“Nguyên tố Đất hiếm” là 17 nguyên tố hóa học với tên gọi lạ lùng và đặc điểm không bình thường. Số nguyên tử của chúng là từ 57-71, 21 và 39. Hai phân nhóm nhỏ hơn, một nhóm là hiếm hơn và vì thế có giá trị hơn nhóm còn lại, có đặc điểm hóa học tương tự, vì vậy chúng thường được tìm thấy và khai thác cùng nhau.
Mặc dù tên gọi là hiếm, đất hiếm không phải là chất hiếm về mặt địa lý nhưng được phân tán rộng khắp lớp vỏ trái đất. Tuy nhiên, đất hiếm được khai thác ở một vài nơi và bởi một vài công ty bởi vì chúng thường không xuất hiện tập trung một chỗ với lượng lớn. Hơn nữa khai thác mỏ ngày càng nhiều chi phí và rủi ro, thị trường đất hiếm trên thế giới không lớn (vài tỷ đô la một năm), dễ bay hơi, phức tạp và bị chi phối bởi Trung Quốc, nơi mà không phải tất cả các mỏ và xuất khẩu khoáng sản đều hợp pháp và minh bạch. Một chuyên gia kết luận rằng khoảng một nửa số đất hiếm được sản xuất trên toàn cầu năm 2015 không nằm trong thống kê chính thức.
Nhu cầu sử dụng đất hiếm là ở các lĩnh vực chuyên môn cao nhưng đa dạng. Các nguyên tố đất hiếm được sử dụng trong điện thoại di động, nam châm siêu cường, các động cơ và máy phát điện tiên tiến, một số chất xúc tác lọc dầu, laser và đèn huỳnh quang màn hình phẳng, pin và chất siêu dẫn và các công nghệ quan trọng khác trong cuộc sống hiện đại. Một số đất hiếm đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng về năng lượng. Khoảng năm 2010, một số bài báo và bình luận cảnh báo rằng sự thiếu hụt đất hiếm, hoặc sự độc quyền gần đây của Trung Quốc đối với thị trường đất hiếm, có thể làm khuấy động sự chuyển đổi của phương Tây sang năng lượng tái tạo và các công nghệ sạch khác. Điều này chưa bao giờ đúng – nhưng huyền thoại vẫn tồn tại.
Bong bóng vỡ.
Đất hiếm chỉ thu hút sự quan tâm của các nhà chuyên môn từ khoảng năm 2009-2010. Trong giữa những năm 1990, Trung Quốc đã củng cố kiểm soát đối với hầu hết các thị trường đất hiếm toàn, và mỏ đất hiếm và nhà máy cuối cùng ở Mỹ, một thời thống trị thế giới, đã đóng cửa vào năm 2002 vì không có lợi nhuận. Trung Quốc Bắt đầu áp đặt hạn ngạch xuất khẩu trong năm 2006 và hạn chế xuất khẩu sang Nhật Bản (một thị trường sử dụng đất hiếm chủ yếu cho các động cơ công nghệ cao thu nhỏ) trong thời kỳ tranh cãi ngoại giao trong năm 2009-2010. Điều này khiến giá đất hiếm toàn cầu tăng vọt một cách đầy lo lắng. Cơ quan chính phủ Mỹ công bố báo cáo khẩn cấp về khủng hoảng đất hiếm và nguy cơ của với an ninh quốc gia.
Liệu Trung Quốc có thể kiểm soát những nguyên tố đặc biệt quan trọng này-khoảng 97% để hạn chế Washington trong sản xuất tên lửa Tomahawk, F-35 máy bay phản lực, và ống nhòm ban đêm, một số nhà quân sự cảnh báo, nhưng đừng bận tâm cho xe điện và tua-bin gió.
Là một kỹ thuật viên, tôi từng tư vấn cho các công ty khai khoáng lớn, viết hai cuốn sách về khai thác mỏ kim loại và một văn bản 445 trang về các hệ thống động cơ hiệu quả, thực hiện các thí nghiệm vật lý đất hiếm tại Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT, và tư vấn là phòng thí nghiệm Francis Bitter Magnet của MIT, tôi đủ biết để không bị thuyết phục bởi báo động khủng hoảng đất hiếm. Tất cả đều này cảm giác giống như một bong bóng hàng hóa, do tình trạng thiếu hiểu biết về hiếm đất, kinh tế địa chất, và hiệu quả tài nguyên và việc thay thế cho thiếu nguồn cung đất hiếm.
Chắc chắn, các cuộc tranh luận đã được đặt nặng về phía cung đất hiếm và điểm sáng thì thường xuyên bị thông tin sai lệch cho phía cầu. Một vài nhà quan sát tập trung nhiều hơn vào nhu cầu đã nghi ngờ là tình trạng giá đất hiếm tăng đột biến sẽ không kéo dài, cho dù nó có phản ánh sự cường điệu của cổ phiếu mỏ hay không. Trong năm 2010, Tôi gọi là tai nạn rình rập, nhìn chung chỉ để chế giễu. Giá đất hiếm tăng vọt năm 2011 – vào mùa xuân ở một mảnh đất màu mỡ chứa đất hiếm được ưu ái dự đoán cho tỉnh Helmand ở Afghanistan-nhưng sau đó giảm mạnh.
Nhà cung cấp ở Hoa Kỳ Molycorp đã mở lại mỏ đất hiếm ở California vào năm 2012, nhưng đã bị phá sản vào năm 2015 khi giá đất hiếm thấp không hỗ trợ chi phí khai thác cao của mỏ. Năm 2015, tạp chí MIT Technology Review, đưa ra bình luận “Những gì xảy ra với khủng hoảng đất hiếm?”. Bài báo nhầm lẫm gọi là đất hiếm “rất trọng yếu được sử dụng trong các nam châm vĩnh cửu trong tua-bin gió và động cơ xe hybrid hoặc hay xe điện,” và kết luận một cách lo lắng rằng điều này đã “dường như tan rã mà không có nhiều sự phàn nàn” vì “nhu cầu đất hiếm giảm nhiều hơn dự kiến”, nhưng các bình luận không bao giờ kết nối các dấu chấm bằng cách hỏi tại sao nhu cầu đất hiểm giảm mạnh. Vào năm 2016-2017, thị trường trong tình trạng ảm đạm, với việc Trung Quốc có kế hoạch hạn chế sản lượng hàng năm 140.000 tấn năm 2020 để cố gắng tăng giá lại. Một nhà đầu tư trong ngành công nghiệp đất hiếm trong năm 2007 có thể đã bị mất 81 % giá trị danh mục đầu tư của mình sau khi lao vào một thập kỷ dài bong bóng đất hiếm nổi lên và vỡ một cách rất điểm hình (xem biểu đồ ở trên cùng của frombuyupside.com trong bài viết này).
Đây không phải là cách mà hàng hoá khan hiếm và có giá trị bền vững hành xử trên thị trường. Điều gì đã xảy ra?
Chỉ là những gì người ta mong đợi là một thị trường mong manh bị ảnh hưởng bởi sự thiếu hiểu biết nhưng cuối cùng lại bị ngã ngửa vì thực tế. Khi giá đất hiếm tăng vọt, dự trữ tăng, các mỏ quặng vốn trước nay nhàn rỗi thì mở cửa trở lại, các nhà thám hiểm tìm kiếm và tìm thấy các mỏ đất hiếm mới, và tăng quá trình tái chế kim loại (ví dụ, xeri trong đánh bóng kính). Quan trọng nhất, các khách hàng lớn từ General Electric đến Toyota đến Ford đã tìm cách cắt giảm chi phí và tăng hiệu suất, các vật liệu tốn kém đã được sử dụng hạn chế hơn và thường thay thế bởi các giải pháp rẻ hơn và tốt hơn. Tôi đã tiên đoán trong năm 2010. Giá đất hiếm sẽ giảm theo đó.
Hiệu quả và sự thay thế.
Để đào sâu hơn một chút, chúng ta hãy bắt đầu bằng nam châm siêu cường (supermagnet). Neodymium là một nguyên tố đất hiếm trong lớp vỏ của trái đất dồi dào xấp xỉ như Chì hoặc Crom, mặc dù ít có khả năng tập trung với lượng quặng chất lượng cao. Năm 1982, General Motors và Sumitomo phát hiện rằng khi kết hợp về trọng lượng một phần tư neodymium với ba phần tư sắt và boron có thể tạo thành dòng mạnh nhất của nam châm siêu cường. Sản phẩm sau đó được biết đến, điển hình là Nd2Fe14B, và nhiều nam châm có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách thêm dấu vết các loại đất hiếm khác như praseodymium cộng với dysprosium hoặc terbi. (Đây là điểm tại sao chỉ các nhà làm chuyên môn biết điều này?) Trung Quốc, có trữ lượng lớn các nguyên tố này và ưa thích tạo giá trị gia tăng cho nguyên liệu thô xuất khẩu, xây dựng các ngành công nghiệp nam châm siêu cường với giá thấp trên thị trường thế giới và buộc đối thủ cạnh tranh phải đóng cửa. Trung Quốc cũng theo đuổi nghiên cứu và phát triển mạnh tìm kiếm những ứng dụng khác của đất hiếm. Thậm chí vào năm 2015, Trung Quốc chiếm hơn 80% tổng sản lượng đất hiếm thế thới nhưng cũng chiếm 70% nhu cầu sử dụng đất hiếm- và đây không hề là một cân bằng cung cấu bất hợp lý.
Khoảng năm 2010, nhiều nhà bình luận cảnh báo vị thế gần như độc quyền của Trung Quốc trên thị trường đất hiếm trong sản xuất nam châm siêu cường có thể làm cho sự chuyển đổi phát triển toàn cầu để xe điện và tua-bin gió không thể thực hiện được -vì động cơ và máy phát điện của xa điện cần có các nam châm siêu cường. Một số báo cáo như vậy vẫn tồn tại vào năm 2017. Nhưng chúng vô nghĩa.
Tất cả những gì mà chiếc máy quay quanh nam châm vĩnh cửu này cũng có thể được thực hiện bằng hai loại động cơ khác mà không có nam châm mà thay vào đó áp dụng phần mềm điều khiển hiện đại và điện tử làm bằng silicon, nguyên tố rắn phổ biến nhất trên trái đất.
Loại đầu tiên là động cơ cảm ứng, phát minh bởi Nikola Tesla 130 năm trước và được sử dụng trong mọi xe điện của Tesla hiện nay. Loại thứ hai, ít được biết đến mặc dù có nguồn gốc nguyên thuỷ từ năm 1842, động cơ SR – từ trở biến đổi – switched reluctance, nó chỉ được làm từ sắt và ít đồng hơn, nhưng sử dụng nguyên tắc hình học và vận hành khác. Nếu được thiết kế, động cơ SR, đơn giản hơn so với động cơ nam châm vĩnh cửu, lực trở tốt hơn vì gồ ghề hơn (và đang được sử dụng rộng rãi, trớ trêu thay, trong các thiết bị khai thác mỏ) dễ bảo dưỡng, và không kém phần nhẹ và nhỏ gọn. Động cơ SR có thể chuyển đổi giữa trong khoản mili giây giữa động cơ và máy phát điện, và quay trong hai hướng. SR cũng dễ kiểm soát linh hoạt hơn nữa, chịu nhiệt hơn, và rẻ hơn cho mô-men xoắn với cùng khối lượng sản xuất. Tài nguyên cho là khan hiếm có liên quan đến các loại máy SR hoá ra lại là quen thuộc.
Cả hai loại máy không dùng nam châm có thể làm tất cả mọi thứ cần thiết không chỉ trong xe điện mà trong cả tua-bin gió, chức năng thường cho là không thể làm được nếu không có hàng tấm neodymium đổ vào đó. Một số tua bin gió và các nhà sản xuất sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu có dùng đất hiếm không có nghĩa là những nhà sản xuất khác cần phải làm theo. Tốt hơn là đừng làm theo, và điều này từ từ đang lan rộng.
Tương tự, các photpho đỏ trong các đèn compact huỳnh quang thường sử dụng europium. Tuy nhiên, những bóng đèn này hiện đã được thay thế chủ yếu bằng đèn LED trắng có sử dụng ít hơn khoảng 96% lượng europium. Hơn nữa, các chất photpho đỏ mới không cần sử dụng các loại đất hiếm, trong khi đó chất photpho xanh lá cây mới nhất lại giảm tới hơn 90% lượng terbium. Erbium trong các bộ lặp sợi quang – một loại vật liệu hiếm có giá trị sử dụng lớn – ban đầu thì có vẻ khó thay thế hơn. Nhưng thực tế cần rất ít erbium, và công suất sợi phải cạnh tranh với những đổi mới băng thông, ghép kênh và không dây ngày nay.
Một số xe hơi kết hợp (hybrid car) , giống như Honda Insight 2001 của tôi, đã sử dụng pin nickel kim loại -hydrua có chứa lanthanum, nhưng hiện nay chúng được thay thế chủ yếu bằng pin lithium. (Cả hai loại pin cũng có thể tái chế, và cơ sở hạ tầng để tái chế đang xuất hiện.) Các pin lithium hàng đầu của Tesla, giống như động cơ của nó, không hề sử dụng đất hiếm. Pin Lithium và các chất thay thế tiềm năng cho pin (đặc biệt là các thiết bị siêu âm graphene) cũng đang xuất hiện.
Hơn nữa, tất cả các loại xe điện cần ít ắquy/pin hơn từ 2 đến 3 lần nếu so sánh cân nặng và kéo dài hơn tuổi thọ của thiết kế, đặc biệt là bằng cách thay thế thép nặng bằng kim loại nhẹ hoặc thậm chí còn nhẹ hơn (nhưng mạnh hơn) khoang ghế khách bằng sợi trong suốt BMW i3 của tôi là một minh hoạ ấn tượng; sợi carbon của nó được thay thế bằng ít pin hơn. Các phương pháp sản xuất mới được thương mại hóa có thể sản xuất cấu trúc carbon như vậy với tốc độ và chi phí của ngành ô tô. Áp dụng trong ngành sản xuất ô tô, như là vật liệu siêu nhẹ (cộng với tính khí động học và lốp xe tốt hơn) có thể tiết kiệm được một nửa lượng dầu mà OPEC sản xuất, gấp khoảng một nửa rưỡi so với Saudi Arabia. Chi phí kiếm được từ những khoản tiết kiệm này sẽ tầm dưới 10 USD / thùng hoặc khoảng một phần năm giá dầu giữa năm 2017.
Do đó hiệu quả thay thế lớn nhất đối với đất hiếm, trong cả động cơ và pin, không phải là một nguyên liệu kỳ lạ để chế tạo động cơ hoặc ắc quy; thiết kế thông minh hơn giúp cho động cơ nhỏ hơn và cần ít pin hơn. Hoặc, thậm chí tốt hơn, nó có thể được trở thành mô hình dịch vụ kinh doanh chia sẻ mới như Zipcar và Getaround, hoạt động di động-như-một-dịch vụ như Lyft và Uber, hoặc cũng với phương tiện đó có thể chở nhiều người hơn với chi phí thấp hơn, cuối cùng có thể tiết kiệm được 10 nghìn tỷ USD trên toàn cầu (giá trị ròng).
Các ví dụ này minh hoạ các hiệu quả của nguồn tài nguyên và quá trình thay thế (các quá trình vượt ra khỏi sử dụng đất hiếm). Khan hiếm, là thực tế hoặc nhận định, sẽ đẩy theo giá cả, sự chú ý, nghiên cứu, phát triển, và trí tưởng tượng. Nó thúc đẩy thăm dò khoáng sản: Lúc cao điểm của thị trường năm 2011, khoảng 190 công ty đã sục sạo hành tinh trái đất ở những vùng có nguyên tố đất hiếm có khả năng mang lại lợi nhuận. Sự khan hiếm làm cho việc sử dụng tài nguyên cuối nguồn có năng suất cao hơn, bền hơn, và chu trình kín hơn, với việc tái chế không còn là một suy nghĩ nhưng một hoạt động kinh doanh bắt buộc. Sự khan hiếm thậm chí còn dẫn dắt một loại nghiên cứu cơ bản mà ở Hoa Kỳ (phần lớn là thông qua cơ quan chính phủ ARPA-E) và ở Nhật Bản gần đây đã đưa ra các nam châm siêu cường thậm chí còn mạnh hơn dựa trên sắt nitride (Fe16N2) và không chứa bất kỳ loại đất hiếm nào. Rất đáng tiếc, thưa Trung Quốc.
Nhớ lại năm 1973 và 1977, khi các cú sốc giá dầu kích hoạt sự phát triển của giải pháp thay thế ngành giao thông cho thị trường và đe dọa dập tắt nhu cầu dầu mỏ? 2010-đó là thời điểm giá đất hiếm tăng vọt tương tự như thời điểm tăng giá dầu mỏ, trở thành lực lượng tăng giá tinh tế nhưng tăng không thể cưỡng lại sẽ làm cho việc duy trì giá đất hiếm cao một cách ổn định là không thể.
Phân tích sai lạc.
Cùng với nhau, những thay đổi về địa chất kinh tế, sử dụng tài nguyên và sáng tạo có sức mạnh lớn. Điều này không phải để nói rằng các vấn đề đất hiếm không tồn tại: ổn định giá vẫn còn là một mối quan tâm lâu dài nếu những nỗ lực lớn hơn để cung cấp những dòng hợp kim có giá trị “nặng” và việc đồng sản xuất đất hiếm lại chỉ có giá trị “nhẹ” hơn. Nhưng mối quan ngại nghiêm trọng về đất hiếm vẫn còn thiếu cơ sở thông tin về sự khan hiếm hoặc độc quyền. Chỉ những bài học của những mối quan tâm trước đó được thông tin gợi lại.
Cuốn sách về kim loại khan hiếm của David Abraham 2015 “Các nguyên tố quyền lực” đã chỉ ra, những quan sát sắc sảo về sự phức tạp của ngành khai khoáng và cơ cấu thị trường, và đưa ra nhiều gợi ý chính sách đúng đắn. Tuy nhiên, Abraham tập trung vào tình trạng khan hiếm và chỉ thảo luận qua loa về giải pháp thay thế cho đất hiểm – điểm mà nếu được phát triển hợp lý sẽ góp phần lớn làm vô hiệu các mối quan ngại về đất hiếm đề cập ở 10 chương trước đó trong cuốn sách. Cách xử lý tập trung vào tình trạng khan hiếm như vậy đã không may củng cố hình thành các mối quan tâm về đất hiếm, và một số nghiên cứu của chính phủ, vào một nỗ lực vận động hành lang thương mại có nghĩa là để hù dọa chúng ta về sự khan hiếm của các kim loại chiến lược, có lẽ với hy vọng gợi ý trợ cấp nhiều hơn để khai thác (là phản ứng đầu tiên của Quốc hội vào năm 2010).
Phân tích sai lầm thường là thủ phạm. Ngay cả trong cuốn sách mà Abraham tương đối cẩn thận mô tả titan như một kim loại “hiếm” (trang 221); thực ra đó là kim loại dồi dào thứ tư trong vỏ Trái đất. Một số tác giả cho rằng lithium, một kim loại nhẹ thỉnh thoảng nhầm lẫn với đất hiếm bởi những người mới với ngành, cũng là quá khan hiếm để hỗ trợ ngành công nghiệp điện xe lớn – đây là một bất ngờ cho các công ty có nguồn lithium ở các nước khác nhau. Một nhà báo trên một trang nhiều thông tin thường lo lắng về nguồn cung palantium cho các tế bào nhiên liệu, đã không nhận thấy rằng phong thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã cắt số tiền cần thiết khoảng gấp mười lần, và xe hơi nhiên liệu sẽ không cần bộ chuyển đổi xúc tác mà cần nhiều platinum.
Kinh tế cuối cùng cũng đi theo sau vật lý. Khi tôi còn là một thanh niên ở Oxford khoảng năm 1970, tôi đã ghé thăm Trường khai khoáng Hoàng gia London, ở đó tôi có bài giới thiệu nhỏ về khai thác mỏ kim loại cho sinh viên năm đầu. Trước sự ngạc nhiên của tôi, giáo sư cấp cao ở đó cho biết ông đã thấy rằng giá của mọi kim loại phi tiền tệ trên thị trường London, cứ đều đều qua hơn một thập kỷ hoặc lâu hơn, và giá có thể được trong dựa vào 3 đặc điểm thuần tuý vật lý, bất chấp có một dãy khổng lồ về giá cả của các kim loại và sự phong phú của nó. Ba điểm chính đó là: 1 – lớp quặng điển hình (có nghĩa là, nồng độ của quặng kim loại mong muốn), 2- quặng đó được nghiền nhỏ thành hạt đến mức độ nào để lộ ra bề mặt của khoáng quặng để có thể được tập trung chiết tách, và 3 – bao nhiêu năng lượng cần thiết để làm chảy kim loại ra khỏi khoáng vật đó. Những biến thể về vật lý đó là những thay thế cho chi phí đầu tư và năng lượng cần thiết. Với một điểm quan trọng – Tôi không biết làm thế nào phân tích của ông (đáng tiếc chưa được công bố) xử lý các chi tiết quan trọng của kim loại được sản xuất là sản phẩm phụ của nhau, mà có rất nhiều phân tích phức tạp về hành vi thị trường. Những phân tích về đặc điểm vật lý của giáo sử có sức mạnh để dự đoán giá kim loại là một đóng góp phi thường đến hiệu quả lâu dài của các thị trường kim loại. Nó cũng thêm vào lưu ý cảnh báo cho bất kỳ tuyên bố nào về sự khan hiếm của một nguyên tố. Sự khan hiếm có xu hướng tự điều chỉnh thông qua giá cả. Đó là cách thị trường cung cầu – hàng hoá tìm thấy sự cân bằng với giá thanh toán bù trừ thị trường.
Đất hiếm được sự chú ý của chuyên gia, cũng như bất kỳ thành phần đặc biệt nào trong các quy trình và sản phẩm quan trọng – coban hoặc gali, indium hoặc phốt pho. Nhưng đất hiếm rất khó có khả năng dịch chuyển cân bằng chiến lược của thế giới hoặc tạo các cuộc khủng hoảng tài nguyên, như nhiều người đam mê đầu tư không kịp thở đã tuyên bố vào năm 2010, vài tháng trước khi mất cả áo sơ mi. Cũng giống như Ả Rập Xê-út nhận ra rằng không thể kiểm soát thị trường dầu thế giới, và Tổng thống Putin của Nga có thể bắt đầu nhận ra rằng nền kinh tế dựa vào cacbon đang gặp khó khăn của ông không trao lợi thế địa chính trị quyết định như ông đã hy vọng, hoạch định chính sách Trung Quốc đã không nghi ngờ gì học được, có lẽ tốt hơn so với một số khách hàng của họ, rằng đất hiếm chỉ đơn giản là một hàng hóa bất thường, có ý nghĩa quan trọng, nhưng không thể vượt qua những thực tế của kinh tế, sáng tạo, và thương mại.
Chuyên gia vật lý và năng lượng Amory Lovins là đồng sáng lập và nhà khoa học đứng đầu ở Viện Rocky Mountain, một tổ chức nghiên cứu độc lập, phi lợi nhuận. Ông đã viết 31 cuốn sách và hơn 600 tờ báo, tư vấn cho các công ty lớn và các chính phủ trên toàn thế giới, và nhận được 12 bằng tiến sĩ danh dự và nhiều giải thưởng quốc tế. Chính sách đối ngoại đã đặt tên cho ông là một trong số 100 nhà tư tưởng toàn cầu hàng đầu.
CVD 