Thả robot xuống biển để khai thác lithium: Ý tưởng kỳ lạ có thể thay đổi ngành pin

Hãy hình dung một mỏ lithium không có hố khai thác, không có xe tải khổng lồ và cũng không cần bơm hàng triệu lít nước muối từ dưới lòng đất lên các hồ bay hơi.

Thay vào đó, vật liệu khai thác là những robot cực nhỏ được đưa vào nước biển. Chúng tự di chuyển như những “con cá” ở cấp độ micro và nano, chủ động bắt lấy ion lithium hòa tan trong nước. Khi hoàn thành nhiệm vụ, các robot được kéo trở lại bằng từ trường, lithium được tách ra và robot được tái sử dụng cho chu kỳ tiếp theo.

Đó là ý tưởng đứng sau MINE-Li — Micro/Nanorobots Induced Non-stationary Extraction of Lithium, dự án do các nhà nghiên cứu tại Texas A&M University phát triển với khoản tài trợ 1 triệu USD từ Bộ Năng lượng Mỹ (DOE).

Nghe giống một cảnh trong khoa học viễn tưởng, nhưng nền tảng vật liệu và cơ chế chuyển động phía sau dự án đều dựa trên những lĩnh vực nghiên cứu có thật: hạt Janus, micro/nanorobotics, hấp phụ chọn lọc ion và điều khiển bằng ánh sáng hoặc từ trường.

Tuy nhiên, một điểm cần làm rõ ngay từ đầu: đây chưa phải công nghệ đang khai thác lithium ngoài đại dương. MINE-Li hiện là một dự án nghiên cứu công nghệ thế hệ mới. Nhóm Texas A&M vẫn phải chứng minh hiệu suất, khả năng tái sử dụng, quy mô sản xuất, phương pháp thu hồi robot và tác động môi trường trước khi có thể nói tới ứng dụng công nghiệp.

Vì sao lại đi tìm lithium trong nước biển?

Lithium là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất của ngành pin hiện đại. Pin lithium-ion xuất hiện trong điện thoại, máy tính xách tay, xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng cho lưới điện.

Nhu cầu đang tăng nhanh. Theo Global Critical Minerals Outlook 2026 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), nhu cầu lithium tăng trung bình khoảng 25% mỗi năm trong hai năm gần đây. Trong kịch bản chính sách hiện hành của IEA, nhu cầu lithium có thể tăng hơn ba lần từ nay tới năm 2040.

Ngày nay, lithium chủ yếu được lấy từ quặng đá cứng và các nguồn nước muối giàu lithium trên đất liền. Các nguồn này có lợi thế lớn nhất là nồng độ lithium đủ cao để việc thu hồi có ý nghĩa kinh tế.

Biển lại có một đặc điểm ngược đời: tổng lượng lithium hòa tan là cực lớn, nhưng nó bị pha loãng vào một khối lượng nước khổng lồ.

Một nghiên cứu đăng trên Nature Communications tháng 5/2026 đo nồng độ lithium trong nước biển khoảng 0,17–0,18 mg mỗi lít. Trong cùng một lít nước còn có lượng lớn hơn rất nhiều của natri, magie, kali, canxi và nhiều ion khác.

Vì vậy, bài toán không phải “biển có lithium hay không”. Bài toán là làm thế nào tìm được một lượng lithium cực nhỏ giữa vô số ion khác mà không tiêu tốn nhiều năng lượng và vật liệu hơn giá trị thu được.

Cách khai thác truyền thống thường chờ lithium đi tới vật liệu hấp phụ

Nhiều công nghệ direct lithium extraction (DLE) sử dụng màng, điện cực hoặc vật liệu hấp phụ có khả năng ưu tiên giữ ion lithium.

Thông thường, nước chứa lithium được bơm qua một thiết bị cố định. Các ion di chuyển theo dòng chất lỏng và tiếp xúc với vật liệu thu lithium. Sau khi vật liệu đạt tới một mức tải nhất định, lithium được giải hấp để tạo dung dịch cô đặc rồi tiếp tục tinh chế.

Đây là kiến trúc hợp lý khi nguồn nước có nồng độ lithium tương đối cao. Nhưng với nước biển, một thiết bị cố định phải xử lý lượng nước rất lớn chỉ để gặp được một lượng lithium nhỏ.

Nhóm Texas A&M muốn đảo ngược logic đó.

Thay vì chỉ để nước đi qua vật liệu thu hồi, họ muốn cho vật liệu thu hồi tự di chuyển trong nước.

“Robot cá” thực ra là những hạt Janus cực nhỏ

Cách gọi “robot cá” dễ khiến người ta tưởng tượng một đội robot kim loại có vây và động cơ đang bơi giữa đại dương. MINE-Li nhỏ hơn nhiều.

Theo mô tả chính thức của DOE, hệ thống sẽ sử dụng các micro/nanorobot được tạo từ hạt Janus cấu trúc core/shell.

Trong khoa học vật liệu, hạt Janus là loại hạt có hai phía hoặc hai vùng mang đặc tính khác nhau — tên gọi lấy cảm hứng từ vị thần Janus hai mặt trong thần thoại La Mã. Sự bất đối xứng này cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế một phía tham gia phản ứng hoặc hấp thụ năng lượng, trong khi phía còn lại đảm nhiệm chức năng khác.

Với MINE-Li, DOE cho biết các hạt có thể tự đẩy mình khi được kích hoạt bởi ánh sáng, từ trường hoặc sự hiện diện của hydrogen peroxide. Nhờ đó, chúng không chỉ nằm yên chờ ion lithium khuếch tán tới bề mặt mà có thể di chuyển trong môi trường nước.

Texas A&M mô tả mục tiêu là để các micro/nanorobot “bơi như cá”, chủ động tìm và giữ lithium ion trong quá trình di chuyển.

Tại sao chuyển động lại có thể giúp khai thác lithium?

Ở cấp độ vi mô, tốc độ một ion gặp bề mặt hấp phụ phụ thuộc mạnh vào quá trình khuếch tán và vận chuyển khối lượng.

Nếu vật liệu hấp phụ đứng yên trong một dung dịch rất loãng, vùng nước gần bề mặt có thể nhanh chóng mất bớt lithium. Những ion mới phải khuếch tán từ vùng xa hơn tới hoặc được dòng nước đưa tới.

Một hạt tự chuyển động có thể liên tục gặp những vùng dung dịch mới. Về nguyên lý, điều này có thể tăng số lần tiếp xúc giữa bề mặt hấp phụ và các ion mục tiêu, đồng thời giảm giới hạn do khuếch tán cục bộ.

Đây là lý do DOE gọi MINE-Li là phương pháp non-stationary extraction — khai thác bằng vật liệu không đứng yên.

Trong mô tả dự án, DOE đặt mục tiêu việc chủ động tìm kiếm và hấp phụ có thể cải thiện hiệu quả đáng kể, với mức ước tính trên 95% đối với chỉ số mà chương trình nhắm tới. Đây là mục tiêu của dự án, không phải kết quả khai thác ngoài biển đã được chứng minh.

Làm sao thu lại hàng tỷ robot cực nhỏ?

Đây có thể là câu hỏi quan trọng hơn cả chuyện làm chúng bơi.

Nếu một vật liệu chỉ có kích thước micro hoặc nano được phân tán vào nước, việc để nó thất thoát ra môi trường sẽ tạo ra một vấn đề mới thay vì giải quyết bài toán khai khoáng.

Nhóm Texas A&M cho biết các robot được thiết kế để có thể thu hồi bằng từ trường. Về mặt kiến trúc, điều này cho phép một chu trình gồm bốn bước: phân tán robot vào dòng nước, kích hoạt chuyển động và hấp phụ lithium, kéo robot trở lại bằng trường từ, sau đó tách lithium khỏi vật liệu để tái sử dụng robot.

Nếu chu trình này đạt hiệu suất thu hồi rất cao, MINE-Li có thể hoạt động giống một “đội công nhân vật liệu” tuần hoàn thay vì chất hấp phụ dùng một lần.

Nhưng ở quy mô công nghiệp, ngay cả tỷ lệ thất thoát rất nhỏ cũng có thể trở nên đáng kể nếu mỗi chu kỳ sử dụng lượng hạt cực lớn. Vì vậy, khả năng thu hồi gần như hoàn toàn, độ bền qua nhiều chu kỳ và độc tính sinh thái của vật liệu sẽ là những thông số bắt buộc phải đánh giá.

Không nhất thiết phải thả robot ra giữa đại dương

Một cách hình dung kịch tính là tàu chở hàng tỷ nanorobot ra biển rồi thả chúng tự do. Nhưng đó không nhất thiết là cách một hệ thống thương mại hợp lý sẽ vận hành.

Ngay cả nếu công nghệ thành công, một kiến trúc kiểm soát hơn có thể dùng các bể, đường ống, module ngoài khơi hoặc dòng nước biển được bơm qua khu vực phản ứng, nơi robot được giữ trong một hệ thống có ranh giới rõ ràng và có thiết bị thu hồi từ tính.

Cách triển khai như vậy sẽ giúp kiểm soát thất thoát vật liệu, theo dõi hiệu suất và thu lại robot dễ hơn so với việc để chúng phân tán trong môi trường biển mở.

Texas A&M hiện mới cho biết nhóm sẽ phát triển từ nghiên cứu micro/nanorobot tới thử nghiệm hệ thống biển và các hệ thống trình diễn lớn hơn. Cấu hình công nghiệp cuối cùng vẫn chưa được xác định.

Kẻ thù lớn nhất của dự án là magie và natri

Khả năng di chuyển không giải quyết toàn bộ bài toán.

Để khai thác lithium có ích, robot không chỉ cần “ăn ion” mà phải ăn đúng ion.

Nước biển chứa natri và magie ở nồng độ cao hơn lithium nhiều bậc độ lớn. Một vật liệu hấp phụ không đủ chọn lọc sẽ nhanh chóng bị các ion phổ biến chiếm bề mặt trước khi thu được lượng lithium đáng kể.

Texas A&M xác định việc tách lithium khỏi hàng loạt khoáng chất khác trong nước biển là một trong những thách thức chính của dự án.

Đây cũng là bài toán chung của toàn bộ lĩnh vực khai thác lithium từ nước biển. Nghiên cứu trên Nature Communications

Robot phải “ăn” được lithium, nhả nó ra và tiếp tục bơi

Một hệ thống thương mại không thể chỉ chứng minh rằng hạt vật liệu hấp phụ được lithium một lần.

Nó phải trả lời thêm ít nhất ba câu hỏi.

Thứ nhất, lithium có thể được giải phóng khỏi robot bằng quy trình đủ đơn giản hay không? Nếu bước giải hấp cần nhiều hóa chất hoặc năng lượng, lợi thế ở giai đoạn thu hồi ban đầu có thể biến mất.

Thứ hai, robot có giữ được khả năng hấp phụ và di chuyển sau hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ hay không? Một vật liệu suy giảm nhanh sẽ tạo ra chi phí thay thế và dòng chất thải mới.

Thứ ba, lithium thu được phải tiếp tục được cô đặc và tinh chế tới dạng có giá trị công nghiệp. “Bắt ion lithium” chỉ là bước đầu trong chuỗi sản xuất vật liệu pin.

Texas A&M cho biết dự án sẽ tập trung vào hiệu suất thu hồi, khả năng tái sử dụng, vận hành liên tục và mở rộng lên hệ thống trình diễn lớn hơn. Đây chính là những phép thử quyết định liệu ý tưởng có thể vượt khỏi phòng thí nghiệm hay không.

Lợi thế hấp dẫn nhất: giảm hạ tầng khổng lồ

Nếu công nghệ hoạt động như kỳ vọng, một trong những lợi thế lớn nhất của micro/nanorobot là giảm phụ thuộc vào các cấu trúc khai thác cố định quy mô lớn.

Các mỏ đá cứng cần đào, nghiền và xử lý quặng. Khai thác nước muối truyền thống có thể cần giếng bơm, hồ bay hơi và một diện tích đất đáng kể. Nhiều hệ DLE mới vẫn cần bơm một lượng lớn nước qua các cột hấp phụ, màng hoặc cell điện hóa.

Nhóm Texas A&M kỳ vọng các hạt di động có thể tiếp xúc với lithium chủ động hơn và giảm một phần nhu cầu hạ tầng. Tiến sĩ Jingjing “Jenny” Qiu mô tả mục tiêu của công nghệ là khai thác lithium với dấu chân hạ tầng rất nhỏ so với các phương pháp khai khoáng truyền thống.

Nhưng đây vẫn là giả thuyết cần được kiểm tra bằng phân tích kinh tế và vòng đời đầy đủ. Năng lượng để tạo hạt, nguồn sáng hoặc từ trường để vận hành, thiết bị thu hồi, bơm nước nếu có, tái sinh vật liệu và xử lý lithium đều phải được tính vào tổng chi phí.

Khối lượng nước khổng lồ là phép thử lạnh lùng nhất

Nồng độ khoảng 0,17 mg lithium trong một lít nước tạo ra một phép tính đáng chú ý.

Ở mức lý tưởng tuyệt đối, để gặp được 1 kg lithium, hệ thống phải tiếp xúc với khoảng 5,9 triệu lít nước biển. Trong thực tế, nếu hiệu suất thu hồi không đạt 100%, thể tích cần xử lý còn lớn hơn.

Con số này không tự động khiến khai thác lithium từ biển trở nên bất khả thi — đại dương có lưu lượng nước khổng lồ và các hệ thống có thể vận hành liên tục — nhưng nó cho thấy tại sao hiệu suất vật liệu thôi chưa đủ.

Một công nghệ thành công phải có chi phí cực thấp trên mỗi mét khối nước, hoạt động lâu dài và thu hồi lithium mà không cần tiêu tốn lượng năng lượng lớn để di chuyển chính khối nước đó.

Đây cũng là lý do một số hướng nghiên cứu khác nhắm tới nước muối cô đặc từ nhà máy khử mặn, nước địa nhiệt hoặc nước đồng hành từ khai thác dầu khí: các dòng này có thể chứa lithium ở nồng độ cao hơn hoặc đã được bơm sẵn vì một mục đích khác.

Liệu robot có thực sự “xanh” hơn khai mỏ?

Câu trả lời hiện tại là: chưa thể kết luận.

Khả năng không phải đào đất hay xây hồ bay hơi nghe rất hấp dẫn. Nhưng một công nghệ mới chỉ thực sự có dấu chân môi trường thấp hơn khi toàn bộ vòng đời được tính đến.

Cần biết robot được làm từ vật liệu gì, quy trình sản xuất tiêu thụ bao nhiêu năng lượng, chúng hoạt động bao lâu, tỷ lệ thất thoát là bao nhiêu, chúng có tương tác với sinh vật phù du hay hệ sinh thái biển hay không và việc tái sinh vật liệu tạo ra dòng thải nào.

Texas A&M cho biết đánh giá tác động môi trường là một phần trong kế hoạch nghiên cứu tương lai. Đây là điểm đặc biệt quan trọng bởi ưu thế chính mà dự án muốn tạo ra chính là giảm tác động so với khai thác truyền thống.

Trong trường hợp tệ nhất, một quy trình thu được lithium nhưng phát tán vật liệu nano khó thu hồi ra đại dương sẽ không phải là một sự đánh đổi hợp lý.

DOE đang trả tiền để trả lời câu hỏi “có làm được không?”

MINE-Li nằm trong nhóm công nghệ thế hệ mới của chương trình Critical Material Innovation, Efficiency, and Alternatives của Bộ Năng lượng Mỹ.

DOE cấp cho Texas A&M 1 triệu USD; dự án có thêm 300.000 USD ngoài nguồn DOE, đưa tổng giá trị lên khoảng 1,3 triệu USD.

Quy mô tài trợ này cũng cho thấy đúng vị trí của công nghệ: đây là nghiên cứu cần chứng minh tính khả thi, chưa phải dự án xây nhà máy khai thác thương mại.

Các mục tiêu trước mắt là tạo micro/nanorobot đáp ứng nhiều kích thích, chứng minh khả năng di chuyển và hấp phụ chọn lọc lithium, kiểm tra khả năng thu hồi – tái sử dụng và tiến dần tới các hệ thống thử nghiệm lớn hơn.

Nếu thành công, ngành lithium có thể có thêm một loại “mỏ” mới

Điều thú vị nhất ở MINE-Li không phải hình ảnh robot giống cá.

Nó là sự thay đổi trong cách định nghĩa một mỏ khoáng sản.

Mỏ truyền thống là nơi khoáng vật đã được địa chất tập trung sẵn. Con người tìm đúng địa điểm rồi đào hoặc bơm nó lên. Nước biển thì ngược lại: tài nguyên phân tán gần như khắp hành tinh nhưng ở nồng độ cực thấp.

Nếu vật liệu thông minh có thể chủ động di chuyển, nhận diện và thu giữ một ion mục tiêu giữa môi trường rất loãng, “mỏ” trong tương lai có thể không còn chỉ là một địa điểm địa chất. Nó có thể là một dòng vật chất mà robot liên tục quét qua.

Ý tưởng này cũng không nhất thiết dừng ở lithium. Về nguyên lý, những nền tảng vật liệu di động và chọn lọc có thể được điều chỉnh để thu hồi các nguyên tố khác từ nước thải công nghiệp, nước địa nhiệt hoặc những dòng tài nguyên quá loãng đối với công nghệ khai thác hiện tại.

Từ “robot ăn lithium” đến pin thương mại còn rất xa

MINE-Li có đầy đủ những yếu tố khiến một ý tưởng công nghệ trở nên hấp dẫn: robot lấy cảm hứng từ sinh học, vật liệu nano, khoáng sản chiến lược và đại dương gần như vô tận.

Nhưng chính sự hấp dẫn đó khiến việc phân biệt giữa tiềm năng và thành tựu đã được chứng minh càng quan trọng.

Ở thời điểm tháng 8/2026, Texas A&M đang phát triển công nghệ. Dự án chưa chứng minh một đội micro/nanorobot có thể được triển khai an toàn ngoài biển ở quy mô công nghiệp, chưa công bố chi phí trên mỗi kilogram lithium và chưa cho thấy hệ thống có thể cạnh tranh với mỏ đá cứng, nước muối lục địa hay các công nghệ DLE khác.

Nếu nhóm giải được đồng thời bốn bài toán — chọn lọc lithium, di chuyển hiệu quả, thu hồi gần như hoàn toàn và tái sử dụng lâu dài — ý tưởng có thể mở ra một con đường khai thác tài nguyên hoàn toàn mới.

Nếu không, nó vẫn có thể cung cấp những kiến thức hữu ích về micro/nanorobotics và vật liệu hấp phụ trong môi trường nước.

Vì thế, câu hỏi thú vị nhất không phải “robot có thể bơi trong biển hay không”. Công nghệ hiện đại đã cho thấy những cấu trúc cực nhỏ có thể tự chuyển động.

Câu hỏi khó hơn là: liệu hàng tỷ robot như vậy có thể thu được lithium rẻ hơn, sạch hơn và an toàn hơn một mỏ hay không?

Đó mới là phép thử có khả năng quyết định liệu một ý tưởng kỳ lạ sẽ trở thành một công nghệ thay đổi ngành pin hay chỉ dừng lại ở một thí nghiệm đáng nhớ.

Nguồn tham khảo

• U.S. Department of Energy: Project Selections for Critical Material Innovation, Efficiency, and Alternatives — MINE-Li.
• Texas A&M University: Researchers develop fish-like nanorobots to recover lithium from seawater, 29/7/2026.
• Texas A&M Engineering: Lithium-harvesting nanorobots, 27/7/2026.
• Nature Communications: Energy-Efficient Seawater Lithium Extraction via a Reversible Redox-Hydrogen Coupled System, 2/5/2026.
• International Energy Agency: Global Critical Minerals Outlook 2026 — Market overview.