Thế giới cần thêm rare earth cho robot và electronics: “Mỏ” tiếp theo có thể nằm trong những núi tro than đã bỏ đi

Một mỏ rare earth thường bắt đầu bằng việc tìm quặng, đào hàng triệu tấn đá rồi nghiền và xử lý để lấy ra một lượng nhỏ các nguyên tố có giá trị. Coal ash đảo ngược một phần trình tự đó: đá chứa khoáng đã được đào lên từ nhiều thập kỷ trước, than đã được nghiền, vận chuyển và đốt, còn phần vô cơ bị bỏ lại trong những landfill và ash pond khổng lồ.

Một đánh giá toàn nước Mỹ do University of Texas at Austin dẫn đầu cho thấy khoảng 1,87 tỷ tấn coal ash phát sinh trong giai đoạn 1985–2021 đang nằm trong các dạng được coi là có khả năng tiếp cận để thu hồi — chủ yếu landfill, pond và khu lưu trữ. Vật liệu này chứa rare earth ở nồng độ thấp hơn quặng truyền thống, nhưng lợi thế nằm ở chỗ một lượng rất lớn đã nằm sẵn trên mặt đất.

Đến năm 2026, ý tưởng đó bắt đầu rời khỏi bước “đếm tài nguyên”. Một pilot tại Wyoming Innovation Center đang thử công nghệ Targeted Rare Earth Extraction của National Energy Technology Laboratory (NETL) trên fly ash từ Powder River Basin. Tháng 7/2026, U.S. Department of Energy còn chọn năm dự án với tổng ngân sách dự kiến 75 triệu USD để phát triển các pilot thu hồi rare earth và critical material từ coal và coal-derived feedstock.

Điều này chưa biến những bãi tro thành mỏ thương mại. Nhưng nó cho thấy một câu hỏi đang thay đổi: thay vì chỉ hỏi còn phải mở thêm bao nhiêu mỏ rare earth, các nhà nghiên cứu bắt đầu hỏi bao nhiêu kim loại đã nằm trong những dòng chất thải mà công nghiệp từng trả tiền để vứt bỏ.

Rare earth trong tro đến từ chính khoáng vật có sẵn trong than

Than không chỉ là carbon. Nó mang theo clay, quartz, phosphate và nhiều khoáng vật vô cơ khác với lượng nhỏ rare earth bên trong. Khi than cháy, phần lớn carbon biến thành khí còn khoáng chất không biến mất. Chúng tập trung lại trong fly ash và bottom ash.

Vì vậy, combustion vô tình thực hiện một bước “làm giàu” sơ bộ. Rare earth không nhất thiết tăng về tổng khối lượng, nhưng khi phần hữu cơ bị loại bỏ, nồng độ của chúng trong ash có thể cao hơn trong than đầu vào.

Nghiên cứu đăng trên International Journal of Coal Science & Technology năm 2024 ước tính Mỹ đã tạo khoảng 5,3 tỷ tấn coal ash từ lượng than khai thác trong giai đoạn 1950–2021. Tuy nhiên, không phải toàn bộ số đó còn nằm sẵn để đào lại: một phần đã được bán hoặc dùng trong cement, road construction và các sản phẩm khác.

Trong giai đoạn có dữ liệu disposition tốt hơn, 1985–2021, nhóm ước tính khoảng 69–70% ash thuộc các dạng có khả năng tiếp cận. Đây là nguồn gốc của con số gần 1,9 tỷ tấn — khối lượng đủ lớn để ngay cả vài trăm phần triệu rare earth cũng trở nên đáng quan tâm.

Appalachian có nhiều rare earth hơn, nhưng Powder River lại dễ lấy hơn

Nồng độ cao không tự động đồng nghĩa feedstock tốt hơn. Đây là một trong những kết quả thú vị nhất của đánh giá quốc gia.

Ash từ Appalachian Basin có median tổng rare earth khoảng 431 mg/kg, cao hơn Illinois Basin ở 282 mg/kg và Powder River Basin ở 264 mg/kg. Nếu chỉ nhìn assay, Appalachian có vẻ là lựa chọn rõ ràng.

Nhưng khi nhóm đưa khả năng hòa tách vào mô hình, thứ tự thay đổi. Các nghiên cứu được họ tổng hợp dùng mức extraction khoảng 30% cho ash Appalachian và Illinois, trong khi Powder River Basin đạt khoảng 70%. Một phần lý do là mineralogy: nhiều rare earth trong ash miền đông bị giữ trong pha Si–Al glass khó phá, còn ash giàu calcium từ Powder River có chemistry thuận lợi hơn cho một số route extraction.

Đây là lý do coal ash không thể được coi như một “ore body” đồng nhất trải khắp nước Mỹ. Hai đống tro có cùng tổng nồng độ rare earth nhưng nằm trong mineral host khác nhau có thể cần hai flow sheet hoàn toàn khác nhau — và cho economics khác nhau.

8,4 tỷ USD là giá trị mô hình hóa, không phải một kho tiền nằm trong landfill

Nghiên cứu năm 2024 ghép ba yếu tố: lượng ash có khả năng tiếp cận, nồng độ rare earth theo basin và extraction efficiency ước tính. Dùng giá rare-earth oxide năm 2020, họ tính phần REE có khả năng tiếp cận và extractable trong các dòng ash chính có giá trị khoảng 8,4 tỷ USD.

Con số đó rất dễ bị hiểu sai. Nó không phải revenue của một ngành coal-ash mining tương lai, càng không phải lợi nhuận. Mô hình chưa trừ đầy đủ chi phí đào ash khỏi landfill, dewatering pond, vận chuyển, reagent, energy, separation, wastewater treatment, residue disposal hay xây nhà máy.

Nó cũng nhạy với giá của từng rare earth. Một tấn feedstock giàu cerium và lanthanum có thể kém hấp dẫn hơn một feedstock chứa ít tổng REE hơn nhưng có tỷ lệ neodymium, praseodymium hoặc dysprosium cao hơn — những nguyên tố có giá trị lớn hơn trong permanent magnet.

Vì vậy, bước quan trọng sau resource assessment là site-by-site characterization: tro ở đâu, nguồn than nào, pha khoáng nào giữ rare earth, phần nào có thể hòa tách và liệu những nguyên tố giá trị cao có đủ nhiều để trả cho toàn bộ process hay không.

Từ landfill tới rare-earth oxide cần nhiều hơn một bể acid

Quy trình tổng quát thường bắt đầu bằng việc lấy ash và có thể phân loại hoặc làm giàu vật lý trước. Tiếp theo là leaching để chuyển rare earth từ pha rắn vào dung dịch. Sau đó mới đến các bước khó hơn: loại iron, aluminum, calcium và hàng loạt ion cạnh tranh; concentrate rare earth; cuối cùng tách từng nguyên tố hoặc tạo mixed rare-earth oxide đủ tinh khiết để đi tiếp trong chuỗi cung ứng.

Chính bước đầu đã khó vì rare earth thường không nằm dưới dạng các hạt kim loại độc lập. U.S. Geological Survey lưu ý aluminosilicate glass chiếm phần lớn mass của nhiều fly ash, còn các vùng giàu rare earth có thể chỉ xuất hiện ở kích thước nano. Nếu REE bị khóa trong glass bền hóa học, acid nhẹ có thể không đủ; acid mạnh hoặc xử lý nhiệt lại làm tăng chi phí và lượng waste.

Đây là trade-off trung tâm của coal-ash extraction. Process phải đủ mạnh để mở matrix nhưng không mạnh tới mức giá hóa chất, energy và wastewater xóa hết lợi thế của việc feedstock đã nằm sẵn trên mặt đất.

Pilot ở Wyoming đang thử một route nhẹ hơn

NETL đã phát triển công nghệ Targeted Rare Earth Extraction (TREE) cho một số loại Powder River Basin fly ash. Theo NETL, pilot tại Wyoming Innovation Center gần Gillette bắt đầu vận hành thử từ đầu năm 2025 sau khi facility hoàn thành xây dựng vào tháng 1.

Điểm mà NETL nhấn mạnh là process chạy ở nhiệt độ và áp suất môi trường, gần như không cần material preprocessing và giảm lượng acid cũng như organic solvent so với nhiều route extraction thông thường. Công nghệ trước đó được phát triển ở lab, còn pilot được dùng để xem hiệu năng và economics có giữ được khi lượng material tăng hay không.

NETL cũng đã patent một quy trình mild-acid ba bước cho các fly ash phù hợp và báo cáo mức extraction 80–100% với một số mẫu được chọn. Nhưng đây không phải recovery rate mặc định cho mọi coal ash. Chính dữ liệu toàn quốc cho thấy feedstock khác nhau có thể chỉ đạt một phần nhỏ mức đó nếu rare earth nằm trong phase khó phá.

Nói cách khác, thành công của pilot Wyoming trước hết chứng minh cho Powder River Basin feedstock và chemistry tương ứng. Muốn dùng cùng logic cho Appalachian ash hay landfill hỗn hợp, process có thể cần thay đổi đáng kể.

Năm 2026, Mỹ đang trả tiền để kiểm tra xem economics có đi qua “valley of death” hay không

Ngày 1/7/2026, DOE thông báo lựa chọn năm dự án với tổng mức hỗ trợ dự kiến 75 triệu USD để phát triển pilot-scale facility thu hồi critical material từ coal và coal-based feedstock. Các đơn vị được chọn gồm University of North Dakota, Valor Metals, CONSOL Innovations, American Resources Corporation và Peabody Energy.

Theo DOE, mục tiêu là đưa các process tới điều kiện công nghiệp và tạo sản phẩm “market-ready”, không chỉ concentrate trong beaker. Các lựa chọn này vẫn phải đi qua quá trình đàm phán award, nên 75 triệu USD không nên được hiểu là toàn bộ tiền đã được giải ngân.

Khoản đầu tư mới nối tiếp nhiều pilot trước đó. Một dự án NETL–Physical Sciences–University of Kentucky từng xử lý khoảng 0,5 tấn ash mỗi ngày ở bước hóa học và tạo hơn 100 gram concentrate có hàm lượng REYSc trên 50%. Đó là bằng chứng scale-up có thể đi xa hơn bench top, nhưng khoảng cách từ nửa tấn mỗi ngày tới hàng nghìn tấn feedstock của một cơ sở thương mại vẫn rất lớn.

Robot cần magnet; “chip cần rare earth” là câu chuyện phức tạp hơn

Nhu cầu rare earth không đến từ một ngành duy nhất. USGS Mineral Commodity Summaries 2026 cho biết end use lớn nhất toàn cầu hiện là permanent magnet. Neodymium và praseodymium là thành phần chính của nam châm NdFeB; dysprosium hoặc terbium có thể được thêm vào để giữ từ tính ở nhiệt độ cao.

Đây là nhóm vật liệu quan trọng cho motor công suất cao trong EV, wind turbine và nhiều thiết kế robot. Humanoid có hàng chục actuator nên nếu production tăng mạnh, magnet content có thể trở thành một phần đáng kể của bill of materials.

Với semiconductor, quan hệ ít trực tiếp hơn câu “rare earth làm chip”. Silicon vẫn là vật liệu nền của phần lớn logic chip. Rare earth xuất hiện trong một số quy trình polishing, laser, optical component, ceramic và electronic material, nhưng demand profile không giống permanent magnet. Vì vậy, lý do mạnh nhất khiến coal ash được quan tâm hiện nay vẫn là chuỗi cung ứng critical materials nói chung, đặc biệt là magnet-grade rare earth.

Đào lại tro có thể giúp remediation — hoặc tạo thêm một dòng waste mới

Coal ash landfill và pond không chỉ là khoáng sản tiềm năng. Chúng còn có thể chứa arsenic, selenium, mercury và nhiều chất gây ô nhiễm khác. Một số bãi cũ không có lớp lót hiện đại, khiến groundwater contamination trở thành vấn đề kéo dài.

Resource recovery vì thế có một upside kép về lý thuyết: nếu phải đào và xử lý ash để remediation, doanh thu từ critical mineral có thể bù một phần chi phí. Nghiên cứu UT cũng đề xuất ưu tiên những site vừa có resource potential vừa có environmental risk cao.

Nhưng extraction có thể làm contaminant vốn bị khóa trong phase rắn trở nên hòa tan. Một process chỉ được coi là tốt nếu nó kiểm soát được arsenic, lead và các impurity khác trong leachate cũng như residue cuối. Việc lấy được rare earth không tự động biến phần còn lại thành vật liệu an toàn.

Economics còn tốt hơn nếu phần bulk material sau extraction có thể quay lại làm cement, aggregate hoặc sản phẩm khác. Một tấn ash chỉ chứa hàng trăm gram rare earth; nếu 99,9% vật liệu còn lại vẫn phải trả tiền để chôn, margin của kim loại có thể không đủ.

“Mỏ” mới có thể không cần đào sâu, nhưng vẫn cần chứng minh nó là mỏ

Coal ash có ba lợi thế hiếm khi cùng xuất hiện ở quặng truyền thống: material đã được đào lên, nghiền và tập trung tại một số site lớn; một phần hạ tầng điện và vận tải vẫn tồn tại quanh các nhà máy điện cũ; và xử lý ash có thể gắn với remediation thay vì mở một footprint khai mỏ hoàn toàn mới.

Nhưng nó cũng có ba nhược điểm tương ứng: grade thấp, composition biến thiên và rare earth thường bị khóa trong pha khó hòa tách. Vì vậy, một landfill chỉ trở thành “mỏ” khi assay, mineralogy, extraction route và economics cùng khớp — không phải chỉ vì phòng lab tìm thấy neodymium trong một mẫu tro.

Bước tiếp theo của lĩnh vực này sẽ không được quyết định bằng một con số tổng tài nguyên đẹp mắt. Nó sẽ được quyết định ở những pilot như Wyoming: một ngày có thể xử lý bao nhiêu ash, cần bao nhiêu acid và nước, thu được bao nhiêu kilogram sản phẩm đạt purity thương mại, residue còn lại đi đâu và cuối cùng mỗi kilogram rare-earth oxide tốn bao nhiêu tiền.

Nếu những câu hỏi đó có câu trả lời tốt, các núi tro than từng được xem là di sản của một hệ năng lượng cũ có thể trở thành feedstock cho một phần của hệ công nghiệp mới. Không phải mọi ash pond sẽ trở thành mỏ. Nhưng với hàng tỷ tấn vật liệu đã nằm sẵn trên mặt đất, chỉ cần một phần trong số chúng vượt qua bài toán extraction và economics cũng đủ để biến “waste” thành một loại tài nguyên mà trước đây ít ai nghĩ tới.