Nhiều quốc gia sẽ giảm phụ thuộc vào đất hiếm Trung Quốc?

Bảy mươi năm trước, Mỹ là nhà sản xuất nam châm đất hiếm hàng đầu thế giới. Nhưng đến đầu thế kỷ 21, những công ty này đã bị bán đi, củng cố quyền thống trị của Bắc Kinh đối với thị trường quan trọng này.

Năm 2010, thế giới đã được nhắc nhở một cách rõ rệt về thực tế Trung Quốc kiểm soát đất hiếm và sản xuất nam châm vĩnh cửu, khi căng thẳng với Nhật Bản khiến Bắc Kinh tạm thời cấm xuất khẩu đất hiếm sang nước này.

Động thái đó gây ra làn sóng lo ngại trong toàn chuỗi cung ứng khi giá nam châm tăng vọt, buộc nhiều quốc gia phải xem xét lại mức độ phụ thuộc vào khoáng sản Trung Quốc trong các lĩnh vực then chốt.

Theo báo cáo của Bộ Năng lượng Mỹ, năm 2020, Mỹ chiếm 16% sản lượng khai thác đất hiếm toàn cầu, trong khi Trung Quốc chiếm 60%.

Đất hiếm được ưa chuộng vì hiệu suất cao, nhưng các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang tìm cách phát triển nam châm không dùng đất hiếm nhằm giảm sự phụ thuộc vào nam châm vĩnh cửu của Trung Quốc.

Roderick Eggert, giáo sư nghiên cứu tại Trường Mỏ Colorado và Phó giám đốc Trung tâm Đổi mới Vật liệu Chiến lược thuộc Bộ Năng lượng Mỹ cho biết: “Điều sống còn đối với Mỹ là phải giảm sự phụ thuộc vào Trung Quốc về nam châm đất hiếm. Một hướng đi là phát triển nam châm không dùng đất hiếm dựa trên vật liệu sẵn có ngoài Trung Quốc".

Trên thực tế, so với các loại nam châm không dùng đất hiếm, nam châm vĩnh cửu có khả năng tạo ra từ trường ổn định mà không cần nguồn điện bên ngoài, được ứng dụng rộng rãi từ các thiết bị hàng ngày như điện thoại, bếp từ, động cơ điện và các thiết bị y tế quan trọng như máy MRI.

Nam châm vĩnh cửu được chia thành hai nhóm chính: loại chế tạo từ đất hiếm và loại chế tạo từ hợp kim khác như sắt, cobalt, nickel. Đáng chú ý Trung Quốc không chỉ là nhà sản xuất đất hiếm lớn nhất thế giới, mà còn thống trị thị trường toàn cầu sau khi nguyên liệu được chế biến và tinh luyện, đặc biệt trong sản xuất nam châm vĩnh cửu, nơi Trung Quốc chiếm hơn 90% sản lượng.

Với nam châm neodymium, loại nam châm vĩnh cửu thương mại mạnh nhất, năm 2020, Trung Quốc chiếm 92% thị phần toàn cầu, trong khi Mỹ chỉ chiếm 1%. Nam châm này được tạo ra từ hợp kim pha đất hiếm neodymium với sắt và boron, được General Motors (Mỹ) và Sumitomo Special Metals (Nhật Bản) phát hiện độc lập vào đầu thập niên 1980.

Tuy nhiên sau đó, GM đã bán công ty con Magnequench chuyên về loại công nghệ này cho các nhà đầu tư Trung Quốc. Kết quả là nhà máy cuối cùng ở Mỹ đóng cửa đầu những năm 2000 và sản xuất chuyển sang châu Á.

Giáo sư J. Ping Liu (Đại học Texas tại Arlington) nhận định các chính trị gia ngày càng nhận ra tầm quan trọng của nam châm vì nhu cầu trong năng lượng xanh, xe điện và nhiều ứng dụng khác.

Ông cho rằng đất hiếm không hẳn là quá hiếm so với nhiều kim loại khác, nhưng lợi thế của Trung Quốc nằm ở nỗ lực nghiên cứu và phát triển liên tục suốt hàng thập kỷ, trong khi các quốc gia khác bỏ cuộc.

Trên thực tế, các động thái nghiên cứu và thử nghiệm nam châm mới đang được Mỹ tiến hành. Vào năm 2011, Cơ quan Nghiên cứu Các dự án Năng lượng Tiên tiến (ARPA-E) đã tài trợ 14 dự án thuộc chương trình tìm kiếm vật liệu thay thế đất hiếm trong công nghệ quan trọng, tập trung vào các lựa chọn hiệu quả chi phí cho xe điện và máy phát điện gió. Tuy nhiên, nguồn tài trợ này chấm dứt vào năm 2016.

Một số tổ chức Mỹ, như Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames, vẫn tiếp tục nghiên cứu nam châm không dùng đất hiếm. Tháng 4 vừa qua, Ames công bố phát triển loại nam châm từ mangan và bismuth, giữ được từ tính ở nhiệt độ cao.

Công ty Niron Magnetics (Mỹ) cũng chế tạo nam châm nitride sắt hoạt động tốt dưới 200°C, có thể thay thế nam châm neodymium-sắt-boron trong cùng dải nhiệt độ.

Liên minh châu Âu cũng tài trợ dự án Passenger, quy tụ 21 đối tác từ 8 quốc gia, nhằm phát triển nam châm chịu nhiệt, chống ăn mòn, dễ tái chế, sử dụng nguồn tài nguyên phổ biến tại châu Âu.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học TU Darmstadt (Đức) đã tạo ra nam châm từ mangan, nhôm và carbon, với chi phí thấp, quy mô lớn, dùng cho xe đạp điện và máy bơm nước. Loại nam châm này không nhằm thay thế nam châm đất hiếm hiệu suất cao mà để lấp khoảng trống ở các ứng dụng yêu cầu thấp hơn.

Các chuyên gia dự đoán, gần như chắc chắn các loại nam châm không dùng đất hiếm mới sẽ được thương mại hóa trong vòng 5 năm tới.

Mặc dù vậy, để thoát khỏi sự phụ thuộc, các nhà sản xuất phải chứng minh khả năng sản xuất hàng loạt, đáp ứng nhu cầu khách hàng với chi phí cạnh tranh so với sản phẩm từ Trung Quốc.

Mặt khác, trong các ngành như hàng không, năng lượng và y tế, nam châm đất hiếm chịu nhiệt vẫn có ưu thế. Giáo sư Liu nhận định nam châm không dùng đất hiếm hiện có công suất thấp hơn nhiều và chưa thể thay thế trong các ứng dụng tiên tiến.

Một thách thức lớn khác là “lực kháng từ”, khả năng chống mất từ tính khi chịu tác động từ trường ngoài hoặc nhiệt độ cao. Ông Liu chỉ ra cần có nhiều nghiên cứu hệ thống hơn để cải thiện lực kháng từ trong nhiều loại vật liệu.

Một số nhà nghiên cứu đang ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để rút ngắn thời gian tìm hợp kim mới. Năm 2023, Ames công bố sử dụng mô hình máy học để dự đoán nhiệt độ Curie, giúp xác định tổ hợp vật liệu mới cho nam châm.

Năm ngoái, công ty Materials Nexus (Anh) hợp tác với Viện Henry Royce và Đại học Sheffield đã dùng AI thiết kế và chế tạo nam châm không đất hiếm chỉ trong 3 tháng, nhanh hơn 200 lần so với phương pháp truyền thống.

Ông Eggert nhấn mạnh ngoài phát triển vật liệu mới, việc xây dựng chuỗi cung ứng ngoài Trung Quốc, tái chế, tái sử dụng nam châm, hoặc thiết kế lại động cơ dùng nam châm không đất hiếm (hoặc không dùng nam châm) cũng là những hướng đi cần kết hợp.