Không cần đất hiếm, Mỹ tìm vật liệu mới cho vũ khí và thiết bị quân sự
Một nhà máy mới tại bang Minnesota (Mỹ) dự kiến từ năm 2027 có thể sản xuất 1.500 tấn nam châm vĩnh cửu mỗi năm chỉ từ sắt và nitơ, không cần đất hiếm.
Công nghệ này đang được đưa vào thử nghiệm cho thiết bị quốc phòng và đạn dẫn đường, mở ra thêm một cách để Mỹ giảm phụ thuộc vào chuỗi cung ứng nam châm vốn tập trung mạnh ở Trung Quốc.
Nhà máy 1.500 tấn và bước đi mới của Mỹ
Nam châm vĩnh cửu ít được nhắc tới trong các câu chuyện quốc phòng, nhưng lại có mặt trong hàng loạt thiết bị như động cơ điện, cảm biến, radar, UAV và cơ cấu dẫn hướng tên lửa.
Vấn đề là những loại nam châm mạnh nhất hiện nay thường cần các nguyên tố đất hiếm như neodymium, dysprosium hay terbium. Mỹ vẫn phụ thuộc đáng kể vào chuỗi cung ứng bên ngoài, trong khi Trung Quốc giữ vai trò lớn ở khâu chế biến và sản xuất nam châm.
Niron Magnetics đang thử một hướng khác. Công ty Mỹ phát triển nam châm Iron Nitride, hay nitrua sắt, chủ yếu từ sắt và nitơ thay vì đất hiếm.
Theo Interesting Engineering, nhà máy đầu tiên tại Sartell, Minnesota, được thiết kế với công suất tối đa khoảng 1.500 tấn nam châm mỗi năm và dự kiến hoạt động từ năm 2027. Sản phẩm có thể phục vụ động cơ, robot, trung tâm dữ liệu, drone và thiết bị quốc phòng.
Điểm đáng chú ý là Niron muốn đưa toàn bộ quá trình từ nguyên liệu đến nam châm hoàn chỉnh vào sản xuất tại Mỹ. Điều này có thể giúp rút ngắn chuỗi cung ứng so với nam châm đất hiếm, vốn phải trải qua nhiều bước từ khai thác, tinh chế đến luyện kim và chế tạo.
Công nghệ Iron Nitride bắt nguồn từ nghiên cứu tại Đại học Minnesota và từng nhận hỗ trợ của ARPA-E. Năm 2023, cơ quan này tiếp tục cấp gần 20 triệu USD để Niron mở rộng sản xuất thử nghiệm.
Công ty cũng đã tính tới quy mô lớn hơn. Niron đang chọn địa điểm cho nhà máy thứ hai có công suất dự kiến tới 10.000 tấn mỗi năm, với vốn đầu tư có thể lên tới 1,8 tỉ USD.
Sắt và nitơ có thể thay đất hiếm đến đâu?
Nam châm vĩnh cửu được dùng rộng rãi trong quân sự vì có lực từ mạnh, kích thước nhỏ và không cần cấp điện liên tục. Hiện nay, loại phổ biến nhất là nam châm neodymium-sắt-boron, nhưng chúng lại phụ thuộc vào các nguyên tố đất hiếm như neodymium, dysprosium hay terbium.
Iron Nitride mở ra một hướng khác khi chủ yếu sử dụng sắt và nitơ, những nguyên liệu phổ biến hơn. Với Mỹ, lợi ích không chỉ nằm ở chi phí mà còn ở khả năng giảm phụ thuộc vào nguồn cung nước ngoài, vốn có thể trở thành điểm nghẽn đối với sản xuất quốc phòng.
Đất hiếm hiện xuất hiện trong nhiều hệ thống quan trọng của Mỹ như tiêm kích F-35, tàu ngầm lớp Virginia và Columbia, tên lửa Tomahawk, radar, UAV Predator và bom dẫn đường JDAM. Vì vậy, Lầu Năm Góc vẫn đầu tư mạnh để xây dựng chuỗi cung ứng đất hiếm trong nước.
Iron Nitride không nhằm thay thế hoàn toàn chiến lược này. Nếu nam châm không đất hiếm có thể được dùng trong một phần động cơ, cảm biến hay cơ cấu điều khiển, Mỹ sẽ giảm được nhu cầu đối với những nguyên liệu nhạy cảm và dành đất hiếm cho các hệ thống thực sự cần chúng.
Tuy nhiên, công nghệ này chưa thể thay thế mọi loại nam châm. Hiệu quả của Iron Nitride còn phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động, độ bền từ tính và yêu cầu của từng thiết bị. Với các hệ thống quân sự, vật liệu mới còn phải chứng minh khả năng hoạt động ổn định trong những điều kiện khắc nghiệt.
Nói cách khác, Iron Nitride có thể giúp Mỹ giảm phụ thuộc vào đất hiếm, nhưng chưa thể loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng chúng.
Từ phòng thí nghiệm đến đạn dẫn đường
Lầu Năm Góc đã bắt đầu thử nghiệm hướng đi này. Năm 2024, Niron nhận hợp đồng thuộc chương trình SBIR của Không quân Mỹ để nghiên cứu khả năng dùng nam châm không đất hiếm trong quốc phòng. Những lĩnh vực được nhắc tới gồm UAV, động cơ máy bay chiến đấu, dẫn đường tên lửa, phòng thủ tên lửa và vệ tinh.
Mục tiêu ban đầu là cùng Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân Mỹ đánh giá cách điều chỉnh công nghệ Iron Nitride để đáp ứng các yêu cầu quân sự.
Đến cuối năm 2025, Niron tiến thêm một bước khi hợp tác với tập đoàn quốc phòng Moog phát triển cơ cấu chấp hành sử dụng nam châm Iron Nitride cho đạn dẫn đường. Đây là bộ phận biến tín hiệu điện thành chuyển động chính xác, chẳng hạn điều khiển cánh lái để thay đổi quỹ đạo của vũ khí.
Công nghệ vẫn đang trong giai đoạn phát triển và thử nghiệm, nên chưa thể thay thế ngay nam châm đất hiếm trong vũ khí Mỹ. Tuy nhiên, nó cho thấy Iron Nitride đã bắt đầu rời phòng thí nghiệm để bước vào các ứng dụng quốc phòng cụ thể.
Niron còn nhắm tới cảm biến, động cơ, máy phát điện và nhiều cơ cấu điều khiển khác. Nếu vượt qua các bài thử về độ bền, rung động, nhiệt độ và độ tin cậy, loại nam châm này có thể đặc biệt phù hợp với UAV, động cơ điện nhỏ và những hệ thống cần sản xuất số lượng lớn.
Đây cũng là nơi lợi thế chuỗi cung ứng trở nên rõ nhất. Khi Mỹ muốn sản xuất hàng nghìn UAV, tên lửa hay thiết bị tự động mỗi năm, ngay cả một linh kiện nhỏ phụ thuộc vào nguồn cung khó kiểm soát cũng có thể trở thành điểm nghẽn của cả dây chuyền.
Mỹ không bỏ đất hiếm, nhưng muốn có thêm đường thoát
Iron Nitride không có nghĩa Mỹ sẽ từ bỏ đất hiếm. Washington vẫn đầu tư vào khai thác, tinh chế và sản xuất nam châm trong nước vì nhiều hệ thống quốc phòng hiện đại vẫn phụ thuộc vào các vật liệu này.
Điểm mới nằm ở cách tiếp cận. Thay vì chỉ tìm thêm nguồn cung đất hiếm, Mỹ muốn giảm nhu cầu sử dụng chúng ở những thiết bị có thể thay thế bằng vật liệu khác. Iron Nitride là một trong những lựa chọn như vậy.
Nếu nhà máy Sartell đạt công suất 1.500 tấn mỗi năm, thách thức tiếp theo sẽ là chứng minh loại nam châm này hoạt động ổn định trong sản phẩm thực tế. Với lĩnh vực quốc phòng, yêu cầu còn khắt khe hơn khi vật liệu phải vượt qua các bài thử về nhiệt độ, rung động, tuổi thọ và độ tin cậy trước khi được đưa vào hệ thống chiến đấu.
Vì vậy, Iron Nitride chưa thể nhanh chóng thay thế nam châm đất hiếm trong quân đội Mỹ. Giá trị lớn hơn là tạo thêm một lựa chọn cho chuỗi cung ứng. Nếu được thương mại hóa và đạt chuẩn quân sự, các động cơ, cảm biến hay cơ cấu điều khiển sử dụng sắt và nitơ sẽ ít bị ảnh hưởng hơn khi nguồn cung đất hiếm từ bên ngoài bị gián đoạn. Đây có thể là lợi thế quan trọng nhất của công nghệ này đối với ngành quốc phòng Mỹ.
