đối phó khủng hoảng dầu mỏ Arab năm 1973, Mỹ năm 1974 đầu tư hàng tỷ đôla những chương trình mới phát triển lựa chọn thay thế dầu mỏ
24% đầu tư nghiên cứu phát triển của chính phủ liên bang Mỹ từ năm 1961 đến 2008 đã chi ra chỉ trong 7 năm từ năm 1974 đến 1980
trong đó 4 tỷ đôla đầu tư vào một chương trình Synfuel làm nhiên liệu từ than và đá phiến dầu, 16 tỷ đôla vào điện hạt nhân và 2 tỷ đôla vào một dự án thương mại hoá điện hạt nhân quy mô lớn

Thương mại hoá điện mặt trời
bộ năng lượng Mỹ chỉ muốn hậu thuẫn những công nghệ điện mặt trời đã "khả thi thương mại"
những cell quang điện chỉ là một trong 3 công nghệ điện mặt trời nhận được hậu thuẫn: 2 còn lại liên quan đến đun nóng điện mặt trời [solar heating]
đun nóng điện mặt trời có vẻ hứa hẹn: người ủng hộ cam kết với chính phủ rằng công nghệ căn bản đã sẵn sàng - không ai nói khác, cho nên chính phủ đã dấn thân bằng chính sách tiền ưu đãi [incentive]
nhưng những đánh giá sau này cho thấy những thất bại [failure] kỹ thuật và thất vọng đáng kể
một đánh giá năm 1979 cho thấy chỉ 104 trong số 230 dự án đun nóng điện mặt trời hộ dân cư là từng hoàn thiện, và trong số 104 ấy thì hơn nửa đã phần nào ngừng hoặc hoàn toàn ngừng hoạt động
báo cáo kết luận rằng đã có những không thoả đáng lớn trong hệ thống: khi Reagan lên nắm quyền năm 1980 thì ngành đã gần như hoàn toàn sống nhờ ưu đãi chính phủ - Reagan đơn giản là chấm dứt chương trình
tuy nhiên, chính phủ Mỹ can thiệp ngành quang điện đã có những hiệu ứng tích cực: nền tảng công nghệ đã mạnh lên cho nên phần lớn 450 triệu dành cho nghiên cứu phát triển đã chuẩn bị [plow] để cắt giảm giá thành sản xuất và cài đặt những mảng cell điện mặt trời
xét lại, có lẽ cơ hội bị bỏ lỡ nhất là phía nhu cầu: thực hiện ưu đãi hoặc tương tự sẽ kích thích áp dụng điện mặt trời ở thị trường Mỹ - một số tiền đã được dành [allocate] nhưng chương trình không được mở rộng trước khi Reagan bắt đầu cắt giảm ngân sách năm 1980
dù sao thì bấy giờ cell điện mặt trời đã thành công lớn: doanh số tăng, đầu tư tư nhân tăng và ngành đang chuẩn bị xuất khẩu
và quan trọng nhất, ngành đã tụ về một nền tảng công nghệ duy nhất được đánh giá cao là cell điện mặt trời silic

Kinh tế
silic hạng bán dẫn, thường cũng gọi là hạng điện tử, cần độ tinh khiết 99.999% hay 9 đến 11 số 9, tương đương một nguyen tử không đúng [impurity] cho mỗi tỷ hoặc trăm tỷ nguyên tử silic
mặt khác, silic cần để làm cell điện mặt trời không cần quá tinh khiết: càng tinh khiết càng tốt nhưng ngành chỉ cần 6 đến 7 số 9 là được - tối thiếu chỉ cần 4 số 9 [99.9999%]
ngành bán dẫn đáng giá 530 tỷ đôla trên toàn cầu: chi phí tinh khiết của đĩa wafer chỉ chiếm chưa đến 1% tổng giá thành của chip
khác với silic hạng điện mặt trời - đơn giản mà nói, hồi vốn tiềm năng cho một dự án lắp đặt điện mặt trời phụ thuộc nhiều yếu tố: giá thành môđun điện mặt trời tính bằng bao nhiêu đôla mỗi mét vuông
hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện mặt trời của môđun là tỷ lệ phần trăm năng lượng mặt trời môđun chuyển hoá thành điện
địa điểm lắp đặt: giá bán điện cho thị trường
silic thô sẽ ảnh hưởng lớn đến bài toán kinh tế này nhờ chi phí của môđun điện mặt trời: 15-20% tổng giá thành của môđun điện mặt trời là từ chi phí vật liệu silic thô
cho nên ngành không thực sự quan tâm đến việc tìm ra cell điện mặt trời hiện năng nhất, mà chỉ muốn cân bằng nhất giữa hiệu năng và giá thành

Sản xuất
yếu tố kinh tế ấy là lý do tại sao ngành điện mặt trời hướng đến sử dụng silic cuối thập niên 1970 là mốc thời gian điện mặt trời có thể bay cao trên đôi cánh của ngành bán dẫn mới phát triển
những bước làm và xử lý đĩa wafer silic cho tấm panel điện mặt trời có lẽ quen thuộc với bài viết về đĩa wafer silic bán dẫn
ta bắt đầu với silic luyện kim [hạng kim loại] sử dụng để sản xuất thép hoặc gang
ta làm bằng cách đặt silica hoặc cát với than củi vào một lò hồ quang điện và nung nóng lên nhiệt độ 1900 độ C
silic hạng kim loại đạt tinh khiết 98% vẫn chứa những tạp chất [impurity] như sắt, nhôm...
để làm thành silic hạng điện mặt trời, phương pháp hàng đầu là Siement: tổng hợp trichloro silane từ silic hạng kim loại, sau đó chưng cất và tinh chế chất lỏng dễ nổ này trước khi đem phản ứng với hydro bên trong một lò phản ứng kết tủa hoá học bay hơi để tạo ra silic hạng điện mặt trời

Cách khác
phương pháp Siemens tiếp tục là chính thống: sản xuất silic tinh khiếm chiếm 90% thị phần - tuy nhiên hiệu suất đạt [yield] chỉ 30%
phương pháp sử dụng và tạo ra nhiều khí chlorine độc hại và cực kỳ tốn năng lượng [energy-intensive]
nhưng phương pháp hiệu quả kinh tế, chủ yếu vì sẵn có công suất lớn chứ không phải hiệu quả [efficient]: quá đơn giản và không có cải thiện lớn nào để làm nữa
các nhà nghiên cứu tìm cách khác: hàng đầu là lò phản ứng Fluidized Bed [phương pháp FBR - đệm tạo tầng sôi]
bắt đầu giống như phương pháp Siement biến silic hạng kim loại thành trichloro silane nhưng FBR chuyển tiếp thành một sản phẩm trung gian là silane - giống methane [khí methan] nhưng là silic
sau đó đặt một hỗn hợp silane và hydro vào một đệm tạo tầng sôi và nung nóng lên 850 độ C
những hạt giống silic nhỏ được thêm vào hỗn hợp
silane được phân rã lên những hạt giống, tạo những hột nhỏ [granule] silic tinh khiết sẽ rơi xuống đáy lò phản ứng và được thu thập
phương pháp mới hiệu quả năng lượng hơn Siement nhưng tăng quy mô công nghiệp có thể khó
ngoài ra, quản lý và giám sát điều kiện bên trong lò phản ứng có thể rất khó

Tinh thể
lúc này silic đa tinh thể [polysilicon] vẫn thành những cụm lớn [chunk] cần biến đổi thành một tinh thể và cắt ra những đĩa wafer trước khi làm thành những cell điện mặt trời và môđun cell [pin]
có thể làm thành 2 loại tinh thể: silic đơn tinh thể [single-crystal] và silic đa tinh thể [multi-crystal] mà người ta cũng gọi là silic đa tinh thể [polysilicon] - ở đây cần phân biệt với những cụm lớn [chunk] silic đa tinh thể [polysilicon]
silic đơn tinh thể thì tất cả nguyên tử gắn với 4 nguyen tử silic khác
ngành bán dẫn sử dụng silic đơn tinh thể: chủ yếu là phương pháp Czochralski và Float Zone để sản xuất - ngành điện mặt trời cũng dùng
những cell điện mặt trời đơn tinh thế thì hiệu quả hơn nhưng chi phí cao hơn vì tỷ lệ đạt [yield] thấp, thiết bị đắt và đợi lâu hơn - không lý tưởng cho ngành mang tính cạnh tranh như điện mặt trời

Silic đa tinh thể [multi-crystal]
vô tổ chức hơn đơn tinh thể, silic đã tinh thể tạo thành từ nhiều 'ngũ cốc' [grain] là những biến vị [dislocation] trong những mối liên kết nguyên tử [atomic bond] thành phẩm được gọi là "những rào cản ngũ cốc" [grain boundry]

silic đa tinh thể [multi-crystal] làm chủ yếu sử dụng phương pháp cô đặc có định hướng [directional solidification] đặt silic thô [feedstock] vào trong một nồi nấu kim loại phủ chống dính [coated crucible] lên nhiệt độ 1500 độ C để nóng chảy silic
sau đó ta từ từ cẩn thận loại bỏ nhiệt năng từ đáy của nồi nấu: có nhiều cách - một cách là sử dụng một máy nhấc [lift] để di dời chất lỏng đi qua một vùng 'nóng' và 'lạnh' để từ từ làm nguội nó

nếu làm đúng, những tinh thể silic nóng chảy vào một tinh thể hình vuông có thể nặng cả tấn

tinh thể làm bằng cách cô đặc định hướng thường có nhiều khuyết tật hơn đơn thể: biến vị vì nhiệt độ cao thường có những kết quả bất ngờ đến hiệu quả và tuổi thọ điện mặt trời của tấm panel thành phẩm
mặt khác silic đa tinh thể [multi-crystal] rẻ hơn nhiều và dần dần ngành đã xoay xở cắt giảm tỷ lệ khuyết tật, do đó cải thiện hiệu suất của panel trong sản xuất từ 8% năm 1980 đến 18% ngày nay
silic đa tinh thể [multi-crystal] chiếm 60-70% thị phần

Wafer
sau rốt ta tìm cách biến tinh thể thành thoi, làm wafer từ những thoi ấy và làm thành những pin [cell] điện mặt trời và môđun
tinh thể được cắt thành những thoi bằng lưỡi cưa bọc kim cương
những tảng silic đa tinh thể [multi-crystal silicon slab] phần ngoài bị nhiễm bẩn và phải cắt bỏ [chop-off]

để thái, ta lấy một dây thép và một chất sệt nhám [abrasive slurry - bùn sệt] làm từ nước glycol [glycol fluid] và một bột sạn [grit powder] silic carbide tiêu chuẩn thương mại

căn bản ta sẽ cạo những hạt bột lên tinh thể, sử dụng dây thép
máy hiện đại có thể sản xuất 2000-4000 wafer từ một thỏi mỗi lần chạy - mỗi wafer thường dày 200-30 micromet
mục tiêu là làm càng nhiều wafer càng tốt mà tốn ít nhất silic và bột sạn: họ mô hình hoá mọi thứ từ ma sát dây đến những đặc điểm chất sệt trên máy tính
có wafer, ta pha tạp [dope] để tạo thành những rào cản P-N trước khi đóng gói và đặt thành những tấm panel

Tăng trưởng
những năm đầu, ngành sử dụng sản phẩm phụ silic hơi lỗi hơn, từ các công ty wafer bán dẫn, căn bản là đồ bỏ đi của ngành bán dẫn
bấy giờ ok vì ngành điện mặt trời khá nhỏ so với bán dẫn
năm 2000 ngành điện mặt trời sử dụng 3000 tấn silic trong khi ngành bán dẫn sử dụng 17000 tấn
thập niên 2000 châu Âu thông qua chính sách mới ưu ái điện mặt trời và nhu cầu silic ngành điện mặt trời nhanh chóng vượt hơn ngành bán dẫn
bùng nổ buộc ngành thử nghiệm ý tưởng mới: thái những đĩa wafer mỏng đi và tái chế silic bỏ đi
nhưng, được tài trợ châu Âu, ngành silic đa tinh thể [polysilicon] tăng quy mô công suất nhanh quá và nổ bong bóng: gây tụt giá bán
năm 2016 ngành điện mặt trời tiêu thụ 326000 tấn silic hạng điện mặt trời cao gấp 11 lần con số thường niên ngành bán dẫn

Kết
mặc dù vậy, điện mặt trời vẫn chỉ cấp chưa đến 4% tiêu thụ điện toàn cầu
để tăng thị phần, công nghệ pin [cell] mặt trời cần rẻ và hiệu năng hơn: có thể khó vì ngành vật lộn với thiếu đầu tư kinh niên trong khi đang tiếp cận giới hạn của hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời cho silic điện mặt trời

hệ thống quang điện mặt trời

Địa lý của mặt trời
ta có công thức để tính thông lượng của một mảng quang điện được sắp xếp tuỳ ý: từ di chuyển hằng ngày và theo mùa của Trái Đất, về trục của Trái Đất, và về mặt trời
ta áp dụng 2 tập hợp những phép đo lường của vị trí mặt trời khi so tương đối với Trái Đất. Một tập hợp sẽ dùng hệ quy chiếu lấy Trái Đất làm vị trí cố định, với một trục hướng lên trời và một trục vuông góc theo chiều ngang

với lamda là vĩ độ

hệ toạ độ tham chiếu i, j có trục i chỉ lên và trục j hường về phía chân trời, theo hướng vị trí của mặt trời vào buổi trưa (khi mặt trời lên cao nhất) ở ảnh dưới

z là góc thiên đỉnh [zenith] và a_z là góc phương vị
véc tơ đơn vị s chỉ về hướng mặt trời sẽ được tính là

hệ toạ độ thứ hai sẽ được cố định sao cho một trục tiếp tục chỉ về ngôi sao phương bắc và một trục khác theo hướng vị trí của mặt trời vào buổi trưa, nằm trên mặt phẳng của đường xích đạo

hai biểu thức trên đều biểu diễn s cho nên ta thu được hệ phương trình đầu tiên biểu diễn quan hệ của i với I, j với J và k với K

nếu biết được ngày nào trong năm, độ nghiêng sẽ bằng

cho cả vĩ độ lamda tại đó hệ quy chiếu địa phương được cố định vào bề mặt Trái Đất, sau đó phương trình đầu tiên sẽ biểu diễn khoảng cách góc thiên đỉnh bị thay đổi từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn - khi omega, góc giờ, thay đổi theo thời gian trong ngày
độ dài của ngày sẽ được xác định bởi mối quan hệ này vì, lúc mặt trời mọc và mặt trời lặn, khoảng cách góc thiên đỉnh là 90 độ tức là mặt trời ở đường chân trời
đặt cos z = cos 90 độ = 0 thì ta có

Ngôi sao phương Bắc 25800 năm tuổi

Sao Bắc Cực (SBC) chỉ xếp thứ 48 trên bảng xếp hạng các sao sáng nhất nhưng là ngôi sao quan trọng vì nằm ở vị trí mà trục quay của trái đất trực tiếp trỏ tới: SBC sẽ không mọc hay lặn trong suốt đêm mà gần như luôn ở tại một điểm phía trên chân trời phương Bắc - sẽ thay đổi mỗi năm trong khi các ngôi sao khác quay xung quanh nó

(ảnh: Modern Survival Blog)
vì vậy, ta luôn có thể dễ dàng tìm thấy SBC ở ngay hướng Bắc tại bán cầu Bắc vào bất cứ giờ nào trong đêm và bất cứ thời gian nào trong năm. Và nếu bạn đang ở Bắc Cực thì ngôi sao phương Bắc sẽ ở ngay trên đầu bạn

Sao Bắc Cực luôn nằm ngay trên cực bắc của Trái Đất (ảnh: SlideShare)

Sao Bắc Cực nằm ở đâu?
Polaris thuộc về chòm sao Gấu Nhỏ [Ursa Minor] đôi khi còn được gọi là “Stella Poris”

thiên văn phương Tây gọi một mảng sao đáng chú ý trong chòm Gấu Nhỏ là 7 ngôi sao tạo thành hình cái muỗng hay muôi múc nước: Little Dipper (Cái muỗng Nhỏ), đối lập với Big Dipper (Cái muỗng Lớn) là mảng sao Bắc Đẩu trong chòm Gấu Lớn [Ursa Major] cũng nằm ở gần đó, sáng và dễ thấy hơn - Little Dipper ít được nhắc tới vì các ngôi sao của nó khá mờ, đến mức mà chỉ một chút ánh trăng hay ánh đèn đường cũng che khuất được 4 ngôi sao mờ nhất của Cái Muỗng Nhỏ

trên bầu trời, trùng hợp là 2 mảng sao Cái Muỗng Lớn và Nhỏ sẽ luôn nằm ở những vị trí đối nghịch nhau: khi mảng này thẳng đứng thì mảng kia lộn ngược. Phần cán của hai mảng này cũng trải rộng theo 2 hướng ngược nhau. Và cho tới nay, khi nói về chúng, người ta vẫn thấy chiếc xoong cán dài Cái Muỗng Lớn sáng rõ hơn cái muôi nhỏ Cái Muỗng Nhỏ. (ở các quốc gia khác nhau, mảng Bắc Đẩu của chòm Gấu Lớn có những tên gọi khác nhau: ở Hà Lan là cái xoong, ở Anh là cái cày...)

ngôi sao phương Bắc nằm ở phía cuối phần cán (tay cầm) của Cái Muỗng Lớn. Cách dễ nhất để tìm ra Polaris (hiện nay đang là Sao Bắc Cực) là căn cứ vào hai ngôi sao “con trỏ” nằm trên miệng cái xoong Cái Muỗng Lớn: Dubhe và Merak. Rất đơn giản, bạn chỉ cần vẽ 1 đường thẳng giữa hai điểm này, kéo dài 5 lần theo hướng từ đáy xoong đi lên là sẽ thấy được Polaris

Sao Bắc Cực nằm ở phía cuối phần cán của Cái Muỗng Nhỏ (bên trái thấp hơn). Các sao trong mảng Cái Muỗng Nhỏ mờ hơn nhiều so với Cái Muỗng Lớn (bên phải cao hơn) (ảnh: Greg Bacon/STScI)

tranh hệ tam sao Bắc Cực của một nghệ sĩ dựa trên các hình ảnh của viễn vọng kính Hubble có siêu sao Polaris A, sao lùn Polaris Ab đồng hành với sao lùn Polaris B ở xa

Sao Bắc Cực có đặc điểm gì?
Sao Bắc Cực hiện nay mang tên Polaris, là một sao biến quang [Cepheid] nghĩa là nó sẽ sáng và mờ theo chu kỳ nhất định. Theo từ điển của NASA, Cepheid là một công cụ hữu ích giúp các nhà thiên văn tính toán các khoảng cách vũ trụ từ trái đất tới các thiên hà và cụm sao. Chu kỳ của Cepheid tương quan với ánh sáng của các thiên thể mà nó phản chiếu và thiên thể càng ở xa thì ánh sáng của Cepheid càng mờ

nằm cách chúng ta 434 năm ánh sáng, Polaris có độ sáng gần gầp 4000 lần so với mặt trời và tỏa sáng ở cấp độ 2

theo thang đo cấp sao biểu kiến của các nhà thiên văn học, số càng nhỏ thì vật thể càng sáng. Cấp độ của các ngôi sao và hành tinh rực rỡ nhất trên bầu trời đêm là 0 hoặc thậm chí là số âm

là một sao biến quang Cepheid, biến thiên trong độ sáng của SBC rất nhỏ, chỉ khoảng 1/10 của 1 cấp trong vòng dưới 4 ngày (nghĩa là mỗi 4 ngày bạn sẽ thấy SBC sáng hơn hoặc mờ hơn một chút)

khi dùng kính viễn vọng nhỏ để ngắm SBC, có thể bạn sẽ để ý đến một sao đồng hành tí hon (được gọi là Polaris Ab) tỏa sáng ở cấp 9 với sắc độ hơi xanh và xám. Polaris Ab là người bạn đồng hành được nhà thiên văn vĩ đại người Anh, Sir William Herschel nhìn thấy lần đầu tiên năm 1780, chỉ một năm sau khi ông tìm ra Thiên vương tinh)

theo các nhà thiên văn, hai sao A và Ab cách nhau khoảng 2.400 đơn vị thiên văn (a.u). Như vậy, thời gian để hai sao này quay quanh nhau lên tới nhiều ngàn năm. (1 a.u = khoảng cách trung bình từ mặt trời tới trái đất)

trong hệ sao Bắc Cực còn một ngôi sao nữa là Polaris B mãi đến năm 1929 mới được phát hiện nhờ nghiên cứu quang phổ của Polaris. Polaris B là một sao lùn trắng chỉ cách Polaris Ab 18,5 a.u (cỡ quãng đường từ Thiên vương tinh đến mặt trời). Vì nằm quá gần ngôi sao Polaris Ab sáng hơn nó nhiều lần nên trong thời gian rất dài người ta đã không biết đến Polaris B

Sao Bắc Cực gần đây có gì lạ?
trong vài thập kỷ qua, sao Bắc Cực ngày càng sáng hơn trước đây. Dù nhìn bằng mắt thường, chúng ta vẫn thấy sao Bắc Cực khá mờ nhưng theo ước tính của một nhóm khoa học gia vào năm 2014, sao Bắc Cực hiện nay sáng gấp 4,6 lần so với chính nó trong thời cổ đại. Nguyên nhân cho hiện tượng này vẫn là một dấu hỏi

năm 2008, nhân dịp kỷ niệm 50 năm thành lập, NASA đã phát bài "Across the Universe" của ban nhạc The Beatles tới ngôi sao phương Bắc từ một trạm phát sóng ở châu Âu. Đó cũng là dịp kỷ niệm của nhiều sự kiện không gian quan trọng với nước Mỹ và thế giới như 50 năm ngày phóng vệ tinh đầu tiên của Mỹ Explorer 1, hay 45 năm thành lập Mạng lưới Không gian Sâu (nơi nhận tín hiệu từ các tàu không gian không người lái như Voyager) hay kỷ niệm sinh nhật "Across the Universe" tròn 40 tuổi kể từ lần thu âm đầu tiên

trạm phát sóng DSS-63 ở nông thôn Tây Ban Nha, một phần trong Deep Space Network của NASA được dùng để phát bài "Across the Universe" tới sao Bắc Cực (ảnh: NASA)

Mãi mãi chỉ có một ngôi sao phương Bắc?
Sao Bắc Cực không phải là một hằng số như câu nói nổi tiếng của Shakespeare dẫn lại lời hoàng đế La Mã Julius Caesar: “Tôi ở xa như ngôi sao phương bắc”

quả vậy, tại mỗi thời điểm trái đất chỉ có một ngôi sao ở trên cực Bắc nhưng nhiều thế kỷ qua đi, vị trí của cực Bắc sẽ thay đổi nên sẽ có nhiều sao được gọi là sao Bắc Cực trong lịch sử

theo Space.com, giống như lực hấp dẫn của trái đất khiến con quay dao động, sự quay của trái đất tùy thuộc vào một lực mô-men xoắn do tổng lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời gây ra. Do đó, trục của trái đất cũng dao động chậm theo hình tròn trên bầu trời và hướng của trục này trong không gian cũng thay đổi từ từ. Hiện tượng này được gọi là tiến động, tuế sai hay precession trong tiếng Anh. Và thế là vị trí của thiên cực Bắc cũng sẽ dịch chuyển từ từ qua hàng thế kỷ

mô hình hiện tượng tiến động/tuế sai hay precession của trục con quay và trục trái đất (ảnh: brighthub)
Sao Bắc Cực hiện nay sẽ tiếp tục gần cực Bắc hơn và đạt vị trí gần nhất vào ngày 24/3/2100 với 27,15 phút cung hoặc nhỏ hơn một chút so với đường kính mặt trăng.
Chu kỳ hoàn thành một dao động của trục trái đất là 25.800 năm và các ngôi sao khác nhau sẽ lần lượt trở thành sao Bắc Cực vào những thời điểm khác nhau

các sao Bắc Cực trong lịch sử (ảnh: ScienceBlogs)
Trong quá khứ, sao Bắc Cực của năm 2600 trước công nguyên, thời kỳ xây dựng kim tự tháp ở Ai Cập cổ đại là sao Thuban trong chòm sao Draco. Đến năm 400 trước công nguyên, thời của nhà triết học Pluto, ngôi sao bảo vệ sáng nhất Kochab trở thành sao Bắc Cực

trong tương lai, gần 12000 năm nữa, con cháu của chúng ta sẽ gọi Vega, một trong những ngôi sao sáng nhất bầu trời là sao Bắc Cực vào năm 14000

Mỹ, bang Colorado thử bom hạt nhân để khai thác dầu đá phiến

ngày 10 tháng 9 năm 1969 cách 10.5 km về phía nam Rulison, Colorado đã có một quả bom hạt nhân 40 kilo tấn phát nổ sâu dưới lòng đất của bình nguyên Piceance

bia tưởng niệm dự án Rulison ngày 10 tháng 9 năm 1969 đặt ngoài thị trấn Parachute bang Colorado
thiết bị nổ, mạnh gấp 2 lần bom ném xuống Hiroshima, có sức công phá tương đương 4 vạn tấn TNT, là thử nghiệm sáng tạo để khai thác khí đốt , hứa hẹn sẽ tạo việc làm và phát triển kinh tế cho nhiều thị trấn ngoại ô

Judy Beasley sống ở Parachute kể lại: "cảm giác rung chuyển rất chậm, như một dòng chảy năng lượng [dưới đất]"

năm 1970 Lee Hayward, vài cây số gần vụ nổ hơn, đã trả lời tạp chí Look: "cảm giác như đoàn tàu phóng qua hẻm núi" - gia đình Hayward sở hữu đất ở nơi diễn ra thử nghiệm - "vách đá bắt đầu có đá lăn xuống. Như một bộ phim vậy" Hayward nói

năm 1969 Parachute được gọi là thung lũng Grand: bấy giờ vui như trẩy hội, các doanh nghiệp lớn nhỏ đã đến bày bán quà lưu niệm - mặc dù có vài chục nhà hoạt động đến biểu tình phản đối, hầu hết cư dân như Beasley (ảnh dưới chụp ngày 27 tháng 8 năm 2019) di tản ra ngoài từ 3 giờ chiều vì sợ mảnh vỡ sẽ phá các toà nhà. Người ta dựng rào chắn đường: chật ních phóng viên, công chức, nhà khoa học, dân biểu và quan sát viên quốc tế đã đến chứng kiến ở nơi mà hiện nay là xa lộ liên tiểu bang 70

Beasley nhớ lại: "chúng tôi quá hiếu kỳ.Thực may mắn là đã không ai bị thương".
sau vụ nổ, một số ống khói đã bị văng gạch, trong đó có nhà của Beasley, trong bếp đã rơi vài lọ dưa muối

nhiều cặp vợ chồng sống cách đó 8 km đã chạy đến xem. Vợ của William Rankin trả lời báo Associated rằng họ đã định bế chó lên ôtô [station wagon] và đi "cắm trại dưới đồng ngô"

Thoạt nhìn thì đây không phải công dụng của bom nguyên tử
ngày nay phổ biến trụ máy khoan và dầm đỡ giếng: hạt Garfield và Mesa, cùng với quận Weld dãy núi Front, đã thành công xưởng năng lượng nhờ tiến bộ trong khoan định hướng ngang và thuỷ lực cắt phá - một công đoạn sẽ buộc nước, cát và chất hoá học xuống dưới lòng đất để khai thác nhiên liệu hoá thạch bên dưới.
thập niên 1950 thì ý tưởng là dùng bom

ngày 14 tháng 8 năm 1969 thiết bị nổ hạt nhân 40 kilo tấn của dự án Rulison được đưa xuống hố sâu 2500 mét
dự án Rulison thuộc chương trình Plowshare của chính phủ: là nỗ lực tập trung vào ứng dụng hoà bình và thương mại của nổ hạt nhân sau thế chiến 2

Robert H.Campbell (bên phải) và nghị sĩ Craig Hosmer bang California viếng thăm miệng giếng ở công trường dự án Rulison
Scott Kaufman nói: "họ coi Rulison là lựa chọn để làm dầu đá phiến sẽ rẻ hơn, hiệu quả hơn và do đó các công ty cộng tác vào nỗ lực ấy sẽ kiếm được nhiều tiền hơn"

tiến sĩ Robert H.Campbell (bên trái) là giám đốc thực hiện dự án Rulison
công ty dầu khí Austral trụ sở Houston bang Texas và tập đoàn CER Geonuclear đã đầu tư 90% trong khi uỷ ban năng lượng nguyên tử liên bang, nay đã là bộ năng lượng Hoa Kỳ, đầu tư nốt phần chi phí còn lại

sách xuất bản năm 2013
trong kho lưu trữ ở Rifle Branch của thư viện hạt Garfield, ta có thể tìm thấy một tờ quảng cáo cảm ơn cộng đồng: trong đó, giám đốc và chủ tịch của Austral căn bản đã hào hứng về triển vọng

"chúng tôi tự hào là thành viên thường trực của cộng đồng này, và trong nhiều năm tháng sắp tới, chúng tôi sẽ nỗ lực hết sức để làm láng giềng tốt và xứng đáng với ủng hộ hào phóng của các bạn. Chúng tôi tự tin - rằng một khi chương trình tiến triển - chúng tôi sẽ sản xuất được khí đốt từ mỏ Rulison bằng cách kích thích [stimulate] hạt nhân, thật an toàn và tiết kiệm, để đưa lợi ích đến cho cộng đồng, bang và quốc gia"

Rulison không phải nỗ lực đầu tiên sử dụng sức mạnh hạt nhân để khai thác dầu khí. Dự án Plowshare đã thử ý tưởng ở New Mexico. Dự án Gasbuggy sử dụng bom nhiệt hạch 26 kilo tấn chôn sâu 1280 mét nhưng kết quả quá nhiều ô nhiễm phóng xạ. Các nhà khoa học làm Rulison đã hi vọng rằng sử dụng phân hạch hạt nhân sẽ sản sinh ít đồng vị triti phóng xạ hơn so với hợp hạch. Vụ nổ ngày 10 tháng 9 đã không thải bức xạ vào không khí và kết quả ban đầu cho thấy thành công

thử nghiệm tiếp theo sẽ vào ngày 17 tháng 5 năm 1973 là ba quả bom to hơn ở hạt Rio Blanco cách Rifle 56 km về phía tây bắc

Cư dân ngày nay
ngày nay vụ thử Rulison hầu như đã bị lãng quên: một bia tưởng niệm đặt ngửa đằng sau một hàng rào có cắm biển "Cấm vào" - giống như năm 1969, bề mặt bình địa [surface ground zero] thuộc sở hữu tư nhân

Coreen Hamilton sở hữu 26 mẫu Anh đất nơi có địa chấn vụ nổ đã lan bên dưới: chủ cũ đã xây dựng một nhà gỗ nhỏ, nơi Hamilton đang sống sau khi mua lại hè năm ngoái.
Hamilton nói: "vẫn còn trang thiết bị sót lại. Kia là dây cáp." bà chỉ vào dây nguồn điện màu đen thò ra trên đống bụi - "có một dàn đỡ" bà chỉ vào một tấm bê tông, nơi từng để máy phát điện

Hamilton chọn mua mảnh đất vì phong cảnh: những lùm cây dương lá rung và bụi cây sồi chìa ra giữa những vách đá sa thạch thẳng đứng - gà tây và nai sừng tấm thường đi ngang qua đến rạch Battlement gần đó uống nước

cửa trước nhà Hamilton chỉ cách hàng rào nổ Rulison có 82 mét - Hamilton nói: "chuyên gia bất động sản đã tư vấn 'tôi biết bà thích ngôi nhà và cảnh vật. Nhưng bà cần cân nhắc',"

mẫu xét nghiệm nước mới nhất được bộ năng lượng lấy kiểm tra đã không cho thấy phóng xạ. Chính quyền nói rằng phóng xạ chưa bao giờ bị phát hiện trong mẫu đất gần dự án Rulison, trước hay sau vụ nổ.
Hamilton nhớ lại: "ở vùng Denver của khu bảo tồn Rocky Mountain Arsenal người ta còn xây nhà. Hiện nay ở đó họ vẫn tìm thấy phóng xạ ở vài nơi. Cho nên chỗ này vẫn tốt chán"

nhưng tại sao lại phân hạch nguyên tử dưới lòng đất nơi đây?
Judith Hayward nói: "hồi ấy là năm 1969 suy thoái kinh tế khu vực". Lee chồng bà, nay đã mất, kể rằng cha ông Claude Hayward được công ty dầu khí Austral hứa trả một khoản trợ cấp hằng tháng sau khi khí đốt bắt đầu được khai thác - nhưng tiền đã không đến

"nhiều năm, chúng tôi được kể rằng dầu đá phiến ở nơi đây sẽ khôi phục kinh tế trong vùng... nhưng đã không xảy ra" - Claude trả lời báo Houston Chronicle tháng 9 năm 1969 - "chúng tôi gặp khó khăn. Thanh niên đi xa đến thành phố. Người già ở lại hi vọng"

Bom đã không bùng nổ kinh tế
kinh tế vẫn khó khăn ở Parachute: dân số đã hơn 1000 trong hơn một thập kỷ - ngành dầu khí không hiện hữu, mà chỉ có 5 phòng phát thuốc cần sa

Judy Beasley cùng chồng đã phục vụ 32 năm trong nhiều văn phòng thành phố ở thị trấn Parachute, có cả văn phòng thị trưởng, nói: "người ta bực dọc với dầu đá phiến. Rulison là dự án khai thác fracking lớn".
từ năm 1969 thị trấn đã có cả bùng nổ và suy thoái: năm 1982 ExxonMobil rút khỏi dự án dầu đá phiến 5 tỷ đôla trong vùng - hơn 2000 việc làm đã biến mất

từ năm 1970 đến 1971 công ty dầu khí Austral sử dụng một giếng re-entry để thử nghiệm và đốt khí thiên nhiên: mẫu thử bị phát hiện là ô nhiễm phóng xạ nhỏ nên đã bị ngừng - công ty dừng vì thị trường từ chối giếng Rulison, nhưng một mỏ khí đốt lớn hơn vẫn còn dưới lòng đất và việc phát triển thông thường đã tiếp tục

mặt cắt của hố trũng nổ Rulison: văn phòng quản lý di sản của bộ năng lượng Hoa Kỳ xuất bản tháng 11 năm 2018
dữ liệu của uỷ ban dự trữ dầu khí Colorado [COGCC] đã cho thấy một số giếng đang khai thác ở gần đấy. Coreen Hamilton (ảnh dưới bên trái) đã thấy nhiều xe tải qua những đường trên núi cao khi bà viếng thăm những mỏ phía nam nhà mình

ngoài 47 năm đều đặn thử mẫu nước, Jalena Dayvault của phòng quản lý di sản, quản lý công trường dự án Rulison, nói một số giếng khí đốt cũng được kiểm tra mẫu trong vòng bán kính 1.6 km quanh hiện trường vụ nổ

Dayvault nói: "tần số thử mẫu là dựa theo sản lượng khai thác của giếng. Cho nên chúng tôi có thể, ban đầu kiểm tra hằng tháng, và sau bớt xuống hằng quý. Đều phụ thuộc vào sản lượng khí đốt của giếng"

chức sắc bang có chế độ thẩm nghiệm riêng cho những hoạt động khí đốt: giếng đề xuất trong vòng bán kính 800 mét khu vực số 0 sẽ phải họp đặc biệt với COGCC để đánh giá dự án; xa hơn sẽ chỉ yêu cầu kiểm tra mẫu đất - năm 2017 một số quy định đã nới lỏng sau hàng thập kỷ thẩm nghiệm cho thấy kết quả âm tính

Ben Tipton và vợ Sharon phản đối thăm dò nhiên liệu gần khu dân cư cộng đồng nghỉ hưu Battement Mesa, nói: "họ nên đặt trạm giám sát thường xuyên ở ngoài đó".
tập đoàn Ursa Resources đã hoàn thiện giai đoạn 1 của dự án ở Battement Mesa và đã đề xuất những công đoạn sau cho dự án vùng lâu dài hơn, nhưng chưa thực hiện

Tipton nói: "chính phủ liên bang đã gây chuyện. Họ không nên thoái thác trách nhiệm" - năm 2020 bộ năng lượng Hoa Kỳ đã làm ngược lại và sẽ "cắt giảm lớn" tần số kiểm tra mẫu nước gần Rulison.
Dayvault nói: "chúng tôi vẫn có thể thu thập một số mẫu cho các chủ nhà hoặc ai đó sẽ cần"

Judith Hayward chia sẻ những lo ngại dầu khí mà hàng xóm láng giềng đã nói với bà. Từ đầu thập niên 2000 Judith đã góp ý khi liên minh cư dân thung lũng Grand đâm đơn kiện các nhà làm luật bang lên toà án tối cao Colorado về kế hoạch phát triển dầu khí gần dự án Rulison.
sống suốt hai thập kỷ với chồng Lee ở đất dự án, Hayward nói: "tôi không tin là có bức xạ" nhưng bà vẫn không có ý cho thuê quyền khai khoáng mình đồng sở hữu với các thành viên gia đình, bên dưới bề mặt khu vực số 0, cho phát triển dầu khí

"dự án nên dẹp đi vì những gì họ đã làm phía dưới lòng đất" Hayward nói.
chính phủ liên bang đã có lệnh hạn chế: trên 40 mẫu Anh xung quanh vụ nổ, các công ty bị cấm đào sâu hơn 1800 mét - hốc bom ở dưới một hầm sâu 2568 mét, theo thông tin in trên bia tưởng niệm khắc năm 1976.
Coreen Hamilton nói: "vỏ chai, lon bia, giấy gói... họ vứt bừa bãi" - về khách thăm quan lẻn vào đất của bà chụp ảnh bia tưởng niệm dự án Rulison, bia tưởng niệm quá nhỏ nên khách phải trèo rào vào mới thấy rõ, cho nên Coreen muốn bộ năng lượng Hoa Kỳ làm tấm biển to hơn để người ta có thể đọc từ ngoài rào chắn

rất nhiều khách thăm quan, một số đến nhà Coreen hỏi về bia tưởng niệm. Một hôm có cháu nội/ngoại của một nhà khoa học Rulison đến xem nơi ông/bà từng làm việc cách đây nửa thế kỷ.
Hamilton nói: "Họ nói gì tôi cũng mặc kệ. Tôi chỉ ngồi nghe".
năm 1974 Colorado sửa đổi hiến pháp: yêu cầu chấp thuận của cử tri trước khi kích nổ thiết bị hạt nhân - cho nên Colorado là tiểu bang duy nhất nơi người dân giữ quyền cho phép cả sắc thuế mới lẫn bom hạt nhân