Thế giới đang đối mặt với bài toán thiếu hụt đồng ngày càng nghiêm trọng. Hàm lượng đồng trong quặng đang sụt giảm mạnh, buộc các doanh nghiệp phải đầu tư nhiều nguồn lực hơn để khai thác được cùng một lượng kim loại. Trong khi đó, việc phát triển các mỏ mới thường mất nhiều năm do chi phí lớn và những rào cản pháp lý. Dẫu vậy, nhu cầu đồng vẫn không ngừng gia tăng khi cuộc cách mạng điện khí hóa trên toàn cầu đang diễn ra với tốc độ ngày càng nhanh.

“Về cơ bản, đồng chính là kim loại giữ vai trò nền tảng cho quá trình chuyển đổi này”, ông Kwasi Ampofo, Giám đốc bộ phận nghiên cứu kim loại và khai khoáng tại BloombergNEF, nhận định.

Chẳng hạn, để sản xuất một chiếc xe điện, các nhà sản xuất cần lượng đồng nhiều gấp ba đến bốn lần so với xe sử dụng động cơ đốt trong. Ông Ampofo cảnh báo rằng nếu không bảo đảm được nguồn cung ổn định, thế giới sẽ phải lựa chọn giữa việc làm chậm quá trình điện khí hóa giao thông hoặc chấp nhận trả mức chi phí cao hơn đáng kể để duy trì tiến độ chuyển đổi.

Theo báo cáo được công ty nghiên cứu S&P Global công bố vào tháng 1, thế giới có thể thiếu hụt tới 10 triệu tấn đồng vào năm 2040, tương đương khoảng cách 25% giữa nguồn cung và nhu cầu dự kiến.

Tình trạng thắt chặt nguồn cung đang thúc đẩy sự ra đời của những giải pháp khai thác mới. Tại bang Arizona của Mỹ, chủ sở hữu mỏ đồng Carlota là KGHM Polska Miedz S.A. gần đây đã tìm đến một đội ngũ “thợ mỏ” đặc biệt nhằm kéo dài tuổi thọ của khu mỏ vốn đã qua thời kỳ khai thác hiệu quả nhất. Hàng triệu “thợ mỏ” này được đưa đến từ một phòng thí nghiệm ở Colorado, bên trong những thùng chứa có kích thước tương đương thùng phuy.

Thực chất, đó là những vi sinh vật chuyên biệt có khả năng sinh trưởng trong môi trường axit. Chúng giúp giải phóng đồng khỏi quặng bằng cách phân giải các hợp chất sắt và lưu huỳnh bao quanh.

Endolith, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Denver, là đơn vị cung cấp những vi sinh vật này cho KGHM. Công ty sẽ tiếp tục nhân nuôi chúng trong các thiết bị phản ứng sinh học được lắp đặt ngay tại khu mỏ.

Sau đó, các vi sinh vật được dẫn vào hệ thống phun tưới và hòa trộn với axit sulfuric. Hỗn hợp này được tưới nhỏ giọt lên những đống đá nghiền khổng lồ, trong đó có những đống trải rộng trên diện tích tương đương 10 sân vận động. Tại đây, hàng loạt phản ứng sinh hóa diễn ra, giúp giải phóng đồng khỏi quặng thông qua một phương pháp được gọi là ngâm chiết sinh học (bioleaching).

Nếu mọi việc diễn ra đúng kế hoạch, đội ngũ “thợ mỏ” vi sinh của Endolith sẽ giúp thu hồi thêm đồng từ những đống quặng, đồng thời giảm lượng axit sulfuric cần sử dụng, trong bối cảnh chiến sự tại Iran đang đẩy giá nguyên liệu đầu vào này tăng vọt.

Endolith hiện chưa tiết lộ ước tính về sản lượng đồng có thể khai thác thêm, với lý do thử nghiệm vẫn đang trong giai đoạn đầu. Tuy nhiên, ông Brock Johnston, người phụ trách vận hành mỏ Carlota cho KGHM, đã tỏ ra hào hứng trước triển vọng tăng sản lượng trong khi giảm lượng hóa chất sử dụng.

“Bất kỳ cải thiện nào cũng đều mang lại lợi ích”, ông Johnston nói. Sau nhiều năm khai thác liên tục, sản lượng tại Carlota hiện chỉ còn khoảng một phần ba so với thời kỳ đỉnh cao. Nếu không có biện pháp can thiệp, tổ hợp khai thác từng tiêu tốn hàng trăm triệu USD để xây dựng này dự kiến sẽ phải đóng cửa vào cuối thập niên.

Trong bối cảnh đồng giữ vai trò thiết yếu đối với hàng loạt lĩnh vực, từ xe điện, lưới điện, thiết bị năng lượng tái tạo cho đến các trung tâm dữ liệu trí tuệ nhân tạo (AI), ông Johnston không khỏi lo ngại trước viễn cảnh mỏ phải ngừng hoạt động theo kế hoạch. “Tôi lo ngại tình hình sẽ diễn biến ra sao trong dài hạn nếu chúng ta không thể đáp ứng kịp nhu cầu”, ông nói.

Các doanh nghiệp khai khoáng, từ lớn đến nhỏ, đang chạy đua tìm kiếm những phương pháp giúp thu hồi thêm đồng từ quặng. Jetti Resources, một công ty khởi nghiệp khác có trụ sở tại Colorado, đang phát triển các chất xúc tác hóa học độc quyền nhằm phân giải những loại quặng sulfua khó xử lý. Tại bang Missouri, Emerson Electric Co. đang nâng cấp các hệ thống ngâm chiết quặng truyền thống bằng cảm biến thông minh và công nghệ tự động hóa.

Trong khi đó, Nuton, công ty con của tập đoàn khai khoáng Anh - Úc Rio Tinto Group, đang phát triển giải pháp khai thác đồng bằng vi sinh vật của riêng mình. Đầu năm nay, Rio Tinto đã ký thỏa thuận cung cấp cho Amazon.com Inc. nguồn đồng được sản xuất bằng công nghệ này.

“Vẫn còn rất nhiều điều chúng ta có thể làm được”, ông Buz Barstow, phó giáo sư thuộc Khoa Kỹ thuật sinh học và môi trường tại Đại học Cornell, nhận định. Theo ông, công nghệ ngâm chiết sinh học thế hệ mới vẫn còn nhiều dư địa để phát triển.

Những hình thức sơ khai của công nghệ này đã được ghi nhận tại Trung Quốc cách đây khoảng 2.500 năm, dù các học giả thời cổ đại chưa hiểu rõ cơ chế khoa học đằng sau. Đến thập niên 1940, các nhà khoa học Mỹ xác định được những loại vi khuẩn có khả năng phân giải khoáng chất trong đá, đặt nền móng cho công nghệ ngâm chiết sinh học công nghiệp hiện đại. Ngày nay, phương pháp này được ước tính đóng góp khoảng 20% sản lượng đồng khai thác trên toàn cầu.

Tuy nhiên, dù đã trải qua nhiều thập niên cải tiến từng bước, các phương pháp truyền thống vẫn chưa khai thác hết tiềm năng của vi sinh vật, mở ra cơ hội cho những đột phá công nghệ mới.

Tại phòng thí nghiệm của Endolith ở Denver, các nhà khoa học đưa vi sinh vật vào những môi trường khắc nghiệt, từ nhiệt độ cao, axit có nồng độ mạnh cho đến các điều kiện độc hại, buộc chúng phải thích nghi với những điều kiện tương tự tại các khu mỏ.

“Chúng tôi đưa vi sinh vật vào một trại huấn luyện”, bà Liz Dennett, nhà sáng lập kiêm Giám đốc điều hành Endolith, cho biết. Bà ví phương pháp này như quá trình rèn luyện vận động viên trước khi tham dự Thế vận hội Olympic.

Theo bà Dennett, cách tiếp cận đó giúp đội ngũ nghiên cứu đưa các vi sinh vật vào “trạng thái thể lực tốt nhất”, đồng thời lựa chọn được “đội hình tiên phong phù hợp” để thực hiện nhiệm vụ khai thác.

Không giống các phương pháp tuyển đồng sinh học truyền thống vốn dựa vào một chủng vi khuẩn duy nhất, Endolith còn nuôi cấy các cộng đồng vi sinh vật đa dạng, kết hợp nhiều chủng khác nhau, thậm chí lên tới hàng chục chủng, nhằm bảo đảm tỷ lệ sống sót và hiệu suất cao hơn sau khi được đưa vào thực địa.

Khi một đối tác khai khoáng cung cấp mẫu quặng, các nhà khoa học sẽ lựa chọn một số cộng đồng vi sinh vật đã được tối ưu hóa từ nguồn dự trữ của Endolith, đưa chúng vào các ống thủy tinh chứa đầy quặng đã nghiền, rồi tiến hành các thử nghiệm mô phỏng điều kiện tại những đống quặng tuyển của khách hàng. Trong vài tháng tiếp theo, các nhóm vi sinh vật sẽ cạnh tranh để xác định nhóm nào thu được nhiều đồng nhất. Ngoài việc đo lượng khoáng chất đã hòa tan, các nhà khoa học tại đây còn cắt đôi những ống thí nghiệm như cắt xúc xích để đánh giá phần vật chất còn lại bên trong.

Được thành lập vào năm 2023, Endolith đã huy động khoảng 23 triệu USD vốn đầu tư mạo hiểm từ các nhà đầu tư, trong đó có Squadra Ventures, Draper Associates và Collaborative Fund. Công ty cũng hợp tác với những tập đoàn lớn trong ngành như BHP Group và Rio Tinto để đánh giá công nghệ của mình. Dù không đưa ra ước tính cho từng dự án cụ thể, công ty cho biết mục tiêu chung là thu hồi thêm ít nhất 10% đồng từ quặng cấp thấp.

Startup này cũng muốn thay đổi cách triển khai vi sinh vật tại các mỏ. Trước đây, các đơn vị khai khoáng thường xem tuyển đồng sinh học là một quy trình tĩnh, chỉ đơn giản rải vi khuẩn lên các đống quặng rồi để đó. Tuy nhiên, do nhiệt độ và độ axit bên trong đống quặng liên tục thay đổi, Endolith dự định theo dõi hoạt động của chúng và điều chỉnh hỗn hợp vi sinh vật nhằm tối ưu hóa khả năng thu hồi.

Tuy nhiên, tham vọng đó đã khiến một số chuyên gia hoài nghi.

Một đống quặng tuyển thương mại là "một hệ thống chủ động với những quy luật riêng," Jaeheon Lee, phó giáo sư chuyên về tuyển đồng sinh học tại Trường Mỏ Colorado, nói.

"Kiểm soát một đống quặng gần như là điều bất khả thi," ông nói thêm.

Dù vậy, các nhà khoa học đứng sau làn sóng thúc đẩy công nghệ tuyển đồng sinh học mới nhất cho rằng những đột phá công nghệ gần đây đã tạo ra khác biệt so với các nỗ lực thất bại trong quá khứ.

Christine Green, Phó Tổng Giám đốc phụ trách công nghệ và vận hành của Endolith, từng trực tiếp trải nghiệm những hạn chế của các phương pháp truyền thống khi tiến hành các thí nghiệm tuyển đồng sinh học cho công ty khai khoáng Mỹ Freeport-McMoRan trong những năm 2000. Bà nhớ lại rằng khi đó, Green thậm chí không thể kiểm tra cách vi sinh vật tương tác với khoáng chất ở sâu bên trong các đống quặng, chứ chưa nói đến việc cải thiện quy trình. Ngày nay, những tiến bộ trong công nghệ giải trình tự DNA và điện toán đám mây đã mang lại cho bà hy vọng mới trong việc giải quyết thách thức này.

Green cho biết trước đây, các phân tích trong phòng thí nghiệm có thể mất nhiều tháng mới hoàn tất, còn những công cụ mới nhất hiện cho kết quả trong vòng 24 giờ. Hơn nữa, AI cho phép các nhà khoa học xử lý và phân tích khối lượng dữ liệu khổng lồ hiệu quả và nhanh chóng hơn. Bà nói lượng thông tin mới thu được "sẽ tạo ra khác biệt đáng kể."

Vẫn còn phải chờ xem Endolith có thể biến lời hứa đó thành hiện thực hay không. Giống nhiều công ty khác đang tìm cách cách mạng hóa công nghệ tuyển đồng sinh học, startup này mới bắt đầu mở rộng công nghệ từ quy mô phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp. Phép thử thực sự sẽ bắt đầu trong vài tháng tới, khi Endolith triển khai cuộc thử nghiệm thực địa đầu tiên trên một đống quặng quy mô thương mại tại mỏ Carlota.

"Chứng minh công nghệ này hoạt động ngoài thực địa sẽ là bước ngoặt," Dennett nói. Không giống môi trường phòng thí nghiệm, nơi mọi thứ đều được kiểm soát, hoạt động tuyển quặng đống ngoài trời khiến các vi sinh vật đã được tối ưu hóa phải đối mặt với các yếu tố tự nhiên và những tình huống bất ngờ trong vận hành.

Ngay cả khi thử nghiệm tại Carlota thành công, các chuyên gia trong ngành cho rằng Endolith vẫn phải vượt qua nhiều rào cản khác trước khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi hơn. Do đặc điểm khoáng vật, hóa học của quặng và hệ vi sinh vật môi trường khác nhau giữa các ngọn núi, startup này phải điều chỉnh giải pháp cho từng khách hàng.

"Việc tìm ra một quy trình tuyển đồng sinh học kỳ diệu có thể mở rộng từ mỏ này sang mỏ khác là khoảng trống mà ngành đang tìm cách lấp đầy," Ampofo thuộc BNEF nói.

Endolith thu phí từ các đơn vị khai khoáng cho giải pháp vi sinh vật và dịch vụ giám sát tại chỗ. Dennett ước tính mô hình kinh doanh của startup có thời gian hoàn vốn tài chính dưới một năm, nhưng hiệu quả kinh tế của mô hình này ở quy mô lớn vẫn chưa được kiểm chứng. Chi phí môi trường cũng là một vấn đề. Các chuyên gia trong ngành cho rằng việc nuôi vi sinh vật trong các lò phản ứng sinh học để thu hồi kim loại từ những mỏ hiện hữu có dấu chân carbon và sinh thái nhỏ hơn so với việc đào các mỏ mới, nhưng vẫn cần thêm nghiên cứu để hiểu đầy đủ tác động.

Trở lại Arizona, Johnston nóng lòng muốn biết liệu lực lượng lao động siêu nhỏ này có thể mang lại sức sống mới cho mỏ của ông hay không. Ông cho biết nếu thử nghiệm chứng minh được giá trị, KGHM sẽ cân nhắc triển khai công nghệ này tại nhiều mỏ hơn.

Từng được định hình bởi tâm lý ngại rủi ro, ngành khai khoáng toàn cầu hiện buộc phải thích nghi.

"Cần phải có sự thay đổi vì chúng ta cần những cải tiến này," Johnston nói, đồng thời cho rằng công nghệ có thể đóng vai trò "khá quan trọng" trong tương lai của ngành khai thác đồng. Sau cùng, ông nói, "họ thực sự muốn tối đa hóa những gì có thể thu được."