Ẩn sâu trong lòng đất, dưới những ngọn núi lửa, là một kho báu kim loại quý giá đang sôi sục. Các nhà địa chất đã phát hiện ra rằng ngoài đá nóng chảy, còn có một lớp nước muối magma giàu lithium, đồng và coban - những nguồn tài nguyên thiết yếu cho quá trình chuyển đổi năng lượng.

Núi lửa Soufriere Hills trên đảo Montserrat, thuộc vùng biển Caribbean. Các luồng hơi nước nóng phun trào từ đỉnh núi cho thấy sự hiện diện của nhiệt và các chất bay hơi (H2O, CO2) bên dưới núi lửa. Ảnh: Jon Blundy.

Việc khám phá và tiếp cận các nguồn tài nguyên khoáng sản khả thi luôn là một thách thức lớn trong ngành khai thác mỏ, đòi hỏi nhiều thời gian, tiền bạc và công nghệ.  Ngay cả khi đáp ứng được những yếu tố này, ngành khai thác mỏ vẫn không thể tránh khỏi việc gây ô nhiễm khi khai thác tài nguyên thiên nhiên từ lòng đất và sử dụng công nghệ tiêu tốn nhiều năng lượng để nghiền và tinh chế quặng.

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của quá trình chuyển đổi năng lượng, ngành khai thác mỏ cần tìm ra những giải pháp sạch hơn và dễ dàng hơn. Một giải pháp tiềm năng đang thu hút sự chú ý là khai thác từ núi lửa. Với khả năng xác định dễ dàng hơn và nguồn năng lượng địa nhiệt có sẵn, các nhà nghiên cứu tin rằng núi lửa có thể giải quyết các vấn đề khai thác mỏ, cũng như thách thức về thạch quyển.

Khai thác nước muối núi lửa thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng

Ngành khai thác mỏ đang phải đối mặt với vô vàn thách thức, từ năng suất, kiểm soát chi phí, áp lực ESG, thiếu hụt lao động đến chuỗi cung ứng gặp khó khăn. Tuy nhiên, ngành công nghiệp này cũng là một phần không thể thiếu của quá trình chuyển đổi năng lượng, cung cấp các kim loại thiết yếu cho các thành phần lưu trữ và chuyển giao năng lượng, nhất là trong bối cảnh nhu cầu về các nguyên liệu cho pin như đồng, lithium, coban, niken và than chì đang ngày một gia tăng. Thách thức lớn nhất mà ngành hiện phải đối mặt là xác định và tiếp cận các nguồn tài nguyên khoáng sản khả thi.

Magma, nằm trong một khoang bên dưới núi lửa, giải phóng các khí giàu kim loại lên trên bề mặt Trái đất. Khi magma phun trào, áp suất giảm xuống, các khí sau đó tách thành hơi nước và nước muối. Hơi nước phun ra từ núi lửa còn nước muối, mặn hơn nước biển khoảng 10 lần và giữ lại hầu hết các khoáng chất, thì tích tụ trong đá. Những "thấu kính" nước muối này, được gọi như vậy vì hình dạng đặc biệt của chúng, có xu hướng lắng xuống ở độ sâu từ 2 đến 4 km dưới lòng đất. Nó trải ra theo chiều ngang và chứa các kim loại cơ bản, kiềm và thậm chí cả kim loại quý, bao gồm đồng, kẽm, chì, vàng, bạc và lithium.

Jon Blundy, một nhà khoa học về trái đất tại Trường Cao đẳng Oxford Martin, Đại học Oxford, Giáo sư nghiên cứu của Hội Hoàng gia, gọi những thấu kính nước muối magma này là "quặng lỏng". Ông và các đồng nghiệp đã ước tính rằng một thấu kính duy nhất hình thành trong hơn 10.000 năm có thể chứa 1,4 megaton đồng. Ngoài ra, sự cân bằng chính xác của kim loại quý, kim loại cơ bản, lithium và khoáng chất đất hiếm hòa tan bên trong “các thấu kính” phụ thuộc vào vị trí và loại hình núi lửa. Theo Blundy, đây sẽ là một giải pháp thay thế khả thi cho việc khai thác các nốt sần đa kim loại từ đáy biển, đồng thời gây ít thiệt hại hơn cho các hệ sinh thái dễ bị tổn thương. Các mẫu hơi núi lửa được thu thập bằng máy bay không người lái, cùng với các dòng chảy hoặc trầm tích bề mặt núi lửa, có thể chỉ ra các kim loại tiềm năng nằm sâu bên dưới.

Quy trình khai thác nước muối núi lửa

Với các khoáng chất đã hòa tan, nước muối núi lửa cần xử lý ít hơn và tạo ra ít chất thải hơn so với vật liệu khai thác trên đất liền. Ví dụ, trong khai thác đồng truyền thống, khoảng 99% đá nghiền là chất thải.

Nước muối từ các mỏ dầu nông, được sản xuất thông qua quá trình khoan dầu, cũng đang thu hút sự quan tâm thương mại. Ví dụ, hệ tầng Smackover ở bang Arkansas, Mỹ, từ lâu đã được khai thác để lấy nhiên liệu hóa thạch và được bơm để tách nước muối giàu brom. Nước muối này chứa đủ lithium để việc chế biến trở nên đáng giá, nhờ vào giá khoáng sản tăng và cơ sở hạ tầng khai thác sẵn có. Hiện Tập đoàn dầu khí hàng đầu thế giới ExxonMobil đang khoan giếng lithium đầu tiên của mình tại đây, với kế hoạch bắt đầu sản xuất vào năm 2027. Ngoài ra, lithium cũng được khai thác từ các mỏ nước muối nằm dưới các bãi muối ở các quốc gia như Chile và Bolivia.

Các nhà máy địa nhiệt, bao gồm quá trình khoan sâu, sản xuất nước muối địa nhiệt. Từng được coi là sản phẩm phụ, nước muối địa nhiệt hiện được đánh giá cao về giá trị khai thác. Lấy ví dụ, các công ty ở Cornwall, tây nam nước Anh, đang nghiên cứu cách tối ưu để thu hồi các kim loại và khoáng chất từ một nhà máy địa nhiệt địa phương.

Chứa nồng độ khoáng chất quý giá cao hơn và ít tạp chất hơn so với các nguồn tài nguyên khác, nước muối magma trở thành một mục tiêu khai thác hấp dẫn và có giá trị hơn. Một số nhà máy địa nhiệt cung cấp một đường ống dẫn để tiếp cận kho báu dưới núi lửa này. Theo báo cáo của Tạp chí Học viện Kỹ thuật Hoàng gia Ingenia, nhiều nhóm nghiên cứu đang khám phá khái niệm thu hồi nước muối magma từ các địa điểm năng lượng địa nhiệt ở Nhật Bản, New Zealand, Iceland và Đức.

Thách thức kỹ thuật là rất lớn: phải khoan các lỗ sâu tới 4km vào đá nóng chảy tới 400°C; bảo vệ giếng khỏi sụp đổ và ăn mòn bởi chất lỏng có tính axit cao; ngăn chặn sự lắng đọng kim loại sớm trong quá trình magma di chuyển lên trên miệng núi lửa. Tuy nhiên, theo Blundy, quy trình tiếp cận nước muối núi lửa không khác biệt đáng kể so với quy trình khoan đá nóng để sản xuất năng lượng địa nhiệt. Thực tế, công nghệ này đã có từ 30 năm trước và vào năm 1995, một nhóm ở Nhật Bản đã khoan thành công một lỗ sâu 3,7 km ở nhiệt độ 510°C.

Ngay cả khi những vấn đề này được giải quyết thì vẫn còn nhiều trở ngại khác. Nước muối có thể chứa các nguyên tố độc hại như thủy ngân, cần được xử lý an toàn. Hậu quả địa chấn của việc bơm lại chất lỏng đã tách kim loại trở lại dưới đất vẫn chưa rõ. Quy trình bơm lại không khác với các kỹ thuật fracking (thủy lực cắt phá), có thể gây rung động cục bộ.

Magma - nguồn năng lượng mới cho quá trình chuyển đổi năng lượng

Blundy cho rằng vấn đề hậu cần sẽ không phải là một rào cản đáng lo ngại. Thay vào đó, ông chỉ ra rằng yếu tố then chốt chính là nhu cầu ngày càng gia tăng đối với các kim loại cần thiết cho quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu, cũng như vai trò không thể thiếu của ngành khai thác mỏ trong việc cung cấp những nguyên liệu này. Theo đó, magma có thể trở thành một nguồn năng lượng mới, thậm chí là "lò sưởi" cho tương lai – theo nghĩa đen.

Quan điểm này cũng được củng cố bởi David Kurtz, giám đốc khai thác và xây dựng tại GlobalData: "Nhu cầu đối với các nguyên liệu thiết yếu như đồng, lithium, coban, niken và than chì – những vật liệu chủ chốt cho công nghệ pin và quá trình chuyển đổi năng lượng – đang tăng trưởng mạnh mẽ. Mặc dù sự phát triển trong ngành xe điện đã có dấu hiệu chững lại gần đây, nhưng nhìn chung, nhu cầu vẫn tiếp tục vượt xa khả năng cung cấp."

Dự báo, vào năm 2030, 513 kiloton lithium sẽ được sản xuất trên toàn thế giới, trong khi theo kịch bản phát thải ròng bằng 0 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, nhu cầu có thể đạt tới 717 kiloton. Lithium sẽ đóng vai trò thiết yếu do công nghệ lưu trữ năng lượng hiện nay chủ yếu phụ thuộc vào pin lithium-ion.

Hiện tại, Australia là quốc gia dẫn đầu trong việc khai thác lithium, chiếm khoảng 45% thị phần toàn cầu. Tiếp theo là Chile và Argentina, cộng lại chiếm khoảng 35% sản lượng toàn cầu. Tuy nhiên, bản đồ sản xuất lithium toàn cầu sẽ thay đổi đáng kể trong thập kỷ tới với sự gia tăng hoạt động khai thác của các quốc gia như Trung Quốc, Brazil, Zimbabwe, Canada, Mỹ và Bolivia. Dự báo đến năm 2030, Australia sẽ giảm thị phần còn 30%, trong khi Argentina và Chile chiếm 25%.

Có một nhu cầu cấp thiết đối với các kim loại thiết yếu để hỗ trợ quá trình chuyển đổi năng lượng. Tuy nhiên, những tác động tiêu cực từ khí thải do khai thác truyền thống mang lại khiến việc thu thập các vật liệu này trở thành con dao hai lưỡi. Giải pháp cho điều này có thể nằm sâu dưới lòng đất.

Theo Blundy, "nếu tiếp tục khai thác kim loại theo phương pháp truyền thống, chúng ta sẽ phải đối mặt với nhiều hố sâu hơn trên bề mặt Trái Đất, những núi chất thải và quặng đuôi chồng chất, cảnh quan thiên nhiên bị tàn phá, cùng với lượng lớn khí CO₂ thải ra trong quá trình nghiền và hòa tan đá. Khai thác nước muối từ núi lửa khác biệt hoàn toàn so với phương pháp khai thác kim loại truyền thống. Trước hết, không cần phải đào những hố lớn, giúp giảm chi phí và tác động môi trường. Ngoài ra, cũng không cần sử dụng nhiều năng lượng nhờ vào nguồn chất lỏng nóng tự nhiên.”

Khai thác mỏ truyền thống tiêu tốn một lượng lớn năng lượng để khai thác, nghiền nát và tinh chế quặng kim loại. Trong khi đó, các kim loại có trong thấu kính nước muối đã ở dạng dung dịch và không cần phải hòa tan lại. Khai thác một ngọn núi lửa đang hoạt động còn có một lợi ích khác: đó là nhiệt lượng từ núi lửa có thể được tận dụng để vận hành toàn bộ quá trình khai thác ngay tại miệng giếng, nhờ vào nguồn năng lượng địa nhiệt dồi dào.

Theo Blundy, khai thác nước muối từ núi lửa còn có thể giải quyết thêm một vấn đề quan trọng khác: "Một trong những thách thức lớn khi mở rộng số lượng mỏ khai thác là trước tiên cần xác định vị trí các mỏ quặng. Tuy nhiên, tìm một ngọn núi lửa thì không hề khó vì chúng thường được đánh dấu rõ ràng trên bản đồ. Vì hầu hết các núi lửa đều có lớp thấu kính nước muối nên nguồn tài nguyên này dễ dàng được phát hiện và khai thác hơn.”

Một giếng địa nhiệt thăm dò được khoan trên đảo Montserra, thuộc vùng biển Caribe, vào năm 2013. Giếng đạt độ sâu 2,9 km và nhiệt độ 265°C cho thấy sự hiện diện của một hệ thống địa nhiệt có khả năng tạo ra 2 MW điện, đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng hiện tại của hòn đảo. Ảnh: Jon Blundy.

Giải quyết các thách thức trong khai thác mỏ và năng lượng

Việc khám phá và tiếp cận các nguồn tài nguyên khoáng sản khả thi luôn là bài toán nan giải trong ngành khai thác mỏ, đòi hỏi sự đầu tư lớn về thời gian, tiền bạc và công nghệ hiện đại.

Áp lực tài chính từ quá trình xác định tài nguyên đã trở thành một gánh nặng đáng kể cho ngành công nghiệp này. Theo báo cáo gần đây của GlobalData, chi phí khai thác ngày càng gia tăng do nhiều yếu tố: chuyển đổi sang khai thác ngầm và khai thác tại các mỏ xa xôi, khoảng cách vận chuyển dài hơn, chất lượng quặng suy giảm, cùng với chi phí vật liệu và lao động không ngừng tăng.

Thêm vào đó là những lo ngại về tác động ESG (Môi trường, Xã hội và Quản trị) trong ngành khai thác mỏ, về bản chất làm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Theo báo cáo của GlobalData, hoạt động khai thác và chế biến sơ cấp kim loại và khoáng sản chịu trách nhiệm cho 26% lượng khí thải carbon toàn cầu trong năm 2022.

Một phương thức khai thác mới - khai thác nước muối từ núi lửa, có thể giúp giải quyết những lo ngại về tài chính và môi trường. Đây là một lựa chọn khai thác đầy tiềm năng, tận dụng hoạt động của núi lửa để tiếp cận tài nguyên và tự cung cấp năng lượng thông qua nguồn nhiệt địa nhiệt. Với sự phân bố của 1.500 ngọn núi lửa nằm rải rác trên khắp thế giới và trong bối cảnh các khoáng chất quan trọng cho quá trình chuyển đổi năng lượng đang dần cạn kiệt, dự báo việc khai thác nước muối từ núi lửa có thể mang lại nguồn lợi nhuận khổng lồ trong tương lai./.