De-risking e gallio, i rischi per la difesa e la sicurezza nazionale

Due metalli per semiconduttori, con un consumo globale complessivo stimato dall’industria di circa 800 tonnellate all’anno e con un crescente peso nelle tecnologie militari, digitali e green, sono entrati di prepotenza nella ‘guerra’ commerciale e tecnologica tra Stati Uniti e Cina, mentre l’industria già si prepara per affrontare le potenziali implicazioni dei nuovi controlli sulle esportazioni imposti da Pechino.

A circa una settimana dall’entrata in vigore delle misure imposte dal ministero del Commercio cinese citando interessi di sicurezza nazionale, come si leggeva nella nota pubblicata circa un mese fa, è ancora poco chiaro quali saranno le reali conseguenze sui mercati globali. O cosa sia necessario per ottenere la licenza o comportare un divieto, secondo quanto annunciato dal Ministero. Tuttavia, i produttori cinesi dovranno fornire informazioni dettagliate sui clienti, per verificare quale ne sia l’utilizzo finale, se civile o militare. La Cina potrebbe quindi essere principalmente interessata a controllare i Paesi a cui vengono fornite queste materie prime.

La tempistica dell’annuncio, appena prima della visita in Cina del Segretario al Tesoro statunitense Janet Yellen e un giorno dopo l’annuncio di nuove limitazioni alle esportazioni di apparecchiature avanzate per la produzione di chip, ha portato alcuni operatori di mercato a concludere che la mossa della Cina fosse più simbolica che guidata da motivi pratici. In realtà, la legislazione che introduce restrizioni per le esportazioni di materiali o tecnologie ritenute strategiche o ‘sensibili’ è in vigore da tempo, introdotta nell’ottobre 2020, ma la natura e l’entrata in vigore della misura hanno creato un’enorme incertezza. Più evidente è il controllo della Cina di questo materiale critico, che rischia di creare una vulnerabilità per le supply chain di un numero considerevole di applicazioni e tecnologie.

UN MATERIALE RIVOLUZIONARIO…

Il gallio, così come il germanio, hanno una lunga storia che inizia nell’industria dei semiconduttori. Il primo chip per computer al mondo è stato realizzato nel 1958 con il germanio, anche se è stato rapidamente soppiantato dal silicio, molto più economico e abbondante. Più recentemente, il gallio è stato il primo metallo ad essere adottato su larga scala, sotto forma di arseniuro di gallio (GaAs) e nitruro di gallio (GaN), in una nuova classe di materiali in rapida evoluzione chiamata compaund semiconductors. Ad oggi, il silicio rimane il principale materiale per fabbricare i microchip, con la produzione di wafer al silicio concentrata in Giappone. Ma la scienza dei materiali ha fatto passi da gigante. Oggi il gallio è cruciale per una serie di applicazioni high-tech, dai cavi in fibra ottica alle stazioni per le telecomunicazioni 5G, dalle rilevatori termini ai laser, dai LED ai pannelli solari per satelliti e al controllo dei sistemi di power management per batterie e motori dei veicoli elettrici (EV).

Questa nuova generazione di materiali offre intervalli energetici (band gap nel lessico dell’ingegneria elettronica) più ampi rispetto al silicio per reggere la potenza e le frequenze necessarie nelle applicazioni di amplificazione. Il GaN è anche più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al silicio, potendo gestire più tensioni in un’area più piccola. Il gallio, un metallo morbido e bluastro, non compare diffusamente a livello geologico, in quanto viene recuperato come sottoprodotto dell’alluminio dalla lavorazione bauxite, ad un livello di concentrazione molto basso (circa 50 parti per milione). Vi sono alcuni giacimenti di zinco che contengono importanti concentrazioni di gallio, che potrebbero offrire una valida alternativa per diversificare l’attuale fornitura del metallo.

Un recente brief report del Center for Strategic and International Studies (CSIS), think tank di Washington, ricostruisce alcuni importanti dettagli nella storia scientifica e industriale intorno al gallio. Le straordinarie proprietà chimico-fisiche siano state scoperte negli Stati Uniti e con il tempo perfezionate nelle applicazioni end-use dal Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) sin dalla fine degli anni 70’. Lo sviluppo dell’arsenuro di gallio è stato al centro della leadership americana nello sviluppo del sistema GPS, dei missili teleguidati e dei radar più avanzati. Anche il nitruro di gallio è stato lanciato, attraverso la ricerca applicata del DARPA, per lo sviluppo di radar ancora più sofisticati. Nel 2019, Raytheon si è assicurata un contratto dal Pentagono da oltre 380 milioni di dollari per lo sviluppo di chip al nitruro di gallio per i missili Patriot dello US Army. Nel 2022 è seguito un contratto da 3,2 miliardi di dollari per equipaggiare fino a 31 navi con radar AN/SPY-6 alimentati a GaN, tra cui i nuovi cacciatorpediniere Arleigh Burke classe Flight III, le portaerei e le navi anfibie della Marina.

Come anticipato, come per il 5G e gli EV, l’importanza del gallio è destinata a crescere. Quasi l’80% del gallio consumato nel mondo è sotto forma di wafer di GaN, GaAs e fosfuro di gallio (GaP), utilizzati principalmente nei semiconduttori e nelle apparecchiature di telecomunicazione. Mentre i continui progressi nella produzione di chip spingono i limiti della legge di Moore, gli esperti del settore considerano i composti di gallio una alternativa per spingere ancora oltre l’avanzamento dell’elettronica miniaturizzata. Questi trend di mercato e tecnologici dovrebbero portare a una crescita annua del 25% del mercato globale dei chip GaN fino al 2030 e si stima, come riporta il CSIS, che le applicazioni per la difesa rappresenteranno circa la metà di questo aumento. Negli USA attualmente vi sono importanti produttori come Wolfspeed e ONsemi, mentre in Europa la tedesca Infineon e l’olandese NXP già sviluppano e producono chip al nitruro di gallio. Seppur queste aziende guardino al mercato civile (automotive e telecomunicazioni), il crescente peso del nitruro di gallio per le tecnologie militari rende la supply chain particolarmente esposta, a sottolineare il valore strategico del gallio per la modernizzazione militare degli Stati Uniti e degli alleati vis-a-vis con Pechino.

CONTROLLATO DALLA CINA…

Secondo i dati dello US Geological Survey, che classifica il gallio come critico sin dal 2018, al 2022 la Cina produceva il 98% del gallio allo stato puro, principalmente come sottoprodotto dell’alluminio. La storia della presa di Pechino su questo materiale strategico segue, infatti, la progressiva delocalizzazione dell’industria siderurgia ed estrattiva che ha consegnato, in un pattern simile, nelle mani di Pechino anche l’estrazione e raffinazione delle terre rare fino alla produzione di magneti permanenti al neodimio (altro punto critico per la base industriale della difesa americana). Grazie a ingenti sussidi governativi e incentivi fiscali, la Cina ha decuplicato la produzione di alluminio (da 4,2 a 40,2 milioni di tonnellate) tra il 2000 e il 2022. Oggi le industrie cinesi, tra cui Chinalco (azienda a controllo statale) forniscono circa il 59% dell’alluminio mondiale.

Table 1 | Analisi del rischio di approvvigionamento delle materie prime. Fonte: CSIS su studio elaborato dallo US Geological Survey.

Avendo conquistato il settore dell’alluminio, la Cina ha così potuto gettare la base per assorbire la produzione globale di gallio. Come? Attraverso l’implementazione, da parte del governo centrale, di una rigorosa politica industriale. I risultati sono evidenti: dal 2005 al 2015 la produzione cinese di gallio è esplosa da 22 tonnellate metriche a 444 tonnellate metriche. La rapida ascesa della Cina nel settore ha creato un eccesso di offerta nel mercato globale, innescando gravi fluttuazioni nei prezzi del gallio per gran parte degli anni 10’ del XXI secolo. Di conseguenza, i principali fornitori nel Regno Unito, Germania, Ungheria e Kazakistan sono stati costretti a chiudere la produzione.

La dimensione relativa di questo mercato non deve ingannare: secondo una stima dello USGS, un’interruzione del 30% delle forniture di gallio potrebbe causare un calo di 602 miliardi di dollari nella produzione economica degli Stati Uniti, pari al 2,1% del prodotto interno lordo. Un leverage economico notevolissimo, senza contare le ricadute sulla sicurezza nazionale qualora si verificassero interruzioni delle forniture per l’industria della difesa. Tra il 2018 e il 2021, gli USA hanno importato gallio metallico per un valore medio di 5 milioni di dollari e wafer all’arsenuro di gallio per 220 milioni di dollari. Cifre che giustificano la convenienza economica delle importazioni, ma non il loro valore strategico: il 53% proveniva dalla Cina, seguita da Giappone (16%), Germania (13%), Ucraina (5%) e altri paesi (16%) secondo i dati della US Critical Mineral Association.

Ma come accaduto per altri minerali e metalli critici, nel giro di un decennio la dipendenza è passata a stadi a maggior valor aggiunto dal momento che il governo cinese ha deciso di investire nel settore, e in piccole-medie imprese innovative, per abilitare il suo sviluppo tecnologico.  Per raggiungere questo obiettivo, Pechino sta sostenendo attivamente le aziende cinesi nel superare gli Stati Uniti e i loro alleati per diventare leader mondiale nella produzione di semiconduttori a base di gallio. Il 14° Piano quinquennale, il principale programma economico nazionale cinese pubblicato nel 2021, identifica i semiconduttori ad ampio bandgap – in particolare il GaN un altro composto, il carburo di silicio – come un’area chiave.

L’obiettivo: saltare, a piè pari, il vantaggio tecnologico occidentale basato sulla manifattura di chip basati sul silicio, facendo leva sulle nuove applicazioni (strategiche) del gallio. Un mercato relativamente recente, ma destinato come evidenziato pocanzi a maturare molto velocemente, come per gli EV. Chi riuscirà a costruire vantaggi competitivi, se ne aggiudicherà una buona fetta. L’industria dei veicoli elettrici ha bisogno di gallio metallico da aggiungere ai magneti di terre rare al neodimio ad alte prestazioni nei motori. La domanda è in crescita e, secondo le stime dell’industria, si aggira attualmente intorno alle 130 tonnellate annue. La Cina ne ricava la maggior parte per la sua industria dei magneti, mentre il Giappone ne consuma circa 30 t/a.

“Man mano che l’industria dei semiconduttori passa dal silicio al gallio, la Cina si sta preparando a ad assumere la posizione di leader”, le parole di Hao Xiaopeng dello State Key Laboratory of Crystal Materials.

E LE POSSIBILI CONTROMISURE…

Come riporta il CSIS, lo sforzo della Cina di controllare il mercato è stato multidimensionale, compresi spionaggio e acquisizioni strategiche. Proprio per la criticità del gallio, le autorità statunitensi sono intervenute più volte per tutelare aziende americane ed europee: nel 2010 una giuria federale del Massachusetts aveva condannato due cittadini cinesi per aver esportato illegalmente componenti elettronici vietati per l’esportazione e contenenti tecnologia GaAs a enti militari in Cina. Nel 2015 il Comitato per gli investimenti esteri negli Stati Uniti (CFIUS) ha bloccato un’offerta di 2,9 miliardi di dollari da parte di investitori cinesi per la filiale di componenti LED di Philips. Il CFIUS ha citato, a motivazione del suo giudizio negativo, che la Cina ricercasse tecnologia GaN dell’azienda per scopi militari. Sempre il CFIUS ha interdetto un’offerta di 713 milioni di dollari da parte di un’azienda cinese per la filiale statunitense del produttore tedesco di chip GaN Axitron, citando le minacce alla sicurezza nazionale degli Stati Uniti. Nel 2018 il Dipartimento di Giustizia degli Stati Uniti ha incriminato due persone per aver sottratto tecnologie riservate a Wolfspeed (e uno dei principali fornitori dell’esercito americano) e destinate a due dei principali centri di sviluppo radar dell’Esercito di Liberazione della Cina (PLA).

Il governo statunitense ha imposto tariffe sulle importazioni di gallio cinese e di molti altri metalli e composti all’inizio della guerra commerciale e tecnologica tra Stati Uniti e Cina nel 2018. Anche i prodotti chimici e gli ossidi di germanio erano soggetti alle tariffe, inizialmente imposte al 10% e successivamente sono salite al 25%. Sebbene l’obiettivo fosse quello di “creare condizioni di parità”, gli industriali si sono lamentati del fatto che le tariffe hanno aumentato gli oneri per i produttori statunitensi, ma non hanno incrementato l’offerta di metalli e materiali critici.

Come per altri materiali critici, come lito e grafite su cui gli USA, tramite gli incentivi federali dell’Inflation Reduction Act (IRA) cercano di aumentare la produzione domestica, non esistono soluzioni rapide e indolori per diversificare l’offerta e attuare una strategia di de-risking dalla Cina. Il gallio, così come il germanio, viene attivamente riciclato negli Stati Uniti e in Europa. Tra i fornitori figurano l’azienda canadese Neo Performance Materials, la statunitense Indium e la belga Umicore. Pochi giorni dopo l’annuncio delle autorità cinesi sui futuri export controls, i vertici della Commissione europea hanno contattato Mytilineos Energy & Metals, un produttore greco di alluminio, per valutare la possibilità di produrre gallio come sottoprodotto della sua raffineria che trasforma la bauxite in alluminio. L’Europa importa circa il 70% del suo fabbisogno interno dalla Cina.

Tra le soluzioni elecante dal CSIS, vi sono il ricorso al Defense Production Act (DPA) già invocato dall’amministrazione Trump e i seguito da quella Biden per incentivare la produzione di materiali strategici, la collaborazione con i partner oltreoceano come l’Australia, che possiede significative riserve di bauxite, incentivare il riciclo, lo stoccaggio e una maggiore trasparenza nei flussi e nei dati di mercato, lungo tutta la catena del valore. Sforzi necessari, ma che rimarranno complessi per la natura ristretta del mercato, vista da molti operatori come una barriera all’ingresso di fronte allo strapotere cinese.