Helium rất khó thay thế

• Helium chỉ có thể thu được như phụ phẩm trong khai thác khí tự nhiên nên cực kỳ dễ bị tổn thương bởi xung đột địa chính trị hay gián đoạn chuỗi cung ứng.
• Nhờ khả năng làm lạnh siêu thấp và tính trơ, helium trở thành tài nguyên thiết yếu trong MRI, bán dẫn, sợi quang, hàng không vũ trụ, nghiên cứu khoa học.
• Trong quang khắc EUV và làm mát nam châm siêu dẫn, về mặt vật lý không có khí thay thế cho helium.
• Một số lĩnh vực đã giảm lượng tiêu thụ bằng hệ thống tái chế, nhưng không thể thay thế hoàn toàn.
• Cung cấp helium gắn trực tiếp với sản xuất khí tự nhiên, vì vậy quy định môi trường và chậm trễ mở rộng hạ tầng dẫn đến rủi ro thiếu hụt cung ứng trong dài hạn.

---

Chuỗi cung ứng helium và tính không thể thay thế

• Cuộc chiến Iran và cuộc phong tỏa eo biển Hormuz khiến chuỗi cung ứng dầu mỏ lẫn helium cùng chịu tác động nghiêm trọng.
  • Helium được sản xuất từ phụ phẩm của khai thác khí tự nhiên, trong đó Qatar chiếm khoảng 1/3 nguồn cung toàn cầu.
  • Việc phong tỏa eo biển làm giá helium tăng vọt và các nhà cung cấp tuyên bố sự kiện bất khả kháng (force majeure).
  • Dự trữ helium chiến lược do chính phủ Hoa Kỳ duy trì đã được thanh lý xong vào năm 2024.

Đặc tính và cơ cấu sản xuất helium

• Helium là phần tử nhẹ thứ hai sau hydro và là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vũ trụ.
  • Ở khí quyển, heli rất nhẹ nên thoát lên không gian, vì vậy chỉ có thể khai thác thương mại từ các tầng khí tự nhiên ngầm.
  • Helium được tạo ra từ sự phân rã phóng xạ của uranium và thorium, rồi tích tụ trong các tầng khí trong hàng triệu năm.
• Hoa Kỳ và Qatar đảm nhiệm khoảng 2/3 sản lượng toàn cầu; phần còn lại do Nga, Algérie, Canada, Trung Quốc, Ba Lan... sản xuất.
  • Helium có điểm sôi thấp nhất trong các nguyên tố ở 4,2K(-452°F).
  • Có thể duy trì ở trạng thái lỏng ngay cả tại điểm không tuyệt đối, nên bắt buộc cho làm lạnh siêu thấp.
  • Với tính chất trơ, độ dẫn nhiệt cao, trọng lượng nhẹ nên được ứng dụng trong nhiều ngành.

Các công dụng công nghiệp chính của helium

• Tổng tiêu thụ toàn cầu hàng năm khoảng 180 triệu m³, dù thấp hơn nitơ hay khí tự nhiên nhưng là tài nguyên cốt lõi không thể thay thế.

• Thiết bị MRI

  • Chiếm khoảng 17% lượng helium tiêu thụ tại Hoa Kỳ.
  • Dùng để làm lạnh nam châm siêu dẫn; nam châm NbTi duy trì siêu dẫn chỉ ở nhiệt độ 9,2 K trên điểm không tuyệt đối.
  • Trước đây mất đến 0,4 lít mỗi giờ, hiện nay với thiết kế “zero boiloff” gần như không cần tiếp nạp.
  • Một số MRI siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn tồn tại, nhưng phần lớn 50.000 máy MRI vẫn phụ thuộc helium.

• Công nghiệp bán dẫn

  • Chiếm khoảng 25% lượng helium toàn cầu, khoảng 10% tại Hoa Kỳ.
  • Được dùng trong sinh trưởng silic theo phương pháp Czochralski, quang khắc EUV, làm sạch buồng chân không, phát hiện rò rỉ.
  • Thiết bị EUV không thể thay thế vì helium gần như không hấp thụ bức xạ EUV.
  • Theo báo cáo ngành, nhu cầu helium dự kiến tăng 5 lần vào năm 2035.

• Sản xuất sợi quang

  • Chiếm 5~6% lượng helium toàn cầu.
  • Dùng làm khí làm mát để ngăn tạo bọt khí khi kết hợp lõi và vỏ bằng thủy tinh.
  • Không có khí thay thế nào khác.

• Khí purge

  • Trong công nghiệp hàng không vũ trụ, dùng để làm sạch bình hydro lỏng và oxy lỏng.
  • NASA là nhà tiêu thụ helium lớn nhất tại Hoa Kỳ, chiếm khoảng 7% tổng tiêu thụ.
  • Nhờ điểm sôi thấp và tính trơ, rất khó thay bằng khí khác.

• Khí nâng

  • Dùng cho khinh khí cầu và bóng bay, chiếm khoảng 18% lượng tiêu thụ tại Hoa Kỳ.

    • An toàn hơn hydro nhưng biến động giá rất mạnh khi nguồn cung khan hiếm.

• Nghiên cứu khoa học và đo lường

  • Khoảng 22% lượng helium tại Hoa Kỳ.
  • Bắt buộc cho các thiết bị như nam châm siêu dẫn, SQUID, máy quang khối phổ hoạt động ở nhiệt độ siêu thấp hoặc cần độ chính xác cao.
  • Còn được dùng với khối lượng lớn tại các cơ sở nghiên cứu lớn như CERN LHC.

• Hàn

  • Khoảng 8% lượng helium tại Hoa Kỳ.
  • Nhờ tính trơ và độ dẫn nhiệt cao, helium phù hợp làm khí che chắn bảo vệ khi hàn kim loại nóng chảy.
  • Ở nước ngoài, helium thường được thay thế bằng argon.

• Lặn

  • Khoảng 5% lượng helium tại Hoa Kỳ.
  • Có trong Trimix (khí hỗn hợp lặn) để tránh ngộ độc/narkôza nitơ ở độ sâu lớn.
  • Ngoài helium, chỉ có neon mới có thể thay thế một phần, nhưng khí này làm tăng trở kháng hô hấp nên tính thực tiễn thấp.

Nỗ lực tiết kiệm và tái chế helium

• Một số lĩnh vực giảm tiêu thụ nhờ khí thay thế hoặc hệ thống tái chế.
  • Việc giảm thất thoát helium trong thiết bị MRI, và khi NASA triển khai hệ thống tái chế, lĩnh vực hàng không vũ trụ đã giảm từ 18,2 triệu m³ (26%) năm 2010 xuống 4,0 triệu m³ (7%).
  • Tuy nhiên, phần lớn helium tại Hoa Kỳ vẫn chưa được thu hồi, tiềm năng cắt giảm hơn 90% nhờ tái chế.
• Helium không thể thay thế hoàn toàn; ‘giảm’ là khả thi, nhưng ‘loại bỏ’ rất khó.

Hạn chế nguồn cung và hàm ý chính sách

• Cung ứng helium gắn trực tiếp với sản lượng sản xuất khí tự nhiên.
  • Để có helium mới, biện pháp trực tiếp nhất là mở rộng khai thác khí tự nhiên.
  • Tại Hoa Kỳ vẫn còn các tầng khí chưa khai thác ở Alaska, Vịnh Mexico, khu đá phiến Marcellus.
  • Tuy nhiên, do quy định môi trường và chậm trễ cấp phép, nhiều dự án mới phải mất hơn 10 năm để được phê duyệt.
• Hạn chế nguồn helium và khí tự nhiên khiến xuất hiện biến động giá và rủi ro an ninh.
  • Do đó, sự can thiệp của chính sách và mở rộng hạ tầng là bài toán then chốt cho việc ổn định nguồn cung

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Dưới 10% nhà máy phát điện khí tự nhiên thu hồi helium, phần còn lại xả vào khí quyển.
  Đây không phải là vấn đề về vật lý mà là vấn đề kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.

  • Tôi nghĩ càng giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch, vấn đề này càng lớn.
    Tạo helium từ năng lượng nhiệt hạch là điều không thực tế, nhưng nếu có một tương lai bắn proton vào hydro để bơm helium cho bóng thì đúng như khoa học viễn tưởng.
    Helium là khí trơ nên không có phân tử nào có thể phân tách được, và việc có được từ phân rã phóng xạ cũng có giới hạn.
  • Cuối cùng, khi tính khan hiếm xuất hiện, giá thị trường sẽ điều chỉnh.
    Tôi nghĩ rằng việc các công ty không hành động theo tầm nhìn dài hạn là do cơ cấu thưởng.

• Tôi không lo về tình trạng thiếu hụt helium.
  Về mặt kỹ thuật, có thể khai thác đủ tốt, và vấn đề nằm ở chi phí kinh tế.
  Khi giá tăng, đầu tư sẽ tăng và nguồn cung sẽ theo kịp.
  Hiện tại, dự báo cầu và chi phí đầu tư chưa khớp nên hiệu quả kinh tế chưa tốt.

  • Nhưng nếu cầu tiếp tục tăng, trữ lượng “rẻ” có thể cạn kiệt trong 40~60 năm.
    Với tốc độ tăng trưởng 3%/năm thì sau 80~140 năm, 5%/năm thì sau 50~90 năm sẽ cạn kiệt.
    Nói “không lo” rốt cuộc chỉ là một quan điểm vị kỷ thế hệ.

• Gần đây tôi nghe podcast Odd Lots của Bloomberg.
  Nó nói về cấu trúc thị trường helium và vấn đề cung ứng của helium.

• Khi con trai tôi từng bị cơn hen nặng, liệu pháp helium đã cứu cậu ấy.
  Bác sĩ đã nhắc tới chuyện thiếu hụt helium và nói rằng rất ghét helium cho bóng bay.
  Nhờ đó tôi mới thấy đây là một tài nguyên quý giá.

• Nếu chỉ giảm các công dụng có thể thay thế như hàn, nâng đỡ, khí xả… chỉ riêng những việc này đã có thể bù đắp toàn bộ sản lượng của Qatar.
  Cộng thêm tái chế nữa, vấn đề cung ứng có thể được cải thiện đáng kể.

• Đang có thí nghiệm thay thế một phần helium bằng hydrogen trong khí hỗn hợp lặn.
  Nguy cơ cháy nổ và tác động sinh lý còn chưa rõ ràng, nhưng có tiềm năng cho lặn thương mại, quân sự và thăm dò.
  Người lặn thể thao giải trí thường không sử dụng hydrogen.
  Bài viết liên quan

  • Tôi nghĩ việc phát triển robot lặn dưới nước còn tốt hơn là cho con người lặn trực tiếp.
    Nếu tăng độ chính xác của cánh tay robot điều khiển từ xa thì có thể thay thế hoàn toàn.
  • Người lặn thể thao giải trí thường gần như không dùng helium.

• Tập podcast Odd Lots này rất thú vị.
  Nó kể về chuyện Mỹ đã bán rẻ trữ lượng helium chiến lược với lý do là “dùng cho bóng bay”, và khó khăn trong sản xuất, tinh chế và vận chuyển helium.

  • Thật ra việc bán trữ lượng này không diễn ra một lần mà được thực hiện dần dần.
    Khi đó giá trị chiến lược của helium thấp, và trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh, bóng bay trinh sát quân sự mới là mục đích chính.
    Sau đó người ta không ngờ helium sẽ trở thành tài nguyên quan trọng cho lithography bán dẫn.
  • Vì Mỹ là nhà cung cấp chính nên thị trường bị méo mó.
    Khi dùng trữ lượng chiến lược như nguồn cung thường trực và vì thế đè giá một cách nhân tạo, đã dẫn đến tình trạng thiếu hụt hiện tại.
  • Có thể nói đùa rằng, helium có thể có nhiều hơn ở tầng trên khí quyển.

• Mối lo lớn nhất là sự phụ thuộc vào EUV lithography.
  MRI đã giảm tiêu thụ trên 90% nhờ thiết kế không bốc hơi, nhưng trong quy trình bán dẫn thì lượng helium trên mỗi wafer vẫn đang tăng.
  Đây không phải vấn đề tái chế mà là vấn đề tăng cầu.

  • Tuy vậy, các nhà máy EUV vẫn có thể trả mức giá cao hơn nhiều so với các ngành khác.

• Tác động kinh tế của sự gián đoạn chuỗi cung ứng helium có thể kéo dài hàng chục năm.
  Điều đáng lo ngại là trong Mỹ có quá ít người nhận ra sự nghiêm trọng của vấn đề này.

• Tôi nhớ lại bài luận The Vanishing Element của Asimov mà đọc từ thập niên 1980.
  Ông từng cảnh báo rằng helium khi đã thải ra khí quyển là một tài nguyên biến mất vào không gian.
  Cảm giác như lời tiên đoán đó đang thành sự thật.

  • Nhưng thực tế helium không đơn giản bay lên cao rồi biến mất.
    Trong khí quyển, nó trộn cùng không khí và chỉ một phần đạt đến vận tốc thoát.
    Một phần thoát ra không gian do tác động của gió Mặt Trời và nhiều yếu tố phức hợp khác, nhưng cơ chế chính xác vẫn còn tranh cãi.