Sự thật phía sau hiểu nhầm hàng thế kỷ về “vitamin của ngành công nghiệp”

Đất hiếm, hay còn được gọi là nguyên tố đất hiếm (Rare Earth Elements - REE), là một nhóm gồm 17 nguyên tố hóa học, bao gồm 15 nguyên tố thuộc họ Lantan (Lanthanide) cùng với Scandium (Sc) và Yttrium (Y). 

Trong cách hiểu phổ thông, cái tên đất hiếm thường gợi liên tưởng đến một loại tài nguyên vô cùng khan hiếm và quý giá như vàng. Tuy nhiên, giới địa chất và khoa học vật liệu lại đưa ra kết luận hoàn toàn khác. 

Nhóm nguyên tố này thực chất có mặt ở khắp vỏ Trái Đất. Một số nguyên tố còn dồi dào hơn cả đồng (Cu) hay kẽm (Zn). Điều khiến đất hiếm trở nên đặc biệt không phải nằm ở sự ít ỏi về trữ lượng mà ở quá trình hình thành, phân bố, khai thác và tinh chế vốn rất phức tạp.

Tên gọi bắt nguồn từ một hiểu lầm lịch sử

Việc đặt tên đất hiếm xuất phát từ hoàn cảnh lịch sử cuối thế kỷ 18 khi các nhà khoa học châu Âu lần đầu tiên phân lập được những oxit kim loại đặc biệt từ các khoáng vật trông rất lạ, thường xuất hiện ở những khu vực địa chất hẹp và khó tiếp cận. 

Thời điểm đó, những oxit kim loại chưa xác định rõ bản chất thường được gọi là đất. Khoáng vật chứa các oxit này lại không phổ biến nên giới khoa học đương thời gắn cho chúng cái tên đất hiếm.

Tên gọi này vẫn được dùng đến nay nhưng lại gây hiểu nhầm. Đất hiếm không hiếm về mặt trữ lượng mà hiếm ở dạng quặng giàu có thể khai thác kinh tế. Các nguyên tố này phân bố rất rộng nhưng ở nồng độ thấp. Chúng ít khi tụ lại thành mỏ lớn giống như sắt hay bauxite. 

Theo phân tích của Viện Nghiên cứu Địa chất Đức GFZ, các nguyên tố đất hiếm thường nằm lẫn trong nhiều loại khoáng vật khác nhau và hiếm khi xuất hiện dưới dạng tập trung cao.

Điều này biến quá trình khảo sát và định vị mỏ đất hiếm thành bài toán tốn kém và mất thời gian.

Ngay cả khi tìm thấy mỏ, hàm lượng thu hồi thực tế thường chỉ ở mức vài phần trăm hoặc thấp hơn. Chính sự phân tán này khiến đất hiếm dù phong phú về trữ lượng toàn cầu vẫn trở thành nguồn tài nguyên khó tiếp cận.

Hàng loạt trở ngại từ khai thác đến tinh chế

Thách thức lớn nhất đối với đất hiếm nằm ở quá trình tách lọc và tinh chế. Do có cấu trúc electron gần giống nhau, các nguyên tố đất hiếm rất khó tách rời. Việc tách Neodymium khỏi Praseodymium hay tách nhóm đất hiếm nặng khỏi nhóm nhẹ đòi hỏi hàng trăm bước chiết tách lặp đi lặp lại.

Một nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts MIT từng chỉ ra rằng tinh chế đất hiếm là một trong những chuỗi xử lý phức tạp nhất của ngành luyện kim hiện đại. Quy trình này tiêu tốn nhiều axit mạnh và chất hữu cơ, đồng thời tạo ra lượng lớn chất thải rắn và dung dịch độc hại. 

Trong nhiều mỏ, quặng đất hiếm lẫn cùng thorium và uranium là các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. Nếu không xử lý đúng chuẩn, chất thải này có nguy cơ gây ô nhiễm lâu dài cho đất và nước.

Vấn đề môi trường là lý do khiến nhiều quốc gia hạn chế khai thác đất hiếm dù có trữ lượng lớn. Chỉ một số ít nước sở hữu cả công nghệ và khả năng chấp nhận chi phí xử lý. Điều này dẫn đến tình trạng tập trung chuỗi cung ứng đất hiếm vào một số quốc gia, tạo ra rủi ro về địa chính trị và thương mại toàn cầu.

Trong báo cáo năm 2023 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA, đất hiếm được xếp vào nhóm khoáng sản quan trọng của năng lượng sạch cùng lithium, cobalt và nickel. 

Báo cáo nhấn mạnh rằng rủi ro về sự phụ thuộc nguồn cung lớn hơn nhiều so với rủi ro về trữ lượng tự nhiên. Đây cũng là lý do khiến đất hiếm được ví như con bài chiến lược trong cuộc cạnh tranh công nghệ giữa các cường quốc.

Giá trị chiến lược trong công nghệ hiện đại

Đất hiếm đóng vai trò trọng yếu trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao. Nổi bật nhất là các nam châm vĩnh cửu dựa trên Neodymium, Praseodymium và Dysprosium. 

Những nam châm này có tỉ trọng nhỏ nhưng tạo ra lực từ cực mạnh. Chúng là linh kiện thiết yếu của động cơ xe điện, máy phát gió, robot công nghiệp, thiết bị bay không người lái và ổ đĩa cứng. Các nguyên tố khác cũng có ứng dụng quan trọng. 

Cerium được dùng trong các bộ xúc tác xử lý khí thải và trong công nghệ đánh bóng kính quang học. Lanthanum góp mặt trong thấu kính máy ảnh và trong pin niken kim loại hydrua từng phổ biến trên các dòng xe hybrid. Europium và Terbium là 2 chất phát quang chủ lực cho màn hình màu đời đầu và nhiều loại đèn LED.

Trong lĩnh vực y sinh, gadolinium là chất tương phản quan trọng của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ MRI. Những hợp chất chứa nguyên tố đất hiếm còn được ứng dụng trong nghiên cứu điều trị ung thư nhờ khả năng phát xạ năng lượng đặc trưng. 

Một tổng quan khoa học đăng trên tạp chí Nature Reviews Materials ghi nhận rằng vật liệu đất hiếm đang mở ra nhiều hướng mới cho công nghệ lượng tử và điện tử nano.

Nhu cầu lớn từ các ngành năng lượng xanh và công nghệ số khiến đất hiếm trở thành tài nguyên không thể thay thế. Xe điện cần lượng nam châm vĩnh cửu lớn. Tua bin gió ngoài khơi cũng phụ thuộc mạnh vào chúng để duy trì hiệu suất ổn định. Công nghệ trí tuệ nhân tạo, thiết bị thông minh và các hệ thống quốc phòng hiện đại đều sử dụng vật liệu đất hiếm ở nhiều vị trí trọng yếu.

Sự mâu thuẫn giữa tên gọi đất hiếm và bản chất phong phú của chúng được giải thích bởi 2 yếu tố: Thứ nhất là sự phân tán về mặt địa chất khiến việc khai thác kinh tế khó khăn. Thứ hai là quá trình tinh chế phức tạp và tốn kém tạo rào cản lớn làm nguồn cung toàn cầu bị thu hẹp.

Nếu trữ lượng tự nhiên là thước đo duy nhất thì đất hiếm không phải là loại tài nguyên hiếm. Điều hiếm ở đây là năng lực khai thác sạch, công nghệ luyện kim tinh vi và vị thế kiểm soát chuỗi cung ứng. Trong bối cảnh thế giới dịch chuyển sang năng lượng sạch và công nghệ cao, nhóm nguyên tố này ngày càng có ý nghĩa chiến lược.

Nhiều quốc gia đã công bố kế hoạch tăng cường tự chủ đất hiếm. Mỹ, châu Âu, Nhật Bản và Hàn Quốc đầu tư mạnh vào tái chế nam châm cũ và phát triển công nghệ tách rửa thế hệ mới. Các nghiên cứu tại Đại học Cambridge và Viện Công nghệ Tokyo cho thấy khả năng thu hồi đất hiếm từ pin cũ và từ thiết bị điện tử thải bỏ đang mở ra hướng giảm phụ thuộc vào khai thác nguyên khai.

Tất cả những nỗ lực này cho thấy đất hiếm không hiếm trong tự nhiên nhưng lại hiếm trong khả năng tiếp cận. Vì vậy chúng được ví như nguồn lực chiến lược định hình tương lai công nghệ toàn cầu.