Châu Âu triển khai các dự án mới nhằm đảm bảo nguồn cung vật liệu thiết yếu cho công nghệ xanh

Các nhà nghiên cứu châu Âu đang triển khai hai sáng kiến lớn nhằm giảm bớt sự phụ thuộc của châu lục này vào nguồn cung nước ngoài đối với các nguyên tố đất hiếm được sử dụng trong các công nghệ xanh. Bằng cách tái chế các linh kiện cũ và phát triển các loại nam châm mới, các dự án này nhằm mục tiêu đảm bảo chuỗi cung ứng cho xe điện và tuabin gió. Sự chuyển dịch này là vô cùng quan trọng vì sản lượng hiện tại đang tập trung quá mức tại Trung Quốc.

• Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, Trung Quốc tinh chế 91% lượng đất hiếm dùng cho nam châm trên toàn thế giới.
• Dự án MAGELLAN đã sản xuất được các loại nam châm hiệu suất cao chứa 25% vật liệu tái chế tính theo trọng lượng, theo Cyprus Mail.
• Dự án MagNEO đặt mục tiêu trình diễn các thiết kế nam châm in 3D ở quy mô công nghiệp vào năm 2028.

Tại sao châu Âu lo ngại về nguồn cung nam châm?

Quá trình chuyển đổi năng lượng sạch phụ thuộc vào nam châm vĩnh cửu để giúp động cơ trở nên nhỏ hơn, nhẹ hơn và hiệu quả hơn. Những loại nam châm này đóng vai trò sống còn đối với động cơ kéo của xe điện và máy phát điện của tuabin gió. Nếu không có nguồn cung ổn định, châu Âu sẽ phải đối mặt với những rủi ro đáng kể đối với các mục tiêu khí hậu và sự ổn định công nghiệp.

Sự tập trung quá mức của chuỗi cung ứng tại Trung Quốc tạo ra một lỗ hổng lớn. Cơ quan Năng lượng Quốc tế báo cáo rằng Trung Quốc khai thác 60% lượng đất hiếm dùng cho nam châm trên thế giới và sản xuất 94% tổng lượng nam châm vĩnh cửu. Sự thống trị này khiến các nhà sản xuất châu Âu phải đối mặt với nguy cơ bị hạn chế thương mại và gián đoạn nguồn cung đột ngột.

Sự phụ thuộc là một rào cản lớn. Sự tập trung cao độ đồng nghĩa với việc bất kỳ căng thẳng địa chính trị nào cũng có thể làm đình trệ việc sản xuất các công nghệ xanh thiết yếu. Thực tế này đang thúc đẩy nỗ lực tìm kiếm các vật liệu tiên tiến, hoặc là tái sử dụng các nguồn tài nguyên hiện có, hoặc là loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào đất hiếm.

Liệu việc tái chế nam châm cũ có hiệu quả không?

Việc tái chế nhằm mục đích tạo ra một nền kinh tế tuần hoàn bằng cách thu hồi neodymium quý giá và các nguyên tố đất hiếm khác từ các sản phẩm đã qua sử dụng. Dự án MAGELLAN hiện đang dẫn đầu nỗ lực này bằng cách tái tư duy toàn bộ vòng đời của một thanh nam châm, từ thiết kế ban đầu cho đến khi tháo dỡ cuối cùng.

Các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm cách tách nam châm từ rotor của xe đạp điện, xe scooter và các xe ô tô hết hạn sử dụng. Mặc dù nguồn cung phế liệu hiện tại còn thấp, nhưng một làn sóng rác thải khổng lồ đang đến gần. Xe điện thường có tuổi thọ từ 15 đến 20 năm, trong khi các tuabin gió ngoài khơi có thể hoạt động trong khoảng 30 năm.

Quy mô rác thải trong tương lai là rất lớn. Theo các báo cáo của Ủy ban Châu Âu, dòng rác thải sẽ tăng mạnh trong thập kỷ tới. Điều này sẽ giúp việc thu hồi các vật liệu này trở nên khả thi hơn về mặt kinh tế cho ngành công nghiệp châu Âu.

"Trong vòng một thập kỷ tới, [...] việc thu hồi và tái chế các loại đất hiếm này sẽ khả thi hơn về mặt kinh tế. Bạn vẫn sẽ có một mức chi phí cao hơn so với cách làm thông thường, nhưng sẽ có được lợi ích mang tính chiến lược."

Alexandre Damiens, chuyên gia về nam châm và đất hiếm tại Orano

Nam châm tái chế có thể cung cấp bao nhiêu?

Việc tái chế không được kỳ vọng sẽ thay thế ngay lập tức tất cả các hoạt động khai thác mỏ, nhưng nó có thể tạo ra một "lớp đệm" đáng kể cho thị trường. Các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa tác động tiềm năng của một cơ sở quy mô lớn duy nhất đối với thị trường châu Âu.

Một cơ sở sản xuất với công suất hàng năm là 2.000 tấn có thể cung cấp khoảng 10% thị trường động cơ kéo xe điện dự kiến của châu Âu vào năm 2040. Con số này sẽ chiếm khoảng 4% thị trường nam châm vĩnh cửu rộng lớn hơn của châu Âu.

Công việc này cũng xây dựng chuyên môn công nghiệp thiết yếu. Bằng cách sử dụng một dây chuyền thí điểm ở Grenoble, dự án giúp các nhà sản xuất châu Âu học cách đưa các vật liệu thứ cấp vào các sản phẩm hiệu suất cao. Điều này tạo ra một thế hệ nhà sản xuất lành nghề mới có khả năng cạnh tranh toàn cầu.

Có thể chế tạo nam châm mà không cần đất hiếm không?

Dự án MagNEO đang nghiên cứu liệu các kỹ sư có thể bỏ qua đất hiếm bằng cách sử dụng hoàn toàn các vật liệu khác hay không. Nhóm nghiên cứu đang tập trung vào nam châm AlNiCo, một loại hợp kim gốc sắt chứa nhôm, niken và coban.

Những vật liệu này không phải là phát hiện mới. Chúng đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ trong các ứng dụng như bộ thu âm guitar và cảm biến. Tuy nhiên, nhóm MagNEO đang sử dụng các kỹ thuật hiện đại như in 3D để tái tư duy cách chúng được sử dụng trong các động cơ hạng nặng.

In 3D cho phép tạo ra các cấu trúc bên trong phức tạp. Những thiết kế này có thể giúp nam châm hoạt động tốt hơn trong các nhiệm vụ cụ thể. Cách tiếp cận này nhằm điều chỉnh vật liệu sao cho phù hợp với máy móc, thay vì chỉ dựa vào sức mạnh thô của đất hiếm.

"Nam châm AlNiCo không phải là mới. Chúng đã được phát triển từ sau Thế chiến thứ hai. Nhưng không có nhiều tiến triển trong việc phát triển chúng trong vài thập kỷ qua."

Spyros Diplas, chuyên gia tại SINTEF

Liệu các lựa chọn thay thế này có mạnh như vậy không?

Có một giới hạn vật lý về lượng năng lượng mà các loại nam châm thay thế này có thể cung cấp. Nam châm AlNiCo không thể sánh được với mật độ năng lượng từ tính của nam châm đất hiếm (tức là lượng năng lượng được cung cấp trong một thể tích cụ thể).

Các nhà nghiên cứu không cố gắng sao chép chính xác hiệu suất của nam châm đất hiếm. Thay vào đó, họ đang tìm cách kết hợp các loại nam châm yếu hơn với các thiết kế động cơ tốt hơn. Điều này có thể giúp chúng khả thi cho máy bơm nhiệt, hệ thống đẩy tàu thủy và một số loại tuabin gió nhất định.

Chiến lược ở đây là thay đổi động cơ để phù hợp với nam châm. Bằng cách thay đổi thiết kế của động cơ, những hạn chế của vật liệu AlNiCo có thể được bù đắp. Điều này biến công nghệ này thành một giải pháp thay thế thực tế thay vì là một sự thay thế trực tiếp.

"Thật không hợp lý khi tin rằng chúng ta có thể đạt được hiệu suất của nam châm đất hiếm với AlNiCo, hay với bất kỳ loại nam châm nào khác. Đó là vật lý – luôn có những giới hạn vật lý."

Spyros Diplas, chuyên gia tại SINTEF

Lộ trình cho các công nghệ này là gì?

Cả hai dự án đều đang hướng tới các cột mốc cụ thể để chứng minh tiềm năng thương mại và công nghiệp của chúng. Trọng tâm đang chuyển dịch từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm sang các trình diễn quy mô lớn về cách các vật liệu này hoạt động trong các hệ thống thực tế.

Nhóm MAGELLAN hiện đang tiến tới việc đưa vật liệu tái chế vào dây chuyền thí điểm của họ. Mục tiêu lớn tiếp theo là chứng minh cách các nam châm tái chế này thực sự hoạt động bên trong một động cơ điện. Điều này sẽ chứng minh rằng các vật liệu "thứ cấp" có thể đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu suất cao.

Dự án MagNEO có thời hạn là năm 2028. Đến cuối năm đó, nhóm đặt mục tiêu chứng minh rằng ít nhất hai thiết kế nam châm có thể được in 3D ở quy mô công nghiệp. Các nguyên mẫu này sẽ trải qua quá trình thử nghiệm trong các hệ thống được lựa chọn và mô phỏng máy tính của các động cơ hoàn chỉnh.

Bối cảnh: Thách thức từ Đất hiếm

Để hiểu được sự chuyển dịch này, cần phải nhìn vào bối cảnh hiện tại của công nghệ xanh. Các nguyên tố đất hiếm, cụ thể là neodymium, là xương sống của các động cơ hiệu suất cao hiện đại. Vì chúng khó khai thác và chế biến, chuỗi cung ứng này cực kỳ nhạy cảm với các thay đổi chính trị.

Trong lịch sử, thế giới đã dựa vào mô hình cung ứng tập trung. Mô hình này hiện đang bị thách thức bởi nỗ lực của Liên minh Châu Âu nhằm thúc đẩy "vật liệu tiên tiến". Đây là những chất được kỹ thuật hóa nhằm cải thiện hiệu suất trong các lĩnh vực chiến lược như quốc phòng, năng lượng và vận tải.

Việc chuyển đổi từ nguồn cung tập trung sang nguồn cung tuần hoàn hoặc thay thế là một mục tiêu dài hạn. Nó bao gồm việc chuyển đổi từ mô hình "khai thác-sản xuất-thải bỏ" sang mô hình mà vật liệu được thu hồi từ hàng triệu xe điện và tuabin gió sẽ dần hết hạn sử dụng.

Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?

Trọng tâm trước mắt vẫn là thử nghiệm thí điểm nam châm tái chế trong động cơ. Trong những năm tới, ngành công nghiệp sẽ theo dõi kết quả từ các buổi trình diễn in 3D của MagNEO. Nếu thành công, chúng có thể cung cấp một bản thiết kế cho một loại hình sản xuất nam châm mới tại châu Âu.

Mục tiêu cuối cùng là đưa các công nghệ này đạt đến quy mô công nghiệp vào cuối thập niên 2020. Điều này sẽ trùng khớp với làn sóng xe điện và tuabin gió hết hạn sử dụng lớn đầu tiên, tạo ra một dòng nguyên liệu thô ổn định cho thị trường châu Âu.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Tại sao nam châm đất hiếm lại quan trọng đối với môi trường?
Chúng cho phép động cơ điện và tuabin gió trở nên nhỏ hơn và hiệu quả hơn, điều cần thiết cho quá trình chuyển đổi năng lượng sạch.

Chúng ta có thể thay thế hoàn toàn đất hiếm không?
Mặc dù một số vật liệu như AlNiCo đang được phát triển, chúng không thể sánh được với sức mạnh thô của đất hiếm, vì vậy chúng có thể sẽ được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể đã được thiết kế lại.

Việc tái chế giúp ích gì cho an ninh của châu Âu?
Tái chế tạo ra nguồn cung vật liệu tại địa phương từ ô tô và tuabin cũ, giảm bớt nhu cầu nhập khẩu mọi thứ từ các quốc gia như Trung Quốc.