Trong bối cảnh nhu cầu lithium toàn cầu tăng vọt vì xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng, một hướng tiếp cận hoàn toàn mới đang được các nhà nghiên cứu Mỹ theo đuổi. Thay vì đào mỏ hay bơm nước muối từ lòng đất, họ muốn thả hàng triệu robot siêu nhỏ xuống đại dương để “bơi” và chủ động bắt giữ ion lithium.
Dự án do tiến sĩ Shiren Wang thuộc Khoa Kỹ thuật Công nghiệp và Hệ thống, cùng tiến sĩ Jingjing (Jenny) Qiu thuộc Khoa Cơ khí của Đại học Texas A&M tại College Station chủ trì. Nhóm nhận được 1 triệu USD từ Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) trong khuôn khổ chương trình hỗ trợ 19 sáng kiến nhằm tăng cường chuỗi cung ứng khoáng sản quan trọng. Công nghệ tập trung vào các robot vi mô và nano có hình dạng và chuyển động mô phỏng cá, có thể di chuyển tự do trong nước biển nhờ kích thích từ ánh sáng hoặc các lực bên ngoài khác.
Nước biển – nguồn lithium tiềm năng gần như vô tận mà các nhà khoa học Texas A&M đang hướng tới khai thác bằng robot siêu nhỏ.
Theo giải thích của tiến sĩ Qiu, những robot này được thiết kế để chủ động tìm kiếm và giữ lấy ion lithium thay vì chờ nước chảy qua hệ thống lọc cố định. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, chúng được thu hồi bằng từ trường, rửa sạch và tái sử dụng. “Khác với khai thác mỏ đào xới đất đai hoặc bơm nước muối từ dưới lòng đất tiêu tốn năng lượng lớn, những robot vi mô/nano tự hành này di chuyển tự do trong nước biển để thu lithium với hầu như không tạo ra dấu chân hạ tầng nào”, Qiu nhấn mạnh.
Nước biển chứa lithium với nồng độ rất thấp, khoảng 0,17 đến 0,2 phần triệu. Việc tách chọn lọc lithium khỏi hàng loạt ion khác như natri, magiê, canxi vốn có mặt với số lượng lớn hơn nhiều lần luôn là thách thức lớn nhất. Nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng đây là rào cản kỹ thuật cần vượt qua trước khi công nghệ có thể triển khai ở quy mô công nghiệp. Họ sẽ tập trung nâng cao hiệu suất chọn lọc, kiểm tra độ bền của robot trong môi trường biển khắc nghiệt và xây dựng phương pháp mở rộng sản xuất.
Minh họa khái niệm robot siêu nhỏ tự bơi trong môi trường nước, tương tự hướng nghiên cứu đang được phát triển tại Đại học Texas A&M.
Bối cảnh của dự án rất rõ ràng. Pin lithium-ion hiện chiếm ưu thế tuyệt đối trong xe điện nhờ mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và khả năng sạc nhanh. Nhu cầu lithium toàn cầu được dự báo tăng gấp ba lần vào năm 2030 và gấp 4,2 lần vào năm 2035 so với mức năm 2024. Xe điện cùng hệ thống lưu trữ pin đã chiếm khoảng 61% lượng tiêu thụ lithium hiện nay và con số này dự kiến vượt 90% vào năm 2040. Trong khi đó, Mỹ vẫn phụ thuộc đáng kể vào nguồn nhập khẩu, khiến việc tìm kiếm nguồn cung trong nước trở thành ưu tiên an ninh kinh tế và quốc gia.
Các phương pháp truyền thống đang bộc lộ hạn chế. Khai thác mỏ cứng đòi hỏi phá hủy địa hình, tiêu tốn nước và năng lượng lớn. Chiết xuất từ nước muối dưới lòng đất mất nhiều tháng đến vài năm để bay hơi và cũng gây áp lực lớn lên nguồn nước ngọt. Công nghệ robot nano nếu thành công sẽ mang lại lợi thế kép: nguồn cung gần như vô hạn từ đại dương và tác động môi trường thấp hơn rõ rệt vì không cần xây dựng hạ tầng khai thác cố định trên đất liền.
Dự án không đứng một mình. Nó nằm trong nỗ lực rộng lớn hơn của chính phủ Mỹ nhằm đa dạng hóa nguồn khoáng sản chiến lược, bao gồm tái chế, thăm dò mỏ mới và các công nghệ khai thác từ môi trường biển. Texas A&M vốn có thế mạnh về vi robot và khoa học vật liệu, nên được kỳ vọng sẽ đóng góp quan trọng vào hướng đi này.
Tuy nhiên, con đường từ phòng thí nghiệm đến đại dương thực tế còn dài. Robot phải hoạt động ổn định trong môi trường muối, áp suất và dòng chảy phức tạp. Chi phí sản xuất hàng loạt và hiệu quả thu hồi lithium trên đơn vị thể tích nước biển cần được chứng minh rõ ràng. Nếu vượt qua được những trở ngại này, công nghệ có thể trở thành một mảnh ghép quan trọng giúp Mỹ giảm phụ thuộc bên ngoài và hỗ trợ mục tiêu chuyển đổi năng lượng sạch.
Từ góc nhìn dài hạn, việc “nuôi” robot siêu nhỏ trong đại dương để thu hoạch tài nguyên phản ánh sự chuyển dịch tư duy của ngành khoáng sản. Thay vì chỉ khai thác từ đất liền, con người bắt đầu nhìn đại dương như một mỏ khoáng sản lỏng khổng lồ. Nếu thành công, lithium từ nước biển không chỉ phục vụ pin xe điện mà còn mở ra khả năng áp dụng tương tự cho các nguyên tố hiếm khác trong tương lai.