Công nghệ và vật liệu đặc biệt: “Cứu cánh” giúp các hãng ô tô giảm phụ thuộc vào Trung Quốc?

Tính cấp thiết

Nam châm làm bằng các nguyên tố đất hiếm neodymium, dysprosium và terbi đặc biệt quan trọng đối với động cơ di chuyển xe điện và xe hybrid, vốn đang ngày càng phổ biến.

Trung Quốc trong khi đó thống trị hoạt động khai thác và chế biến hầu hết các loại đất hiếm và đã sử dụng vị thế gần như độc quyền của mình như một vũ khí ngoại giao. Năm nay, quốc gia này đã áp đặt các biện pháp kiểm soát xuất khẩu một số loại vật liệu này để trả đũa việc Tổng thống Trump áp thuế quan cứng rắn đối với hàng hóa Trung Quốc.

Sự bất ổn gần đây về nguồn cung đất hiếm là mối đe dọa lớn hơn nhiều đối với các nhà sản xuất ô tô so với trước đây. Điều này đã đặt ra tính cấp thiết mới cho việc tìm kiếm các loại động cơ không cần đất hiếm hoặc các vật liệu có thể thay thế chúng.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northeastern và các tổ chức khác đang nỗ lực tổng hợp các vật liệu có đặc tính từ tính đầy hứa hẹn và chỉ được tìm thấy trong thiên thạch.

Các công ty khởi nghiệp cũng đã bắt đầu phát triển các loại động cơ mới và các công nghệ khác. Bộ Năng lượng đang khuyến khích hoạt động này, bất chấp việc chính quyền Tổng thống Trump đã thu hẹp các hình thức hỗ trợ khác cho xe điện.

Nhiều nỗ lực trong số này sẽ không mang lại kết quả trong nhiều năm. Các công nghệ thay thế như công nghệ mà BMW sử dụng có thể đắt hơn hoặc có những nhược điểm khác. Hiện tại, ngành công nghiệp này vẫn cực kỳ dễ bị thiếu hụt, có thể khiến dây chuyền lắp ráp phải dừng lại.

“Đây không phải là một thách thức mà bạn có thể vượt qua trong một năm”, Gracelin Baskaran, giám đốc Chương trình An ninh Khoáng sản Quan trọng tại Trung tâm Nghiên cứu Chiến lược và Quốc tế ở Washington, cho biết.

Tháng này, Bắc Kinh đã đình chỉ một số biện pháp kiểm soát xuất khẩu đất hiếm theo một thỏa thuận với chính quyền của ông Trump. Nhưng các biện pháp kiểm soát vẫn là một mối đe dọa khi căng thẳng giữa Mỹ và Trung Quốc tiếp tục.

“Hiện tại, có một sự hòa hoãn nào đó”, Tom Moerenhout, người đứng đầu Sáng kiến Vật liệu Quan trọng tại Trung tâm Chính sách Năng lượng Toàn cầu của Đại học Columbia, nói. “Nhưng câu hỏi không phải là liệu có sự kiện tiếp theo nào mà đất hiếm bị vũ khí hóa hay không, mà là khi nào”.

Vấn đề không phải mới

Đại dịch Covid 19 gây ra tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng chất bán dẫn và các linh kiện khác, đã làm gia tăng mối nguy hiểm của việc phụ thuộc quá nhiều vào một vài nhà cung cấp hoặc nhà bán hàng từ một quốc gia. Kết quả là, nhiều nhà sản xuất ô tô bắt đầu tìm kiếm các giải pháp thay thế.

Các nhà sản xuất ô tô có thể sử dụng hai chiến lược để duy trì hoạt động của dây chuyền lắp ráp. Họ có thể tìm thấy đất hiếm bên ngoài Trung Quốc, hoặc họ có thể chuyển sang các linh kiện không cần những kim loại đó.

Nhưng cũng có một rủi ro đối với các nhà sản xuất ô tô như G.M. Họ có thể phải trả nhiều tiền hơn các nhà sản xuất khác nếu tình trạng thiếu hụt giảm bớt và giá giảm trở lại.

G.M. đang tìm kiếm các linh kiện không cần đất hiếm. "Không gì bằng việc không phải sử dụng các vật liệu đất hiếm, dù là nam châm, pin hay bất cứ thứ gì", Mark Reuss, chủ tịch của G.M., phát biểu tại một sự kiện của công ty ở New York gần đây. "Làm thế nào để chúng ta loại bỏ sự phụ thuộc đó?".

Trở lại những năm 1980, một đơn vị của G.M. đã phát triển nam châm làm từ neodymium, sắt và boron, hiện được sử dụng rộng rãi trong động cơ xe điện. Nhưng G.M. đã bán công nghệ này cho các công ty Trung Quốc.

BMW đang sử dụng động cơ không chứa neodymium hoặc các loại đất hiếm khác trong các mẫu xe như xe thể thao đa dụng iX. Dòng điện tạo ra từ trường bên trong động cơ, chuyển đổi electron thành chuyển động.

Giá neodymium tăng đột biến vào khoảng năm 2011 đã thúc đẩy BMW bắt đầu phát triển công nghệ này. Nhà sản xuất ô tô hạng sang cho biết họ đã phần lớn giải quyết được những nhược điểm của loại động cơ này, vốn thường nặng hơn, cồng kềnh hơn và kém hiệu quả năng lượng hơn so với loại sử dụng đất hiếm. Công ty sản xuất động cơ tại các nhà máy gần trụ sở chính ở Munich và Áo.

Động cơ này hiệu quả hơn so với loại sử dụng đất hiếm ở tốc độ cần thiết cho việc lái xe hàng ngày, Stefan Ortmann, một kỹ sư của BMW, cho biết. Ông cũng nói rằng còn có những ưu điểm khác. Từ trường trong động cơ của BMW có thể được điều chỉnh tăng hoặc giảm, và động cơ dễ làm mát hơn.

“Chúng tôi nghĩ đây là điểm mấu chốt cho chúng tôi”, ông Ortmann nói.

Một phiên bản động cơ mới thậm chí còn hiệu quả hơn các máy trước đây và sẽ được lắp đặt trên mẫu SUV iX3 mà BMW sẽ bán tại Mỹvào mùa hè tới. Công ty cho biết mẫu xe này có thể di chuyển được 400 dặm sau mỗi lần sạc.

Giải pháp

Thung lũng Silicon cũng đã ghi nhận cuộc khủng hoảng đất hiếm. Trong các gara cho thuê ở Sunnyvale, California, một công ty khởi nghiệp có tên Conifer đã phát triển một động cơ điện nhỏ gọn hình đĩa có thể hoạt động mà không cần đất hiếm.

Conifer ban đầu sản xuất động cơ cho xe hai bánh, được hàng triệu người tìm thấy ở nhiều quốc gia, nhưng họ hy vọng sẽ sản xuất động cơ cho ô tô trong vài năm tới.

Những lo ngại về đất hiếm đã thúc đẩy sự quan tâm đến công nghệ này, Ankit Somani, đồng sáng lập Conifer, cho biết. "Nhu cầu không phải là vấn đề", ông nói. "Điều quan trọng nhất của chúng ta là làm thế nào để mở rộng quy mô sản xuất một cách nhanh chóng”.

Tuy nhiên, ông Somani cho rằng các phiên bản động cơ sử dụng đất hiếm sẽ có công suất lớn hơn trong một kích thước nhỏ hơn. Điểm mấu chốt của ngành công nghiệp ô tô sẽ là vật liệu tương đương với những ưu điểm của đất hiếm nhưng không đến từ Trung Quốc.

Những vật liệu như vậy tồn tại, nhưng chỉ với số lượng nhỏ trên toàn cầu. Ví dụ, Tetrataenite được tạo thành từ sắt và niken, vốn rất dồi dào. Nhưng phải mất hàng trăm triệu năm để các nguyên tử sắt và niken hình thành nên cấu trúc độc đáo của tetrataenite, một loại khoáng chất chỉ xuất hiện tự nhiên trong thiên thạch.

Laura Lewis, Giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Northeastern, và các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp tổng hợp tetrataenite chỉ trong vài tuần thay vì hàng triệu năm. Tuy nhiên, bà cho biết vẫn còn một chặng đường dài trước khi vật liệu này có thể được sản xuất hàng loạt, và ngay cả khi đó nó cũng sẽ không thể thay thế đất hiếm trong mọi ứng dụng.

"Đây không phải là giải pháp ngắn hạn", Tiến sĩ Lewis nói.

Chính quyền Tổng thống Trump trong khi đó đang cung cấp các khoản tài trợ lên tới 3 triệu USD để giúp các nhà nghiên cứu phát triển các giải pháp thay thế cho đất hiếm. Để đủ điều kiện, các ứng viên phải nỗ lực tạo ra nam châm mạnh gấp đôi so với nam châm đất hiếm tốt nhất, một mục tiêu mà một số chuyên gia cho là không thực tế.

Trong một tài liệu phác thảo, Bộ Năng lượng bày tỏ sự tin tưởng rằng mục tiêu này có thể đạt được bằng trí tuệ nhân tạo.

"Những tiến bộ công nghệ gần đây có tiềm năng đẩy nhanh đáng kể việc phát hiện ra nam châm mới", Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến - Năng lượng của Bộ này cho biết vào tháng 8.