Tại sao các turbine gió cần sử dụng đất hiếm?

Turbine gió sản xuất điện nhờ các nam châm vĩnh cửu, loại nam châm cực mạnh nhưng chứa đất hiếm khó khai thác và tái chế.

Xét về khía cạnh môi trường, các turbine gió là một món hời, IFL Science hôm 3/3 đưa tin. Chúng có thời gian "hoàn vốn" - khoảng thời gian cần thiết để turbine cung cấp đủ năng lượng sạch bù đắp cho lượng ô nhiễm sinh ra từ quá trình sản xuất - là chưa đến một năm. Chúng gần như không tạo ra ô nhiễm khi hoạt động và cũng rất hiệu quả, chỉ một turbine cũng có thể cung cấp điện cho khoảng 940 ngôi nhà trung bình ở Mỹ mỗi tháng.

Nhiều turbine gió trang bị nam châm vĩnh cửu, trong đó sử dụng đất hiếm. (Ảnh: Rabih Shasha).

Tuy nhiên, turbine gió rất khó tái chế, bao gồm cả thành phần đất hiếm bên trong. "Hiện tại, theo hiểu biết của chúng tôi, hầu như không có nguyên tố đất hiếm nào từ turbine gió được tái chế", Tyler Christoffel, giám đốc công nghệ tại Văn phòng Công nghệ Năng lượng Gió thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, cho biết.

Thống kê này không gây bất ngờ. Trên thế giới, các chuyên gia ước tính rằng chưa đến 1% nguyên tố đất hiếm - gồm các chất như cerium, lanthanum, neodymium - được tái chế. Các nguyên tố đất hiếm, đúng như tên gọi, rất khó tìm thấy với số lượng hữu ích.

Thông thường, các kim loại tập trung trong vỏ Trái đất do những quá trình địa chất khác nhau, ví dụ dòng chảy dung nham, hoạt động thủy nhiệt và sự hình thành núi. Tuy nhiên, tính chất hóa học khác thường của các nguyên tố đất hiếm khiến chúng thường không tập trung với nhau trong những điều kiện đặc biệt này. Dấu vết đất hiếm rải rác khắp hành tinh, khiến việc khai thác chúng trở nên kém hiệu quả.

Đôi khi, những môi trường giàu axit dưới lòng đất có thể làm tăng nhẹ lượng nguyên tố đất hiếm ở một số địa điểm nhất định. Tuy nhiên, việc tìm ra những địa điểm này mới chỉ là thách thức đầu tiên. Quá trình khai thác sau đó cũng phức tạp do việc tách chiết nguyên tố tinh khiết vô cùng khó. Hiện nay, Trung Quốc chiếm khoảng 70% lượng đất hiếm được sản xuất trên thế giới.

Các nguyên tố đất hiếm ngày càng trở nên quan trọng. Chúng đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực, từ các ứng dụng công nghiệp cho đến thiết bị cá nhân như laptop hay smartphone. Tất nhiên, chúng cũng góp mặt trong turbine gió.

"Khi quay, cánh turbine gió tạo ra động năng. Máy phát điện nam châm vĩnh cửu sẽ chuyển đổi động năng này thành điện năng nhờ sự tương tác giữa hai nam châm vĩnh cửu phân cực nghịch đảo", Kristin Vekasi, phó giáo sư tại Đại học Maine, viết trong một nghiên cứu năm 2022.

"Các nam châm khác cũng có thể thực hiện công việc trên, nhưng nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ hơn, ít bộ phận chuyển động có thể bị hỏng và không cần sạc từ ngoài. Gió sẽ làm mọi việc", bà giải thích.

Các nguyên tố đất hiếm góp mặt trong chính những nam châm này, thường là nguyên tố neodymium hoặc samarium. Đây là những nam châm mạnh nhất hiện nay, nhưng không phải không thể phá hủy. Chúng có thể mất từ tính do quá nóng, bị ăn mòn, tác động ngẫu nhiên hoặc vấn đề về từ trường. Do đó, quá trình cải tạo turbine gió - thay thế các bộ phận cũ, nâng cấp các bộ phận như máy phát điện và thay thế nam châm đất hiếm - gần như diễn ra liên tục.

Để giải quyết vấn đề này, Bộ Năng lượng Mỹ năm ngoái phát động một cuộc thi nhằm tìm ra giải pháp tái chế hiệu quả cho các bộ phận của turbine. Tháng trước, 20 đội chiến thắng trong giai đoạn đầu tiên của cuộc thi được công bố, trong đó 4 đội tập trung vào tái chế nam châm.

Khi Mỹ đầu tư nhiều hơn vào điện gió và những công nghệ dựa vào đất hiếm tiếp tục phát triển, việc tái chế đất hiếm sẽ trở thành vấn đề cấp thiết hơn nhiều, theo Christoffel. "Giải thưởng này giúp thúc đẩy một số công nghệ tái chế có thể mang đến phương thức sử dụng nam châm tiêu tốn ít tài nguyên hơn, phát thải ít hơn", ông nói.