Động cơ siêu nhỏ tự vận hành để khai thác uranium từ nước biển

Các nhà nghiên cứu tại Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc vừa chế tạo một động cơ siêu nhỏ, chạy bằng ánh sáng, có thể di chuyển trong nước và chủ động thu giữ các ion uranium, đánh dấu một bước tiến trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến để khai thác tài nguyên.

Được phát triển tại Viện Hồ Muối Qinghai, hệ thống này dựa trên khung kim loại hữu cơ (MOF), có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành chuyển động, cho phép hệ thống hoạt động như thiết bị thu gom tự vận hành ở cấp độ vi mô.

Uranium vẫn là nhiên liệu quan trọng cho các lò phản ứng hạt nhân. Mặc dù uranium ước tính có khoảng 4,5 tỉ tấn hòa tan trong nước biển, nhưng nồng độ cực thấp của nó, từ lâu đã khiến việc khai thác trở nên phức tạp về mặt kỹ thuật và không khả thi về mặt kinh tế.

Khi Trung Quốc đẩy nhanh phát triển điện hạt nhân, việc đảm bảo nguồn cung uranium ổn định trở thành ưu tiên chiến lược, nhất là trong bối cảnh Trung Quốc vẫn dựa vào nhập khẩu. Điều này làm tăng tính cấp thiết tìm kiếm thêm phương pháp khai thác, bao gồm cả phương pháp khai thác từ tài nguyên biển.

Theo nhóm nghiên cứu, các công trình nghiên cứu trước đây về động cơ siêu nhỏ điều khiển bằng ánh sáng, phần lớn chưa nhắm mục tiêu cụ thể vào uranium. Mặc dù công nghệ này, về cơ bản không phải là mới, nhưng việc ứng dụng nó vào khai thác uranium vẫn còn ít được khám phá.

Ở cấp độ vi mô, nhóm nghiên cứu chế tạo ra các hạt xốp, giống như bọt biển, có đường kính khoảng 2 micromet, mỏng hơn nhiều so với sợi tóc người, đồng thời điều chỉnh thành phần hóa học bên trong của chúng để duy trì sự ổn định lâu dài trong môi trường nước.

Các hạt này hoạt động như động cơ siêu nhỏ. Khi tiếp xúc với một lượng nhỏ hydro peroxide, chúng tạo ra lực đẩy và di chuyển trong nước với tốc độ khoảng 7 micromet mỗi giây, cho phép điều hướng chủ động thay vì khuếch tán thụ động.

Khi tiếp xúc ánh sáng, các hạt tăng tốc, gần như tăng gấp đôi tốc độ và nhận được hỗ trợ từ năng lượng mặt trời. Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chúng cho thấy hiệu quả cao trong việc chiết xuất uranium từ nước, thu giữ tới 406 miligram trên mỗi gram. Uranium sau đó chuyển đổi thành dạng khoáng chất ổn định, giúp dễ dàng tách và lưu trữ an toàn.

Khác với chất hấp thụ thông thường dựa vào tiếp xúc thụ động, hệ thống mới chủ động di chuyển trong nước để định vị và thu giữ ion uranium. Sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời, động cơ siêu nhỏ vận hành tự động thay vì cố định tại chỗ, đem đến giải pháp tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường hơn so với các vật liệu truyền thống, thụ động.

Trong các thí nghiệm có kiểm soát, nhóm nghiên cứu ghi nhận các hành vi phản ánh động lực giữa kẻ săn mồi và con mồi trong sinh học. Khi các động cơ siêu nhỏ chủ động kết hợp với các hạt keo thụ động, hệ thống thể hiện mô hình tương tự như “săn mồi”, “trốn thoát” và chuyển động bầy đàn phối hợp, các tương tác này thay đổi theo sự thay đổi nồng độ nhiên liệu.

Theo nhóm nghiên cứu, khái niệm cơ bản này có thể mở rộng để thu hồi các nguyên tố chiến lược khác như rubidium và caesium. Mặc dù kết quả ban đầu đầy hứa hẹn, nhưng công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và sẽ gặp các thách thức đáng kể về khả năng mở rộng quy mô.

Môi trường có độ mặn cao, chẳng hạn như hồ muối, hiện đang hạn chế hoạt động của các động cơ siêu nhỏ. Các nhà khoa học cho biết thêm, quá trình tinh chỉnh cải tiến vẫn đang tiếp diễn, nhấn mạnh việc chuyển đổi hệ thống này thành ứng dụng thực tế, sẽ đòi hỏi nghiên cứu và cải tiến kỹ thuật liên tục.