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Les pistes pour réduire la dépendance

LUDOVIC FERY

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Certains métaux stratégiques pourraient venir à manquer dès 2014. Sensibilisés par cette pénurie annoncée, industriels et chercheurs s'activent pour trouver des alternatives. Voici quelques pistes de substitution partielle ou totale qui pourraient bientôt sortir des laboratoires.

Tellure, indium, galium, néodyme, dysprosium sont les cinq métaux jugés le plus critiques pour l'avenir de l'Europe. Outre l'exploration minière, le développement d'alternatives est une façon de réduire les tensions liées à l'approvisionnement. Une recherche qui se fait au cas par cas.

Dans le problème particulier des terres rares, la tâche est néanmoins loin d'être aisée. « En fait, tout dépend des applications : pour le polissage du verre, on peut se passer de cérium mais pas sans une baisse d'efficacité ; en catalyse chimique, le procédé peut également être repensé pour limiter la quantité utilisée », détaille Yves Lenain, consultant énergie chez Alcimed. À défaut de remplacer la matière première, l'optimisation des procédés peut s'avérer efficace.

SEVRAGE PARTIEL DÈS AUJOURD'HUI

Le néodyme, sous une forme soluble complexée notamment avec le chlore, est un catalyseur très performant de la polymérisation de diènes comme l'isoprène ou le butadiène. Sans que l'on sache encore bien l'expliquer, il agit sur la taille, l'homogénéité et la symétrie des macromolécules formées. « Au lieu d'obtenir une seule chaîne de polymères, on peut en utilisant un agent de transfert comme un dialkylmagnésien en obtenir dix avec la même quantité de néodyme », souligne Marc Visseaux, professeur à l'École nationale supérieure de chimie de Lille.

Cette stratégie du plus avec moins fonctionne encore mieux pour les batteries nickel-hydrure métallique (Ni-MH), dont la fabrication consomme beaucoup de lanthane. L'idée est de remplacer une portion de la terre rare par un autre élément, en l'occurrence du magnésium. « En plus d'économiser 15 à 25 % de lanthane, le magnésium a l'avantage d'être plus léger, moins cher et d'augmenter l'autonomie de la batterie », liste Michel Latroche. Cet alliage n'est pas encore optimal, nuance le chercheur, car la durée de vie reste inférieure à celle des accumulateurs Ni-MH traditionnels, le magnésium s'oxydant dans l'électrolyte. Ce qui n'empêche pas la solution d'être déjà sur le marché, pour les batteries de secours par exemple.

Enfin, pour les aimants permanents, les efforts se portent sur la miniaturisation. Les aimants au néodyme-fer-bore semblent incontournables pour l'essor de l'éolien offshore. Mais chaque mégawatt installé nécessite près de 200 kilogrammes de terres rares. À l'échelle d'une poignée d'atomes, les constructeurs espèrent doper les propriétés du néodyme. Un projet de General Electric, financé à hauteur de 2,2 millions de dollars par le département de l'énergie américain, vise à développer des aimants nanostructurés utilisant 80 % en moins de terres rares. La puissance de tels aimants dépasserait le seuil théorique atteignable grâce au néodyme classique.

REMPLACER LES TERRES RARES CRITIQUES PAR D'AUTRES

Cela n'élimine pas tout à fait le risque de pénurie. Pour égaler les performances du néodyme ou du dysprosium, un retour aux fondamentaux de la chimie s'impose. Sur le papier, utiliser d'autres éléments de la famille des lanthanides, plus disponibles, comme le cérium ou le praséodyme, fonctionne. C'est une des voies envisagées par les États-Unis pour fabriquer ses aimants. Le pays dispose en effet d'un important gisement de cérium à Mountain Pass, en Californie. Fermée au début des années 2000 pour des raisons environnementales, la mine doit prochainement rouvrir ses portes. « Le cérium va représenter près de la moitié des terres rares extraites de Mountain Pass, à tel point qu'il y aura un excédent sur le marché dont on ne saura pas quoi faire », explique Bill McCallum, d'Ames Laboratory.

Sur des fonds gouvernementaux, le chercheur développe un nouvel alliage magnétique combinant le cérium au fer et au bore. Un défi technologique à plus d'un titre. D'abord, parce que le métal, au tout début de la liste des lanthanides dans la table des éléments, a une structure électronique moins stable que ses congénères. Ensuite, il abaisse le point de curie de l'alliage d'environ 100 degrés, ce qui le rend pour l'instant incompatible avec des applications générant beaucoup de chaleur comme les moteurs de voitures électriques ou les générateurs d'éoliennes. « Nous aurons certainement à modifier l'environnement de la structure cristalline du cérium pour augmenter ses propriétés magnétiques. Je pense que nous aurons la preuve de concept d'ici le début 2013 », poursuit le spécialiste des terres rares, qui admet bien volontiers que le futur aimant n'atteindra pas les performances du trio gagnant néodyme-fer-bore.

VERS UNE SUBSTITUTION TOTALE ?

Dans ce brouillard d'incertitudes, les annonces de nouveaux alliages sans terres rares se multiplient. Début 2011 au Japon, des chercheurs de l'université de Tohoku ont réussi à obtenir quelques grammes d'une poudre de nitrure de fer alpha, un complexe normalement très instable à température ambiante, mais dont la puissance magnétique théorique excède de 30 % celle des aimants néodyme-fer-bore. Les scientifiques ont beau avoir trouvé le moyen de stabiliser leur poudre, la production à grande échelle et la commercialisation ne devraient pas survenir avant 2023 !

Un deuxième projet d'Ames Laboratory, en collaboration avec le Pacific Northwest National Laboratory, aux États-Unis, vise à remettre au goût du jour les aimants permanents à base de manganèse, un temps abandonnés au profit des terres rares. Le manganèse a le potentiel de doubler la puissance magnétique actuelle, mais il a l'inconvénient d'être très sensible aux changements d'orientation. Le but, d'ici 2014, est d'identifier l'alliage, notamment par des modèles informatiques, qui soit à la fois puissant et résistant. Les autres matériaux pressentis sont le fer, le cobalt, ainsi qu'un troisième élément encore à trouver pour arranger la structure du manganèse, et lui permettre de fonctionner sur une large plage de températures.

Les constructeurs automobiles n'attendent néanmoins pas ces résultats pour faire la réingénierie de leurs modèles 100 % électriques comme hybrides. Compacts et très performants, les aimants néodyme-fer-bore équipent déjà certains véhicules de BMW, Mercedes, Honda et Toyota. Mais d'autres alternatives sérieuses existent : d'un côté, les moteurs à électroaimant, reposant sur une stimulation extérieure, disponible à court ou moyen termes, et, de l'autre, les moteurs à induction, choisis par Fiat ou Ford. C'est la voie que semble également privilégier Toyota, suite à son alliance avec l'américain Tesla Motors.

Quatre stratégies pour réduire sa consommation

1. Entamer une cure nano Ramener un élément rare à l'échelle d'une poignée d'atomes est souvent synonyme de gain de performances. 2. Rendre les procédés moins gourmands Un métal, dit de transition, peut être ajouté aux alliages pour porter transitoirement les propriétés de l'élément rare. Des additifs permettent aussi d'augmenter le rendement des catalyseurs. 3. Remplacer un des ingrédients de la recette Etant donnée la proximité chimique des terres rares, un élément sous tension comme le néodyme peut être substitué par un élément plus répandu comme le cérium. 4. Passer au régime sec Certaines applications précises (polissage, coloration du verre...) peuvent déjà se passer totalement d'éléments rares.

Un moteur sans terres rares pour le 4 x 4 électrique de Toyota

Dans l'usine californienne de Tesla Motors, s'assemble la nouvelle génération de moteurs du 4 x 4 électrique de Toyota, le Rav4 EV. Le partenariat s'est noué mi-2010 entre les deux industriels, suite à un investissement de près de 60 millions de dollars du constructeur japonais. L'américain construit l'intégralité de l'arbre de transmission, de la batterie à la boîte de vitesses en passant par le moteur. Au lieu d'un moteur à aimants néodyme-fer-bore qui équipe la Prius, c'est une technologie de moteur à induction propriétaire de Tesla qui a été choisie. Des barres en cuivre remplacent les aimants. Le champ magnétique induit par celui du stator les transforme en aimants. Le Rav4 EV doit être commercialisé cette année, suite à un programme de démonstration menée sur une flotte de 35 véhicules.

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