Contre l’effondrement (4/8) : des terres pas si rares ?

Par le 11/02/16 | 4 commentaires | 2,695 lectures | Impression

Dans nos colonnes, Hubert Guilllaud a présenté le constat très inquiétant du chercheur Philippe Bihouix, qui affirme que l’épuisement des ressources minérales naturelles terrestres, vers lequel nous nous dirigeons constitue un obstacle infranchissable. Au premier plan de cette pénurie annoncée se trouvent les terres rares, un ensemble de 17 métaux, utilisés dans la plupart de nos systèmes technologiques, que ce soient les disques durs, les ampoules fluorescentes, les équipement médicaux, etc. (on trouvera sur la Wikipedia la liste de ces minéraux ainsi que celle de leurs usages).

Contrairement à ce que leur nom indique, ces derniers ne sont pas si rares, mais leur extraction est difficile, coûteuse, et présente un impact environnemental très lourd. S’ajoute à cela une question économico-politique, puisque la Chine est le principal fournisseur de ces ressources et qu’elle possède un quasi-monopole sur leur accès. Non seulement le tarissement de ces matériaux est prévisible à court ou moyen terme, mais leur recyclage s’avérerait quasi impossible, parce qu’ils sont éparpillés au sein de nos composants électroniques de manière microscopique et sont indissolublement liés les uns aux autres. Par conséquent, les isoler et les récupérer demandera une énergie de plus en plus considérable. Or, l’énergie aussi vient à manquer… Certes ce dossier présente des pistes susceptibles de relativiser cette future crise énergétique, mais elles restent exploratoires.

Face à cette pénurie de ressources plusieurs options se présentent : trouver de nouvelles sources, faciliter le recyclage, ou créer nos propres composés de manière artificielle.

Rareearthoxides
Il existe des méthodes alternatives pour se procurer ces précieux minéraux. Dans notre précédent article, nous mentionnions la production de phosphore grâce à l’élevage de saumons. Apparemment ces poissons n’ont pas dit leur dernier mot : une équipe de chercheurs japonais a découvert comment obtenir certaines terres rares à partir de leur sperme, et notamment du thulium et du lutétium. Il paraît certes douteux que le développement de la planète repose dans un futur proche sur l’exploitation du sperme de saumon, mais même si cette découverte reste anecdotique (quoique, qui peut savoir ?) cela montre que nous n’avons pas encore trouvé toutes les manières de nous procurer ces minerais, mais peut-être seulement les plus faciles ou les plus accessibles.

Vers un recyclage plus facile et moins onéreux ?

Une découverte récemment effectuée à l’université de Pennsylvanie pourrait révolutionner les méthodes de recyclage. Le défi consistait à récupérer deux terres rares couramment utilisées dans les systèmes électroniques, le Dysprosium et le Neodymium. La procédure traditionnelle est longue et coûteuse, explique le site techno Tech Times. Elle nécessite des milliers d’opération de filtrage, plusieurs semaines et se déroule dans un laboratoire spécialisé très onéreux. La quantité d’énergie nécessaire n’est pas précisée, mais on la suppose assez importante au vu des conditions imposées.

La nouvelle technique est beaucoup moins ardue à mettre en œuvre. Elle suppose l’usage d’un “ligand”, une molécule capable de se “coller” à des atomes en changeant leurs propriétés. Ce ligand permet de séparer aisément le Dysprosium et le Neodymium. En effet, elle transforme le premier en solide, tandis qu’elle dissout le second. Une fois séparés les deux minéraux sont prêts à être isolés et recyclés. Cette opération, nous affirme Tech Times, ne dure que 5 minutes et peut s’effectuer dans un laboratoire classique. Là encore, pas de précision sur l’énergie nécessaire, mais de la même manière, on peut penser qu’elle est inférieure à ce qu’exige un processus de recyclage traditionnel. Les chercheurs souhaitent maintenant voir si cette méthode peut s’appliquer au recyclage d’autres terres rares, comme celles utilisées dans les lampes fluorescentes.

Et si on “cultivait” les matériaux ?

Finalement, en ce qui concerne les ressources minérales et métalliques, nous en sommes restés au stade du chasseur cueilleur. Nous “cueillons” les ressources au sein des entrailles de la terre, nous les extrayons de notre environnement jusqu’à ce qu’elles viennent à manquer, à notre grand désespoir. Serait-il possible de passer au stade agricole, de cultiver les matériaux dont nous avons besoin ?

Cela semble une perspective lointaine mais on y travaille, nous révèle le New Scientist, et dans ce domaine, le numérique joue un rôle fondamental : “Et s’il était possible de fabriquer tous les matériaux que nous pouvons imaginer, et ceux que nous n’imaginons pas ?“, s’interroge l’auteur.

Qu’est-ce qui donne ses propriétés à un matériau ? On ne l’a compris qu’au XXe siècle avec l’avènement de la physique quantique. Comme le précise encore le New Scientist, “l’idée centrale est que les propriétés d’un matériau – sa dureté, sa conductivité électrique, sa réflectivité, sa résistance à la corrosion et ainsi de suite – sont régies par la configuration de ses atomes et des électrons qui se trouvent autour d’eux. Donc, si vous pouvez cartographier le comportement de tous les électrons du matériau, vous saurez à quoi il ressemble, même si vous ne l’avez jamais observé.

Belle théorie, mais les calculs nécessaires sont très complexes et ce n’est que récemment, au cours des années 2000, que les techniques de simulation numérique ont autorisé l’apparition d’applications pratiques. En 2005, continue le magazine, les chimistes Kristen Persson du Lawrence Berkeley National Laboratory de Californie et Gerbrand Ceder du MIT furent consultés par la célèbre marque Procter et Gamble, qui souhaitait mettre au point une cathode plus efficace pour sa batterie Duracell. Ils se virent offrir un budget de 1 million de dollars et l’accès au superordinateur de l’entreprise. Ils purent ainsi analyser plus de 13 000 matériaux possibles et en trouvèrent 200 remplissant les conditions demandées par leur commanditaire.

material2Le succès de ces travaux a conduit Persson et Ceder à lancer le Material Genome Project (devenu depuis le Material Project) : l’idée est de créer une base de données “virtuelle” de tous les matériaux possibles (et de leurs propriétés) afin de permettre aux chimistes de mettre au point rapidement ces derniers. En gros, explique le New Scientist, il s’agirait d’un Google des matériaux, “Moogle”, comme ils l’ont appelé un temps.

Ce type de recherche “virtuelle” commence à donner des résultats. Ainsi, les porteurs du projet se sont-ils penchés sur la création de nouveaux matériaux “thermoélectriques”, c’est-à-dire susceptibles de produire de l’énergie quand il chauffent. Comme le signale encore la revue, cette propriété pourrait changer radicalement notre industrie : elle permettrait, par exemple, de créer des voitures électriques capables de se recharger avec la chaleur dégagée… Hélas, pour l’instant, le composé le plus connu capable de cette prouesse est le tellurure de bismuth, qui est cher à produire et qui dégage des vapeurs toxiques.

Les chimistes du projet ont pu, dans un premier temps, mettre au point, à l’aide de leur base de données, un nouvel alliage contenant du thulium, de l’argent et du tellurium. Mais ce nouveau matériau est à peine plus intéressant que le tellurure de bismuth. Ses performances sont modestes et le thulium est une ressource très rare. Toutefois, en continuant leurs calculs, les scientifiques ont découvert qu’on peut remplacer le thulium par de l’ytrium, plus commun (mais rare tout de même!), ce qui en plus double l’effet thermoélectrique.

Autre exemple, en 2014, des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory et de General Electric ont calculé le moyen de remplacer des composés indispensables aux ampoules fluorescentes. Celles-ci contiennent des terres particulièrement rares, l’europium et le terbium. Il serait possible de leur substituer un composé de zinc, phosphore et oxygène, ou aussi du nitride d’aluminium associé à du manganèse.

Que conclure de ces quelques exemples ?

Un optimiste estimerait que, là encore, la technologie est en marche, et que s’inquiéter ne rime à rien. Un pessimiste rejetterait ces découvertes comme anecdotiques, et incapables de résoudre le problème à grande échelle. Personnellement, pour des raisons purement intuitives, je suivrai avec intérêt les expérimentations du Material Project, parce qu’il ne s’agit pas de solutions locales à un problème spécifique, mais au contraire d’une approche globale basée sur une théorie solide, la mécanique quantique, et qui propose un changement de paradigme profond dans notre compréhension de la question des ressources. Pour reprendre l’expression de David Deutsch, si cela marche, on pourrait bien avoir affaire à un “commencement de l’infini“, les débuts d’une cascade illimitée de nouvelles connaissances scientifiques et d’applications technologiques.

Rémi Sussan

Après Vers l’effondrement : aurons-nous encore un futur ?, retrouvez le dossier “Contre l’effondrement” :

4 commentaires

  1. Merci Rémi de ce contre argumentaire, même si hélas (mon côté pessimiste), il ne permet pas d’espérer de perspectives massives et rapides.

    J’avais évoqué également le très stimulant projet de génomique des matériaux – http://www.internetactu.net/2015/10/07/comment-fabriquer-de-nouveaux-materiaux/ – la limite que j’en avais conclu, néanmoins, est que s’il permet de créer de nouveaux matériaux par de nouveaux assemblages, il ne permet pas d’inventer des composés qui n’existeraient pas… Donc, la question des réserves limitées demeure entière.

    On a puisé dans le plus facile. On trouvera peut-être d’autres solutions pour extraire ces éléments mais elles seront quoiqu’il en soit plus difficile à mettre en oeuvre, plus coûteuses et plus énergivores…

  2. Faut voir aussi du côté de la transmutation à froid aka LENR/cold Fusion telle qu’expérimentée par Mitsubishi.
    https://www.mhi-global.com/company/technology/review/abstracte-42-1-50.html

  3. par Sarro Philippe

    Terre rare ne veut pas dire forcément ressource limitée mais aussi source abondante mais aux propriétés rares.

  4. par Sarro Philippe

    Pour info la liste des terres rares et leurs utilisations

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Terre_rare