Nhật Bản tiến tới khai thác đất hiếm dưới đáy biển sâu để giảm phụ thuộc vào Trung Quốc

Đất hiếm dưới đáy biển sâu gần Minamitorishima chuyển từ lý thuyết sang thử nghiệm

Nhật Bản đang chuẩn bị cho nỗ lực đầu tiên trên thế giới nhằm đưa bùn giàu đất hiếm lên từ đáy biển sâu gần Minamitorishima, một đảo san hô xa xôi cách Tokyo khoảng 1.900 đến 2.000 km về phía đông nam. Các nhà hoạch định chính sách của chính phủ cho biết hoạt động khai thác thử sẽ bắt đầu vào tháng 1/2026, ở độ sâu từ 5.000 đến 6.000 mét. Mục tiêu không phải là lợi nhuận nhanh chóng, mà là bảo đảm nguồn cung trong nước ổn định các kim loại nền tảng cho xe điện, tua-bin gió, điện thoại thông minh, thiết bị y tế và vũ khí tiên tiến. Cuộc thử nghiệm diễn ra sau khi Trung Quốc siết kiểm soát xuất khẩu một số nguyên tố đất hiếm thiết yếu, khiến các hãng sản xuất ô tô và điện tử trên khắp thế giới lo ngại.

Tài nguyên Nhật Bản nhắm tới có đặc điểm khác thường. Các cuộc khảo sát trong vùng đặc quyền kinh tế của Nhật Bản đã xác định những lớp bùn có nồng độ nguyên tố đất hiếm cao, bao gồm các nhóm nặng và trung bình vốn khan hiếm, đắt đỏ. Các nhà nghiên cứu ước tính trữ lượng quanh Minamitorishima vào khoảng 16 triệu tấn, với hàm lượng của một số nguyên tố cao hơn các mỏ trên đất liền thông thường. Một phân tích năm 2018 của các nhà khoa học Nhật Bản cho rằng mỏ này có thể cung cấp một số loại đất hiếm trong hàng trăm năm, ước tính từ khoảng 420 đến 780 năm tùy nguyên tố. Tiềm năng đó đã đưa Minamitorishima thành tài sản chiến lược trong bối cảnh cuộc cạnh tranh toàn cầu về khoáng sản thiết yếu ngày càng gay gắt.

Biến tiềm năng thành nguồn cung mới là phần khó khăn. Khai thác ở độ sâu 6.000 mét chưa từng được thực hiện trên quy mô lớn. Cuộc thử nghiệm sẽ hạ các đường ống từ một tàu nghiên cứu biển sâu do Cơ quan Khoa học và Công nghệ Biển-Trái đất Nhật Bản vận hành, đưa bùn lên mặt nước rồi chuyển vào đất liền để phân tích và tách các nguyên tố như dysprosium, terbium, neodymium và gadolinium. Nếu thử nghiệm thành công, Nhật Bản dự kiến chuyển sang hệ thống thí điểm vào tháng 1/2027, có thể thu hồi khoảng 350 tấn bùn mỗi ngày. Các quan chức không né tránh những đánh đổi. Mỗi chuyến đi sẽ tốn kém, biên độ an toàn trong thiết kế kỹ thuật rất nhỏ và cần có năng lực tinh luyện mới trước khi kim loại đến được các nhà máy. Những chuyến giao hàng thương mại đầu tiên dự kiến vào năm 2028, nhưng thành công phụ thuộc vào công nghệ, giá cả và hỗ trợ chính sách.

Vì sao những kim loại này quan trọng trong đời sống hiện đại

Đất hiếm là một nhóm gồm 17 nguyên tố kim loại giúp thiết bị điện tử hiện đại và công nghệ năng lượng sạch nhỏ gọn, bền chắc và hiệu quả hơn. Những nguyên tố quen thuộc nhất gồm neodymium, praseodymium và samarium, thiết yếu để tạo ra nam châm vĩnh cửu mạnh bên trong động cơ xe điện và máy phát điện tua-bin gió. Các nguyên tố nặng hơn như dysprosium và terbium giúp nam châm duy trì hiệu suất ở nhiệt độ cao, yếu tố quan trọng đối với hệ truyền động và linh kiện hàng không vũ trụ. Một số nguyên tố khác, trong đó có yttrium, europium và gadolinium, được dùng trong màn hình, laser, chẩn đoán hình ảnh y tế và các hợp kim chuyên dụng.

Trung Quốc chi phối cả hoạt động khai thác lẫn chế biến đất hiếm, đặc biệt là khâu tinh luyện thành oxit, kim loại và hợp kim nam châm mà các nhà sản xuất thực sự sử dụng. Sự tập trung này tạo ra một điểm nghẽn. Năm nay, Bắc Kinh mở rộng kiểm soát xuất khẩu đối với một số loại đất hiếm trung bình và nặng, nối tiếp các hạn chế trước đó. Những động thái này làm gián đoạn kế hoạch cung ứng, gây biến động giá và gia tăng rủi ro địa chính trị cho các nhà sản xuất. Mỹ đáp trả bằng những đe dọa áp thuế mới, còn các chính phủ đồng minh kêu gọi phối hợp để đa dạng hóa nguồn cung.

Nhật Bản từng trải qua tình cảnh tương tự. Năm 2010, một cuộc đối đầu ngoại giao khiến xuất khẩu đất hiếm của Trung Quốc sang Nhật Bản giảm mạnh. Khi đó, Nhật Bản phụ thuộc vào Trung Quốc khoảng 90% nhu cầu. Các nỗ lực đa dạng hóa kể từ đó, bao gồm những hợp đồng mới tại Australia, Ấn Độ và Kazakhstan, cùng đầu tư vào các nhà máy tinh luyện ở Malaysia và Việt Nam, đã giảm tỷ lệ này xuống còn chưa đến 60%. Tuy nhiên, rủi ro vẫn còn. Chỉ một gián đoạn ngắn cũng có thể lan tới các dây chuyền sản xuất, như đã xảy ra khi biện pháp kiểm soát xuất khẩu hồi đầu năm buộc Nissan và Suzuki tạm dừng một số hoạt động lắp ráp.

Điều gì khiến Minamitorishima khác biệt

Tài nguyên ở Minamitorishima không phải là thân quặng trên đất liền theo cách thông thường hay một mỏ khoáng vật đá cứng. Đó là bùn. Các mẫu lõi khoan và khảo sát cho thấy hỗn hợp khác thường với nồng độ đất hiếm nặng và trung bình cao hơn. Điều này quan trọng vì các nguyên tố nặng khan hiếm hơn và có giá cao hơn. Bùn cũng chứa ít sản phẩm phụ phóng xạ hơn so với nhiều loại quặng đất hiếm trên đất liền, giúp giảm một số nguy cơ trong chế biến và khó khăn khi xử lý chất thải.

Địa lý vừa là lợi thế vừa là bất lợi. Mỏ nằm trong vùng đặc quyền kinh tế của Nhật Bản, giúp Tokyo kiểm soát hoạt động thăm dò và khai thác. Địa điểm này hẻo lánh, cách đảo san hô khoảng 100 đến 150 km, ở độ sâu từ 5.000 đến 6.000 mét. Vị trí biệt lập làm công tác hậu cần và ứng phó khẩn cấp phức tạp hơn, còn độ sâu cực lớn đẩy giới hạn của công nghệ ngoài khơi hiện nay. Khác với các khối kết hạch mangan nằm trên đáy biển ở những khu vực khác của Thái Bình Dương, mục tiêu tại đây là bùn hạt mịn cần được bơm dưới dạng huyền phù. Để đạt quy mô kinh tế trong bất kỳ hoạt động nào sau này, các kỹ sư phải thu gom vài nghìn tấn mỗi ngày.

Hàm lượng nguyên tố đất hiếm nặng khác thường

Các phân tích nhấn mạnh sự hiện diện của dysprosium và terbium trong bùn Minamitorishima, bên cạnh neodymium và gadolinium. Thành phần giàu nguyên tố nặng này tạo nên khác biệt so với nhiều mỏ trên đất liền bên ngoài Trung Quốc, vốn thường giàu các nguyên tố nhẹ hơn. Tiềm năng tài nguyên biển của Nhật Bản không chỉ có bùn đất hiếm. Một cuộc khảo sát riêng do các nhà nghiên cứu Nhật Bản dẫn đầu đã xác định hơn 200 triệu tấn khối kết hạch mangan chứa lượng đáng kể coban và niken, ở độ sâu khoảng 5.500 mét tại khu vực rộng lớn hơn của Thái Bình Dương. Ước tính có khoảng 610.000 tấn coban, tương đương khoảng 75 năm tiêu thụ của Nhật Bản theo mức hiện nay, và khoảng 740.000 tấn niken, tương đương khoảng 11 năm nhu cầu trong nước. Những con số này làm nổi bật giá trị chiến lược rộng lớn hơn của tài nguyên đáy biển, đồng thời cho thấy quy mô thách thức về kỹ thuật.

Nhật Bản dự định khai thác ở độ sâu 6.000 mét như thế nào

Dự án của chính phủ do một nền tảng quốc gia về phát triển biển đổi mới quản lý, phối hợp với Cơ quan Khoa học và Công nghệ Biển-Trái đất Nhật Bản. Các đường ống được hạ từ tàu nghiên cứu sẽ đưa bùn từ đáy biển lên mặt nước. Con tàu, trong đó có tàu khoan siêu sâu Chikyu, có thể xử lý tải trọng lớn và các dải ống dài. Những thử nghiệm ban đầu sẽ tập trung chứng minh tính khả thi. Một đợt khai thác dự kiến thu hồi khoảng 35 tấn bùn để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm; lượng bùn này có thể chứa vài chục kilôgam nguyên tố đất hiếm. Nếu thành công, dự án sẽ mở đường cho hệ thống thí điểm vào năm 2027, được thiết kế để xử lý 350 tấn mỗi ngày, đủ để thử nghiệm quy trình tách và tinh luyện ở quy mô lớn.

Đường ống, bơm và huyền phù

Bùn đáy biển có độ đặc như đất sét. Để đưa bùn lên qua cột nước sâu từ 5.000 đến 6.000 mét, các đơn vị vận hành phải trộn bùn với nước biển để tạo thành huyền phù ổn định. Huyền phù này phải chảy qua đường ống dài hơn các dải ống thường dùng trong hoạt động dầu khí nước sâu. Nhiều ống đứng trong ngành dầu khí dài khoảng 3.500 mét. Đường ống dài hơn sẽ tăng trọng lượng và nguy cơ rung lắc. Các kỹ sư đã mô hình hóa động lực học đường ống để tránh dao động cộng hưởng có thể gây mỏi vật liệu. Thiết bị đặt dưới đáy biển phải chắc chắn nhưng đơn giản, vì việc bảo trì ở độ sâu đó vừa nguy hiểm vừa chậm trễ. Các nhóm Nhật Bản đã phát triển máy nghiền bùn thành hạt khoảng 4 mm hoặc nhỏ hơn, giúp bơm dễ hơn đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng. Thiết kế hệ thống cũng tính đến các lớp trầm tích yếu bên dưới lớp bùn và điều chỉnh kết cấu móng để không bị lún hoặc sụp dưới tải trọng.

Từ tàu lên bờ

Sau khi được đưa lên tàu, huyền phù sẽ được tách nước rồi vận chuyển vào đất liền để tách các nguyên tố đất hiếm thành oxit và kim loại. Các quan chức đã thảo luận về việc xây dựng một cơ sở sơ chế nhỏ tại Minamitorishima trong những giai đoạn sau nhằm giảm khối lượng vận chuyển. So với nhiều loại quặng trên đất liền, bùn biển sâu chứa tương đối ít thorium và uranium phóng xạ, giúp đơn giản hóa việc xử lý chất thải. Dù vậy, các công đoạn ở khâu trung nguồn vẫn phức tạp. Cần có năng lực tinh luyện mới, bởi quá trình tách đất hiếm gồm nhiều bước chiết dung môi lặp lại, kiểm soát pH cẩn thận và bảo đảm chất lượng nghiêm ngặt để đạt độ tinh khiết cần thiết cho nam châm hiệu suất cao và linh kiện điện tử.

Rủi ro môi trường và tranh luận khoa học

Khai thác dưới đáy biển sâu gây tranh cãi. Các nhà khoa học cảnh báo hệ sinh thái ở độ sâu thẳm còn ít được hiểu rõ và phục hồi chậm. Các đám mây trầm tích do thiết bị thu gom và máy bơm khuấy lên có thể phủ lấp sinh vật ăn lọc và làm thay đổi hóa học của nước. Tiếng ồn từ thiết bị hạng nặng có thể ảnh hưởng đến động vật có vú sống ở biển và cá. Ngoài ra còn có lo ngại về phạm vi di chuyển của các hạt mịn trong cột nước và khả năng kim loại vi lượng xâm nhập vào chuỗi thức ăn. Những rủi ro này khó định lượng vì hiện có rất ít nghiên cứu được kiểm soát ở quy mô đang được cân nhắc cho hoạt động thương mại.

Chương trình của Nhật Bản được triển khai theo từng giai đoạn, tạo thời gian thu thập dữ liệu môi trường và điều chỉnh phương pháp. Hoạt động khai thác thử tại Minamitorishima sẽ lập bản đồ diễn biến của các đám mây trầm tích theo dòng chảy địa phương và đo mức độ trầm tích lắng trở lại. Các kỹ sư có thể điều chỉnh tốc độ bơm, đầu thu gom và điểm xả để hạn chế phát tán hạt. Khi đánh giá giấy phép trong tương lai, cơ quan quản lý sẽ xem xét quy mô khu vực tác động, lịch khai thác theo mùa và hoạt động giám sát đa dạng sinh học. Cơ sở khoa học cho việc thận trọng là rất vững chắc, và tranh luận về mức độ rủi ro có thể chấp nhận được sẽ song hành với nỗ lực phát triển công nghệ.

Quy định quốc tế cũng đang thay đổi. Cơ quan Quản lý Đáy biển Quốc tế dự kiến hoàn tất bộ quy tắc khai thác đối với hoạt động tại vùng biển quốc tế. Địa điểm Minamitorishima nằm trong vùng biển Nhật Bản nên áp dụng luật trong nước. Dù vậy, các tiêu chuẩn toàn cầu và kỳ vọng của bên cho vay vẫn ảnh hưởng đến hoạt động tài trợ và các thỏa thuận bao tiêu. Một số ngân hàng lớn đã siết chính sách tài trợ cho các dự án khai thác dưới đáy biển sâu cho đến khi tác động môi trường được hiểu rõ hơn.

Kinh tế, chi phí và bên chi trả

Đây là dự án do chính phủ dẫn dắt, được định hình như một chính sách kinh tế và an ninh quốc gia. Mục tiêu là xây dựng nguồn cung khoáng sản thiết yếu trong nước, ngay cả khi chi phí ban đầu cao hơn giá thị trường. Mỗi chuyến đi ngoài khơi dự kiến tốn hơn 150 triệu yen. Hệ thống đường ống chuyên dụng cho độ sâu 6.000 mét và thiết bị liên quan có giá hàng chục tỷ yen; một gói mua sắm được cho là trị giá khoảng 12 tỷ yen. Để mở rộng từ thử nghiệm chứng minh tính khả thi lên nhà máy thí điểm rồi vận hành ổn định, sẽ cần tàu mới, thiết bị dưới biển và nhà máy trên bờ. Tổng vốn đầu tư rất lớn, còn quá trình tích lũy kinh nghiệm sẽ đầy thách thức.

Giá cả và chính sách sẽ quyết định tính khả thi về thương mại. Nếu nhu cầu nam châm tăng nhanh hơn dự kiến hoặc kiểm soát xuất khẩu tiếp tục thắt chặt, giá cao hơn có thể bù đắp chi phí ngoài khơi. Giá giảm sẽ đẩy thời điểm hòa vốn ra xa hơn. Một trở ngại khác là tinh luyện. Trung Quốc nắm phần lớn năng lực tách đất hiếm toàn cầu, đặc biệt với các nguyên tố nặng và trung bình. Xây dựng toàn bộ chuỗi tinh luyện tại Nhật Bản hoặc các nước đối tác cần thời gian, đồng thời đòi hỏi hợp đồng dài hạn với các nhà sản xuất nam châm để bảo đảm hiệu quả đầu tư. Tài chính cũng là một điểm gây sức ép. Một số tổ chức cho vay quốc tế đã hạn chế tài trợ các dự án biển sâu cho đến khi có đánh giá tác động môi trường toàn diện.

Các quan chức nhấn mạnh cần kiên nhẫn. Sản lượng ban đầu sẽ khiêm tốn, sau đó tăng lên nếu hệ thống thí điểm chứng minh được độ tin cậy. Mục tiêu là tích lũy bí quyết trên toàn chuỗi, từ khai thác đến sản xuất oxit, kim loại và hợp kim nam châm, ngay cả khi chi phí đơn vị ban đầu cao hơn hàng nhập khẩu. Lợi ích đạt được sẽ là một phương án bảo hiểm trước các cú sốc nguồn cung và nền tảng để mở rộng khi công nghệ tiến bộ.

Trung Quốc, chuỗi cung ứng và cục diện chính trị khoáng sản mới

Cuộc cạnh tranh đất hiếm không thể tách rời chính trị. Trung Quốc siết kiểm soát xuất khẩu hồi tháng 4 đối với một số loại đất hiếm trung bình và nặng, như dysprosium và terbium, vốn thiết yếu cho nam châm chịu nhiệt độ cao. Ngày 9/10, Bắc Kinh mở rộng các biện pháp kiểm soát này và bổ sung thêm nhiều nguyên tố vào danh sách. Các quan chức tại Washington gọi đây là mối đe dọa trực tiếp đối với chuỗi cung ứng công nghiệp. Mỹ phát tín hiệu rằng mức thuế bổ sung lên tới 100% đối với hàng nhập khẩu từ Trung Quốc đang được cân nhắc, còn các chính phủ đồng minh kêu gọi phối hợp để ngăn tái diễn những gián đoạn trong quá khứ.

Nhật Bản đã tăng cường xây dựng các quan hệ đối tác rộng hơn. Hợp tác với Mỹ, Ấn Độ và Australia được đẩy nhanh, còn Tokyo cũng thảo luận về hợp tác chuỗi cung ứng với Liên minh châu Âu. Các cuộc đàm phán bao gồm thăm dò, chia sẻ dữ liệu, tinh luyện và dự trữ. Nỗ lực này phản ánh xu hướng rộng hơn của các nền kinh tế phát triển nhằm phân tán rủi ro giữa các khu vực và giảm các điểm yếu đơn lẻ trong nguồn cung khoáng sản thiết yếu.

Các nước láng giềng trong khu vực cũng đang thăm dò đáy biển. Chẳng hạn, quần đảo Cook đã mở một phần vùng biển của mình cho hoạt động thăm dò các khối kết hạch giàu niken, coban và mangan. Trong khi Cơ quan Quản lý Đáy biển Quốc tế vẫn đang soạn thảo quy định cho vùng biển quốc tế, các dự án quốc gia trong vùng đặc quyền kinh tế, như của Nhật Bản, có thể tiến hành theo quy định trong nước. Mức độ chấp nhận vật liệu khai thác biển sâu của người mua sẽ phụ thuộc vào tiêu chuẩn môi trường, khả năng truy xuất nguồn gốc và niềm tin của công chúng vào hoạt động giám sát.

Nhật Bản có thể xây dựng chuỗi giá trị hoàn chỉnh không

Đa dạng hóa nguồn cung mới chỉ là một bước. Để bảo đảm khả năng chống chịu thực sự, Nhật Bản cần mở rộng năng lực ở các khâu trung nguồn và hạ nguồn. Điều đó đồng nghĩa với việc xây dựng nhà máy tách các nguyên tố nặng và trung bình, sản xuất kim loại và chế tạo hợp kim nam châm. Nhật Bản đã hỗ trợ đầu tư tại Malaysia và Việt Nam để mở rộng hoạt động tinh luyện bên ngoài Trung Quốc, nhưng các nguyên tố nặng vẫn là mắt xích khan hiếm nhất. Bùn Minamitorishima có triển vọng ở phương diện này, với điều kiện có thể tách các nguyên tố hiệu quả và đạt độ tinh khiết tương đương.

Giảm nhu cầu là một đòn bẩy khác. Các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất đang phát triển loại nam châm sử dụng ít đất hiếm hơn hoặc không cần đến đất hiếm. Một số thiết kế ban đầu có thể thay thế một phần dysprosium hoặc chuyển sang thành phần ít khan hiếm hơn, dù phải đánh đổi về kích thước hoặc hiệu suất. Hoạt động tái chế cũng đang tiến triển. Nissan và Đại học Waseda đang phát triển quy trình thu hồi đất hiếm từ động cơ hết vòng đời và phế liệu nam châm. Nhật Bản đã tăng dự trữ chiến lược, đồng thời xây dựng các hệ thống thu gom và tái chế linh kiện có giá trị từ sản phẩm đã qua sử dụng. Những bước này giúp kéo dài thời gian, nhưng không xóa được khoảng cách do Trung Quốc dẫn trước trong khâu chế biến.

Hậu cần cũng quan trọng không kém luyện kim. Minamitorishima cách xa các trung tâm công nghiệp, vì vậy ngay cả những cải thiện nhỏ trong lịch trình tàu, sơ chế tại chỗ và đóng container cũng có thể giảm chi phí. Các quan chức đã thảo luận về việc xây dựng một nhà máy tinh luyện đơn giản gần đảo san hô trong những giai đoạn sau để giảm khối lượng vận chuyển vào đất liền. Nếu hệ thống thí điểm đạt mục tiêu trong năm 2027, nguồn cung cho doanh nghiệp tư nhân có thể bắt đầu vào khoảng năm 2028. Thử thách cuối cùng là cung cấp vật liệu ổn định, đạt chuẩn cho các nhà sản xuất nam châm. Nếu vượt qua được trở ngại này, Nhật Bản sẽ có một nguồn thay thế thực sự cho một số kim loại chiến lược nhất trong nền kinh tế hiện đại.

Điểm chính

• Nhật Bản sẽ bắt đầu khai thác thử bùn giàu đất hiếm ở độ sâu từ 5.000 đến 6.000 mét ngoài khơi Minamitorishima vào tháng 1/2026, lần đầu tiên trên thế giới ở độ sâu này.
• Các cuộc khảo sát cho thấy mỏ có thể chứa khoảng 16 triệu tấn đất hiếm, với tỷ lệ cao các nguyên tố nặng và trung bình như dysprosium và terbium.
• Mục tiêu là xây dựng nguồn cung trong nước phục vụ an ninh quốc gia; hệ thống thí điểm hướng tới xử lý 350 tấn bùn mỗi ngày từ tháng 1/2027, với khả năng cung cấp cho khu vực tư nhân từ năm 2028.
• Những thách thức kỹ thuật gồm đường ống dài 6.000 mét, vận chuyển huyền phù ổn định, thiết bị dưới đáy biển và năng lực tinh luyện mới trên đất liền.
• Rủi ro môi trường tập trung vào các đám mây trầm tích và hệ sinh thái biển sâu; các thử nghiệm theo từng giai đoạn được thiết kế để thu thập dữ liệu và điều chỉnh phương pháp.
• Chi phí rất cao: mỗi chuyến đi vượt 150 triệu yen, còn thiết bị chuyên dụng có giá hàng chục tỷ yen.
• Kiểm soát xuất khẩu đất hiếm của Trung Quốc vào tháng 4 và ngày 9/10 làm nổi bật rủi ro với chuỗi cung ứng; Nhật Bản đã giảm mức phụ thuộc vào Trung Quốc từ khoảng 90% năm 2010 xuống còn chưa đến 60% hiện nay.
• Nhật Bản đang mở rộng quan hệ đối tác với Mỹ, Ấn Độ, Australia và Liên minh châu Âu, trong khi Cơ quan Quản lý Đáy biển Quốc tế thúc đẩy xây dựng quy định cho vùng biển quốc tế.
• Tái chế, nghiên cứu vật liệu thay thế và dự trữ chiến lược là một phần trong kế hoạch của Nhật Bản, nhưng năng lực tinh luyện các nguyên tố nặng bên ngoài Trung Quốc vẫn hạn chế.
• Nếu các cuộc thử nghiệm thành công, Minamitorishima có thể trở thành nguồn cung khoáng sản thiết yếu dài hạn và là vùng đệm trước các cú sốc nguồn cung trong tương lai.