diary 21/10/2014: Trung Quốc sản xuất nam châm đất hiếm

gần đây, nước cộng hoà nhân dân Trung Hoa đã cấm xuất khẩu những công nghệ sản xuất nam châm đất hiếm, vì lợi ích an ninh quốc gia

có 17 nguyên tố đất hiếm: ytri, scandi và 15 nguyên tố kim loại họ Lanthan

năm 2021 tổ chức trực quan hoá dữ liệu [OEC observatory of economic complexity] ước tính trữ lượng giao dịch hợp kim đất hiếm toàn cầu là 2.7 tỷ đôla Mỹ

chỉ trong ít năm, Trung Quốc đã giành vị thế độc quyền sản xuất nguyên liệu nam châm trong khi những lựa chọn thay thế đã không thể cạnh tranh lại

Nam châm
những hệ thống được trang bị nam châm vĩnh cửu sẽ có một số lợi thế về sức mạnh và không gian, so với nam châm điện: 3 milimet nam châm đất hiếm sẽ sản sinh sức mạnh từ trường bằng với dòng điện 13 ampere đi qua một lõi cuộn dây đồng - và một cuộn dây sẽ chiếm không gian hơn gấp 5 lần so với một giải pháp sử dụng nam châm vĩnh cửu, tuỳ thuộc vào thiết kế

tuy có nhược điểm riêng, những lợi thế về sức mạnh và không gian đã giúp nam châm vĩnh cửu được ứng dụng rộng rãi trong động cơ điện, ổ đĩa cứng, công cụ lực thủ công, đèn laser và nhiều linh kiện bên trong những động cơ và cấu vận hành

ước tính 20 - 35% sản lượng đất hiếm toàn cầu được sử dụng để sản xuất nam châm vĩnh cửu cho động cơ

nhu cầu mới tăng trưởng từ những công nghệ điện mới như tua bin của máy phát điện gió, xe điện... cơ quan năng lượng quốc tế đã dự báo năm 2024 nhu cầu sẽ cao gấp 3-7 lần so với năm 2020

Lịch sử
trước thế kỷ 20 nam châm vĩnh cửu được sử dụng cho thương mại là thép cácbon cao, cácbua xi măng [thép vonfram] và thép cobalt

năm 1932 nhà khoa học Tokoshichi Mishima tuyên bố khám phá một loại nam châm dựa trên sắt: hợp kim được gọi tên là nam châm alniko - là sắt chứa nhôm, nicken và cobalt, hợp kim rẻ hơn thép cobalt và có lực kháng từ tốt hơn những thép cobalt xịn nhất

thập niên 1950 ra mắt nam châm đen [ferrite] không mạnh bằng nam châm alniko nhưng giá thành rẻ hơn và lực kháng từ cũng cao hơn alniko: nam châm đen đã thống lĩnh thị trường nam châm, trước khi những nam châm đất hiếm ra mắt

Hiếm
thực tế những đất hiếm này không thực sự là "hiếm", đã được con người biết đến từ lâu, nằm rải rác và thực ra rất nhiều

theo trang hóa học môi trường, Kenneth L Barbalace xếp hạng ceri là nguyên tố phổ biến thứ 25 trong lớp vỏ Trái Đất, chiếm 69 phần một triệu, tức là nhiều hơn đồng và nhiều gấp 3 lần chì

neodymi hiếm hơn ceri, chiếm 38 phần một triệu, cũng đã nhiều hơn những nguyên tố như urani, thiếc, asen, germani, iốt và cả ni-tơ: nhưng đương nhiên là ni-tơ thì chủ yếu trong không khí chứ không phải trong lớp vỏ Trái Đất

Tinh chế
năm 1839 nhà hoá học Carl Gustav Mosander người Thuỵ Điển đã tiên phong thực hiện khai thác và tinh chế những nguồn đất hiếm: ông lấy một khoáng vật có tên là serite đem hoà tan vào axit và sau đó thử tách lấy nhiều nguyên tố - nhờ vậy, ông khám phá ra lanthan là chất bị tạp lẫn trong ceri nitrat

năm 1875 các nhà khoa học đã có thể làm ra những kim loại ceri và lanthan nhờ phương pháp điện phân

thập niên 1880 người ta khám phá ứng dụng thương mại lớn đầu tiên của đất hiếm: lớp phủ đèn sợi đốt - một gói vải [fabric] kim loại sẽ được lửa nung nóng và toả ra ánh sáng nhìn thấy

lớp phủ ấy thường làm từ ôxit đất hiếm và những muối như ôxit thori và ceri

năm 1903 nhà phát minh ra lớp phủ là Carl Auer von Welsbach người Áo đã đăng ký bản quyền sáng chế một hợp kim để loé sáng những đèn ấy: hợp kim làm từ 30% sắt và 70% kim loại Misch - kim loại Misch là một hỗn hợp đất hiếm những ceri, lanthan và neodymi - ngày nay, hợp kim ấy được sử dụng làm đá lửa [flint] trong cái bật lửa

thập niên 1940 nhiều nhà hoá học đã thử tinh chế nguyên tố đất hiếm bằng những phương pháp hoá học như phản ứng nhiệt [thermal], kết tinh phân hạch [fractional crystallize] và kết tủa nhân đoạn [fractional precipitate]

những nguyên tố đất hiếm thường có đặc điểm hoá học giống nhau, cụ thể như tính tan: cho nên ngày nay những phương pháp cổ điển vẫn có thể hiệu quả với một, hai nguyên tố nhất định - nhưng nhìn chung đã được coi là có kết quả 'không dứt khoát' [iffy]

Phương pháp hiện đại
năm 1942 nghiên cứu sinh ở phòng thí nghiệm Ames trường đại học bang Iowa đã khám phá một bộ những phương pháp mới để tinh chế đất hiếm ở quy mô lớn, từ quặng: gọi tên là những phương pháp hiện đại [modern methods]

phòng thí nghiệm Ames được thành lập bởi chuyên gia đất hiếm Frank Spedding theo lệnh chính phủ Mỹ để sản xuất urani tinh khiết cho dự án Manhattan: sớm sau ấy, Frank đã mở rộng ra luyện kim và nghiên cứu những vật liệu khác, trong đó có đất hiếm - các nghiên cứu sinh đã phát minh phương pháp trao đổi ion

phương pháp trao đổi ion sẽ sử dụng một hoá chất để trao đổi ion: một ôxit hoặc nhựa resin - căn bản sẽ hoán đối những ion của nó với ion trong một hỗn hợp mong muốn, để tách biệt ra những ion nguyên tố đất hiếm

năm 1947 phương pháp trao đổi ion được công bố cho cộng đồng khoa học, sau khi đã sử dụng cho dự án Manhattan

năm 1950 ba nghiên cứu sinh Mỹ đã mở rộng sử dụng chiết xuất dung môi để tinh chế thori và đất hiếm: chiết xuất dung môi sẽ dựa vào sự khác biệt tính tan của những hoá chất, giữa nó và một chất lỏng khác - thực tiễn có thể sử dụng đến hàng trăm bước lặp lại, mỗi bước sử dụng một lượng lớn chất hoá học và nước

hoá ra, chiết xuất dung môi đã dễ mở rộng quy mô hơn, mặc dù ta biết rất ít về cách thức các công ty đã thực hiện thực tế: ngày nay phương pháp trao đổi ion chỉ được sử dụng cho những trường hợp cá biệt nhất định cần đất hiếm cho đồ điện tử

Khai thác
thuở đầu thì Thuỵ Điển, Na-uy, Úc và Nam Phi là những nguồn cung cấp ceri và đất hiếm khác, nhưng không thực sự dồi dào

năm 1949 cục khai khoáng [Bureau of Mines] Mỹ đã phát hiện được mỏ Mountain Pass lớn ở bang California, chỉ cách Las Vegas 50 dặm: ngày nay Mountain Pass vẫn là mỏ đất hiếm duy nhất ở Bắc Mỹ khả thi kinh tế - chỉ một mỏ Mountain Pass đã đơn thương độc mã giúp ổn định giá bán đất hiếm từ năm 1958 đến 1971, có thời điểm chiếm 90% nguồn cung toàn cầu

cuối thập niên 1960 người ta phát hiện ra nếu bổ sung hợp chất đất hiếm silicide sẽ có được thép hợp kim thấp độ bền cao: thép cứng và không gỉ hơn thép cácbon

Nam châm đất hiếm
thập niên 1960 các nhà khoa học ở căn cứ không quân Wright-Patterson đã khám phá được nam châm đất hiếm đầu tiên: kết hợp samari với kim loại chuyển tiếp cobalt

cuối thập niên 1970 bất ổn chính trị ở nước cộng hoà dân chủ Congo đã gián đoạn nguồn cung cobalt toàn cầu

các nghiên cứu sinh Mỹ và Nhật Bản đã tìm kiếm lựa chọn khác không cần cobalt: năm 1983 nam châm neodymi sắt Boron đã được khám phá, độc lập bởi hai hãng Sumitomo, tiền thân của công ty con kim loại Hitachi [Hitachi Metals], và General Motors - thích hợp hơn cho ứng dụng thương mại vì cứng hơn, và neodymi và sắt thì dễ kiếm hơn samari và cobalt

cuối thập niên 1980 sản phẩm được ứng dụng vào sản xuất ổ đĩa cứng: được dùng trong cả động cơ điện [motor] và động cơ đốt [engine], các hãng sản xuất thường cần bổ sung đất hiếm dysprosi để kháng chịu nhiệt độ cao

Thay đổi
năm 1985 sắc luật môi trường mới ở Mỹ yêu cầu ngừng pha chì vào xăng: bấy giờ, ứng dụng lớn nhất của đất hiếm là làm "chất xúc tác tầng sôi để bẻ gãy chuỗi hydro các-bon dài" [FCC fluid catalytic crack] của dầu mỏ - các nhà máy lọc sẽ chuyển đổi dầu mỏ thành xăng và những sản phẩm khác

bấy giờ Trung Quốc khám phá mỏ đất hiếm Bayan Obo [Bách Vân Ngạc Bác khoáng khu] ở nội Mông: trữ lượng đất hiếm lớn nhất thế giới - được ca ngợi là như mỏ dầu khí Gawar nhưng là đất hiếm

năm 1927 người ta đã khai thác sắt ở Bayan Obo nhưng năm 1935 các nhà địa chất mới phát hiện những khoáng vật monzonit và bastnasite

từ thập niên 1960 chính phủ Trung Quốc bắt đầu khai thác đất hiếm Bayan Obo

Thâm nhập thị trường
quặng Bayan Obo là mớ hỗn độn đến 14 khoáng vật đất hiếm: mất đến 20 năm tìm cách tách riêng - trong đó có một bước tiến trình có tên là "làm giàu quặng" [ore dressing]

năm 1979 học viện nguyên cứu Bao Đầu đã khám phá một tiến trình rang axit [acid roasting]: nướng những khoáng vật như natri hydroxit để phân huỷ thành những hợp chất đơn giản hơn - sau đó mới sử dụng phương pháp như trao đổi ion hoặc chiết xuất dung môi

năm 1980 Trung Quốc xuất khẩu những đất hiếm đầu tiên đã tinh chế bằng trao đổi ion: sang Nhật Bản - sự kiện đã gây xôn xao dư luận

từ năm 1979 đến 1989 sản lượng đất hiếm tăng 40% mỗi năm: giúp Trung Quốc hạ giá thành sản xuất và trở thành công xưởng tinh chế đầu ngành

năm 2002 mỏ Mountain Pass đóng cửa vì áp lực kinh tế nhưng gần đây mới mở lại vì người Mỹ lo ngại về ổn định chuỗi cung, đặc biệt những sản phẩm cho quốc phòng: tuy nhiên, phần lớn những vật liệu thô ấy vẫn được vận chuyển sang Trung Quốc làm tinh chế

Thuê ngoài
Trung Quốc thống lĩnh khai khoáng đã gây ra chảy máu chất xám: những công ty trên cả thượng và hạ nguồn chuỗi cung ứng đã chuyển địa điểm từ Mỹ và Nhật Bản về Trung Quốc

ví dụ ở Mỹ, nhà thầu quốc phòng Magnequench sản xuất bột nam châm neodymi sắt Boron, năm 2003 đã chuyển hoạt động về Singapore, đóng cửa văn phòng Indianapolis, và năm 2004 đóng cửa nhà máy cuối cùng, sa thải 450 nhân viên và bán hết những công cụ máy móc sang Trung Quốc

năm 2011 Hitachi Metals bấy giờ là hãng nam châm hàng đầu thế giới, đã chuyển sản xuất về Trung Quốc: đối phó với lệnh cấm xuất khẩu đất hiếm của Trung Quốc, cụ thể là dysprosi

một nghiên cứu phân tích đăng ký bản quyền sáng chế liên quan đến đất hiếm đã cho thấy sụt giảm số lượng đăng ký bằng sáng chế của đất hiếm nằm ở Mỹ, trong khi bằng sáng chế bên ngoài nước Mỹ đã tăng

Ngày nay
ngày nay, nam châm đất hiếm có nhu cầu lớn nhất là neodymi sắt boron và thứ nhì là samari cobalt: cả hai nam châm này thì đất hiếm chỉ chiếm 20% về khối lượng nhưng chiếm 30-50% về giá thành

những mỏ ở Trung Quốc có thể chiếm ít đi trong nguồn cung toàn cầu khi những mỏ mới ở Úc hoặc Việt Nam ra mắt, nhưng những cơ sở tinh chế và sản xuất ở Trung Quốc vẫn làm 90% nam châm đất hiếm trên thế giới

năm 2015 sản lượng nam châm Trung Quốc là 126000 tấn, so với con số 2550 tấn năm 1997: những sản phẩm nam châm đạt tiêu chuẩn thế giới, đa dạng cấu hình và giá bán rất cạnh tranh

nhờ trữ lượng đất hiếm lớn, người Trung Quốc đã tận dụng lợi thế vào sản xuất và cải tiến: ví dụ tạo ra nam châm ceri thay thế neodymi vì ceri sẵn có nhiều hơn, đã giảm chi phí vật liệu

tăng trưởng ngành nam châm đất hiếm đã được thúc đẩy và củng cố bởi nhu cầu Trung Quốc cho những hệ thống điện mới: tua bin điện gió và ô tô điện

Lựa chọn thay thế
bên cạnh địa chính trị thì ta cũng không muốn phụ thuộc toàn bộ tương lai điện tái tạo vào neodymi và dysprosi: những đất hiếm đắt đỏ - một hệ thống không có đất hiếm, thực tế, sẽ tiết kiệm chi phí vật liệu từ 30% đến 66%

nữa, loại bỏ đất hiếm sẽ cải thiện mức độ thân thiện môi trường của công nghệ: những ước tính khí thải gây hiệu ứng nhà kính thì vẫn gây tranh cãi - một phân tích, xuất bản năm 2015, nói rằng nam châm neodymi sắt boron có bổ sung dysprosi sẽ chiếm đến 30% khí thải hiệu ứng nhà kính trong một động cơ điện, nhưng chỉ chiếm 5% về khối lượng

khó đánh giá được đầy đủ ảnh hưởng môi trường của những tiến trình này vì ta không nhìn rõ được việc sản xuất: phần lớn là bí quyết thương mại - như ngành bán dẫn

Cắt giảm và tái chế
một lựa chọn là cắt giảm lượng đất hiếm sử dụng trong nam châm: cụ thể là dysprosi, hiếm hơn neodymi, nhưng cần thiết để nam châm có thể hoạt động ở nhiệt độ cao

lựa chọn nữa là tái chế: 99% đất hiếm "sắt vụn" [scrap] từ ổ đĩa cứng cũ, xe điện và tua bin điện gió... đều đã bị vứt bỏ - vì những công nghệ tái chế nam châm neodymi sắt boron vẫn chưa phát triển, và hiện tại không khả thi kinh tế, tức là lợi suất thấp và ta không có đủ "sắt vụn" [scrap] để bõ công tái chế

những thiếu sót về chính trị, pháp lý và hậu cần là lớn: giống như tái chế pin xe điện, ta muốn đưa những 'sắt vụn' ấy trở lại hệ sinh thái, ở quy mô lớn

Alnico và ferrite
nam châm alnico và nam châm đen đã từng chiếm lĩnh thị trường trước khi nam châm đất hiếm xuất hiện: liệu có thể chỉnh sửa để thay thế nam châm đất hiếm?

nam châm alnico có rủi ro là dễ bị khử từ: không thích hợp cho những đồ điện có mật độ năng lượng lớn [high power density electric]

nam châm đen chỉ mạnh bằng một phần mười nam châm đất hiếm và cũng có lực kháng từ thấp: nhưng lực kháng từ của nam châm đen sẽ tăng ở nhiệt độ cao - lợi thế hơn nam châm neodymi sắt boron bị hiện tượng ngược lại

nếu có thiết kế để tránh bị khử từ, nam châm đen có thể trang bị những động cơ điện: tháng 12 năm 2022 Hitachi Motors công bố đang làm việc tìm những lựa chọn nam châm dựa trên ferrite

trên thế giới, Trung Quốc chiếm 50% thị phần nam châm alniko và 60% thị phần nam châm đen

Động cơ không sử dụng nam châm vĩnh cửu
ô tô và tua bin điện gió có thể sử dụng máy động cơ điện không đồng bộ [asynchronous] hay còn gọi là động cơ điện cảm ứng [induction]: tua bin điện gió sẽ hợp hơn vì không cần lo lắng về không gian