Magie: từ nước biển, đèn chớp đến máy bay và vệ tinh

Magie có mặt nhiều trong vỏ Trái Đất và là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong nước biển, nhưng con người không thể đơn giản vớt kim loại này từ đại dương. Trong tự nhiên, magie luôn liên kết với các nguyên tố khác. Muốn có kim loại nguyên chất, người ta phải phá những liên kết đó bằng một quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng. Chính rào cản này giải thích vì sao magie được nhận diện từ sớm nhưng phải chờ công nghệ điện phân mới bước vào sản xuất thương mại. [1]

Từ một vật liệu ít đầu ra, magie trở nên quan trọng khi ba nhu cầu gặp nhau: ánh sáng mạnh cho nhiếp ảnh và chiến trường, vật liệu nhẹ cho phương tiện, cùng khả năng sản xuất quy mô lớn từ nước muối. Hai cuộc thế chiến tạo cú hích ban đầu, còn nghiên cứu hợp kim giúp kim loại này đi xa hơn, từ động cơ và máy bay tới khí cầu tầng bình lưu và vệ tinh. [1]

Vì sao một nguyên tố dồi dào lại khó sử dụng?

Nhà hóa học Scotland Joseph Black nghiên cứu magnesium carbonate vào thập niên 1750. Đến năm 1808, Humphry Davy xác định magnesia là oxide của một kim loại mới. Tuy vậy, phải khoảng hai thập niên nữa Antoine Bussy mới thu được magie ở dạng kim loại. Khoảng cách giữa việc nhận ra một nguyên tố và sản xuất được nó cho thấy vấn đề cốt lõi: sự dồi dào về hóa học không đồng nghĩa với khả năng khai thác dễ dàng. [1]

Vàng hoặc đồng có thể xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại, còn magie thường nằm trong các hợp chất. Vì thế, quặng hay nước biển mới chỉ là nguyên liệu chứa magie. Để biến nguyên liệu ấy thành thỏi kim loại, cần nhiều công đoạn làm sạch, chuyển hóa và tách. Giá điện, thiết bị chịu nhiệt và quy mô nhà máy đều ảnh hưởng trực tiếp đến việc sản xuất có sinh lợi hay không. [1]

Điện phân đã mở khóa magie như thế nào?

Sản xuất thương mại bắt đầu tại Đức năm 1886 nhờ một phiên bản cải tiến từ tế bào điện phân của Robert Bunsen. Magnesium chloride được nung đến trạng thái nóng chảy, trong khoảng 655–720°C, rồi cho dòng điện chạy qua. Điện năng phân tách hợp chất thành magie nóng chảy và khí chlorine. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này vẫn tiếp tục được sử dụng về sau. [1]

Có thể hình dung điện phân như việc dùng dòng điện buộc hai thành phần đang gắn với nhau đi về hai phía khác nhau. Tuy nhiên, đây không phải thao tác chỉ cần điện cực và nước biển. Magnesium chloride phải được chuẩn bị ở dạng phù hợp, thiết bị phải làm việc ở nhiệt độ cao và sản phẩm cần được thu mà không để phản ứng ngược. Bởi vậy, bước tiến quyết định không chỉ là hiểu phản ứng hóa học mà còn là biến nó thành một dây chuyền ổn định. [1]

Nước muối Michigan đã tạo ra bước ngoặt nào?

Dưới Midland, bang Michigan, có lớp nước muối cổ giàu magnesium chloride và nhiều hóa chất khác. Herbert H. Dow đã khai thác bromine và chlorine từ nguồn nước muối này trước khi chuyển sang magie. Khi cuộc phong tỏa của hải quân Anh trong Thế chiến thứ nhất làm nguồn nhập khẩu từ Đức bị gián đoạn, giá magie tăng lên, tạo cơ hội để Dow bước vào một thị trường vốn nhỏ và khó sinh lời. [1]

Sau thời gian thử nghiệm, nhân viên Dow tạo được thỏi magie đầu tiên vào năm 1916 bằng một tế bào điện phân thực nghiệm. Công ty sau đó mở rộng sản xuất để phục vụ nhu cầu thời chiến. Khi chiến tranh kết thúc, nhu cầu giảm nhanh và phần lớn nhà sản xuất Mỹ rời ngành. Dow vẫn tiếp tục vì cho rằng giá trị lâu dài của magie không chỉ nằm ở khả năng cháy sáng mà còn ở tiềm năng làm vật liệu cấu trúc nhẹ. [1]

Tại sao đèn chớp và chiến tranh cần magie?

Ứng dụng dễ nhận thấy đầu tiên của magie bên ngoài phòng thí nghiệm là tạo ánh sáng mạnh. Đặc tính này phù hợp với đèn chớp trong nhiếp ảnh, khi người chụp cần một nguồn sáng ngắn nhưng đủ mạnh để ghi hình. Trong Thế chiến thứ nhất, magie còn xuất hiện trong đạn chiếu sáng dùng để soi chiến trường ban đêm, đạn vạch đường, pháo sáng và vũ khí gây cháy. [1]

Khả năng cháy sáng và khả năng làm vật liệu nhẹ là hai vai trò khác nhau của cùng một nguyên tố. Magie nguyên chất không đủ bền cho phần lớn kết cấu. Khi pha thêm lượng nhỏ những kim loại như nhôm, kẽm và mangan, người ta tạo được hợp kim khỏe hơn mà vẫn giữ lợi thế nhẹ, đồng thời khắc phục một phần vấn đề ăn mòn. Chính hợp kim, chứ không phải magie nguyên chất, đã mở đường cho các bộ phận phải chịu lực. [1]

Dow đưa các hợp kim này ra thị trường với tên Dowmetal. Piston magie ban đầu đắt hơn sản phẩm từ hợp kim khác, nhưng được các tay đua ô tô chú ý vì giảm khối lượng của bộ phận chuyển động. Đến giữa thập niên 1920, magie bắt đầu được đưa vào động cơ máy bay, bộ phận càng đáp, ghế và bánh xe. Từ đây, kim loại từng chủ yếu tạo ánh chớp đã trở thành một lựa chọn kỹ thuật cho ngành hàng không. [1]

Từ đại dương đến tầng bình lưu và không gian ra sao?

Nguồn nước muối ở Michigan có giới hạn, nên ý tưởng tách magie trực tiếp từ biển trở nên hấp dẫn. Sau khi Herbert Dow qua đời năm 1930, con trai ông là Willard tiếp tục hướng đi này. Kinh nghiệm từ nhà máy thử nghiệm xử lý nước biển tại Kure Beach dẫn tới cơ sở mới ở Freeport, Texas. Nhà máy bắt đầu tách magie từ biển vào năm 1941, đúng lúc nhu cầu quân sự tăng mạnh. [1]

Quy trình tại Freeport dùng calcium oxide tạo từ vỏ hàu để kết tủa magnesium hydroxide trong nước biển. Chất này được cô đặc, phản ứng với hydrochloric acid để tạo dung dịch magnesium chloride, rồi làm khô trước khi điện phân. Khí chlorine sinh ra được đưa trở lại chu trình để tái tạo acid. Magie nóng chảy nổi trên bể muối, sau đó được múc và đổ vào khuôn thỏi. Như vậy, nước biển cung cấp nguyên liệu, nhưng hóa chất tuần hoàn, nhiệt và điện mới biến lượng magie hòa tan thành kim loại. [1]

Trước khi nhà máy nước biển hoạt động, Dowmetal đã được dùng làm khoang chở người cho các chuyến bay khí cầu tầng bình lưu từ năm 1933 đến 1935. Việc giảm khối lượng khoang giúp dành tải trọng cho người và thiết bị khoa học. Explorer II đạt độ cao 72.395 feet vào năm 1935, lập kỷ lục tồn tại 21 năm và mang theo nhiều dụng cụ nghiên cứu khí quyển, ozone cùng tia vũ trụ. [1]

Năm 1962, hợp kim magie tiếp tục xuất hiện trong khung ngoài của vệ tinh liên lạc Telstar 1 nhờ sự kết hợp giữa độ bền, khối lượng nhẹ và khả năng dẫn nhiệt. Hành trình ấy không phải câu chuyện về một kim loại đột nhiên được phát hiện lại. Đó là kết quả của nhiều bước nối tiếp: tìm được cách tách, duy trì sản xuất khi thị trường suy giảm, cải thiện bằng hợp kim và nhận ra rằng mỗi kilogram tiết kiệm được có thể mở rộng khả năng của xe đua, máy bay, khí cầu hay vệ tinh. [1]