La crise des terres rares

À l'extrémité est du désert de Mojave, à une heure de route au sud-ouest de Las Vegas à Mountain Pass, en Californie, se trouve un gisement de cérium, de néodyme et d'autres métaux vieux de 1,4 milliard d'années, la source la plus riche en éléments de terres rares. aux Etats-Unis. À côté de collines peuplées de cactus, d'arbres de Josué et de tortues errantes se trouve une vaste décharge de roches beiges et blanches qui a été construite au cours de plus de 50 ans de production dans une mine à ciel ouvert de 50 acres ici. La mine était autrefois le plus grand producteur mondial de ces métaux, qui sont essentiels à des produits aussi divers que les disques durs d'ordinateur, les ampoules fluorescentes compactes et les aimants utilisés dans les moteurs des véhicules électriques. Et le site en contient encore suffisamment pour les exploiter pendant au moins 30 ans. Mais en 2002, elle a été fermée, en raison de graves problèmes environnementaux et de l'émergence de producteurs chinois qui fournissaient les métaux à moindre coût. La mine est restée inactive pendant une décennie.

Puissant mien : Cette mine de 50 acres située à l'extrémité est du désert de Mojave en Californie était autrefois le premier fournisseur mondial de métaux des terres rares. L'eau s'est accumulée au fond de la mine alors qu'elle était inactive après avoir été fermée il y a une décennie.

Avec l'explosion de la demande mondiale pour les matériaux, le propriétaire du site, Molycorp Minerals, a redémarré l'exploitation minière à Mountain Pass en décembre dernier. C'est maintenant le seul producteur de métaux des terres rares de l'hémisphère occidental et l'un des rares en dehors de la Chine, qui produit actuellement 95% de l'approvisionnement mondial. En septembre dernier, après que la Chine a cessé d'exporter les matériaux vers le Japon pendant deux mois, les pays du monde entier ont commencé à se démener pour sécuriser leurs propres sources. Mais même sans restrictions chinoises et avec la relance de la mine californienne, les approvisionnements mondiaux de certaines terres rares pourraient bientôt être inférieurs à la demande. Le néodyme et le dysprosium sont particulièrement préoccupants, qui sont utilisés pour fabriquer des aimants qui aident à générer du couple dans les moteurs des voitures électriques et hybrides et à convertir le couple en électricité dans les grandes éoliennes. Dans un rapport publié en décembre dernier, le département américain de l'Énergie a estimé que l'utilisation généralisée de véhicules électriques et de parcs éoliens offshore pourrait entraîner une pénurie de ces métaux d'ici 2015.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2011

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Ce qui se passerait alors est à deviner. Il n'y a pas d'alternative pratique à ces métaux dans de nombreuses applications critiques nécessitant de puissants aimants permanents, des matériaux qui retiennent un champ magnétique sans avoir besoin d'une source d'alimentation pour induire le magnétisme en faisant passer un courant électrique à travers eux. La plupart des aimants de tous les jours, y compris ceux qui contiennent des notes sur le réfrigérateur, sont des aimants permanents. Mais ils ne sont pas très forts, alors que ceux fabriqués à partir de terres rares le sont énormément. Les alliages de néodyme avec le fer et le bore sont quatre à cinq fois plus forts en poids que les aimants permanents fabriqués à partir de tout autre matériau. C'est l'une des raisons pour lesquelles les aimants aux terres rares se trouvent dans presque toutes les voitures hybrides et électriques sur la route. Le moteur de la Prius de Toyota, par exemple, utilise environ un kilogramme de terres rares. Les éoliennes offshore peuvent nécessiter des centaines de kilogrammes chacune.

De nouvelles activités minières, non seulement à Mountain Pass, mais aussi en Australie et ailleurs, augmenteront l'offre, mais pas suffisamment pour répondre à la demande de certains métaux critiques, en particulier le dysprosium, au cours des prochaines années. Et la capacité limitée des nouvelles opérations minières n'est pas le seul problème. Parce que les terres rares font d'excellents aimants, les chercheurs ont fait peu d'efforts depuis le début des années 1980 pour les améliorer ou développer d'autres matériaux qui pourraient faire le travail. Peu de scientifiques et d'ingénieurs en dehors de la Chine travaillent sur les métaux des terres rares et les alternatives aux aimants. Inventer des substituts et les intégrer dans les moteurs prendra des années, d'abord pour développer l'expertise scientifique, puis pour construire une infrastructure de fabrication. Les États-Unis ont perdu leur expertise lorsque leurs mines ont fermé et que la fabrication d'aimants a été délocalisée en Asie pour se rapprocher des mines en exploitation et de la main-d'œuvre moins chère, explique George Hadjipanayis, titulaire de la chaire de physique et d'astronomie à l'Université du Delaware. En conséquence, il y avait peu d'incitations pour les chercheurs ou les entreprises à travailler sur les aimants. Maintenant, dit-il, il n'y a pas beaucoup de financement et aucune industrie autour.

Reconstitution: L'équipement de traitement de la mine de Molycorp Minerals en Californie, photographié ici en décembre 2010, est actuellement en cours de reconstruction. L'équipement illustré comprend des machines utilisées pour broyer et dissoudre les roches de la mine et extraire et sécher les oxydes de terres rares.

Renaître

Les métaux des terres rares, malgré leur nom, sont relativement abondants dans la croûte terrestre. Les 16 terres rares naturelles se trouvent généralement mélangées dans des gisements qui contiennent souvent également des éléments radioactifs - et la séparation des métaux nécessite des processus coûteux qui produisent un ragoût de polluants toxiques. Nous savons quelle est la concentration [totale] de terres rares dans toutes les zones du gisement, explique Rocky Smith, directeur de la mine Molycorp, debout sur l'un des niveaux creusés dans la fosse de 800 pieds de profondeur et indiquant une roche chargée de minerai ; il est teinté de mauve avec de la bastnäsite, un minéral qui contient un mélange de terres rares. Mais savoir où se trouvent les terres rares sur tout le site et extraire les métaux individuels du minerai sont deux choses différentes.

La première étape de l'extraction des oxydes de terres rares de la roche environnante consiste à écraser les roches et à les broyer en une fine poudre. Celui-ci est passé à travers une série de réservoirs, où les éléments de terres rares flottent vers le haut. Les minéraux indésirables coulent au fond et ces déchets dangereux, appelés résidus, sont envoyés dans des étangs pour y être stockés. Pendant ce temps, le concentré résultant de métaux des terres rares est grillé dans des fours puis dissous dans de l'acide. La fraction de la neige fondue résultante qui contient des terres rares, sous forme d'oxydes métalliques mixtes, est éliminée. Enfin, le solvant est neutralisé.

La réaction génère beaucoup de sel : lorsque la mine Mountain Pass fonctionnait à pleine capacité dans les années 1990, elle produisait jusqu'à 850 gallons d'eaux usées salées par minute, chaque jour de l'année. Ces déchets contenaient également du thorium et de l'uranium radioactifs, qui se sont accumulés sous forme de tartre à l'intérieur du tuyau qui acheminait les eaux usées vers des bassins d'évaporation situés à 11 milles de distance. À plusieurs reprises dans les années 1990, des opérations de nettoyage destinées à éliminer le tartre accumulé ont fait éclater le pipeline, déversant des centaines de milliers de gallons de déchets dangereux dans le désert. L'État de Californie a ordonné à Molycorp, qui était alors une unité de la compagnie pétrolière Unocal, de nettoyer les déchets. En 2002, l'entreprise, qui avait déjà du mal à réaliser des bénéfices, a manqué d'espace pour stocker ses résidus et n'a pas obtenu de permis pour construire une nouvelle installation de stockage. La mine a fermé.

Minerai rare : Les roches délogées par les explosions à Mountain Pass contiennent le minéral de terres rares bastnäsite.

Chevron a acheté Unocal en 2005, acquérant avec elle Molycorp et la mine Mountain Pass. En 2008, un groupe d'investisseurs privés a acheté la mine et formé Molycorp Minerals, qui a développé des technologies de traitement qui, selon lui, élimineront le besoin de bassins d'évaporation et de pipelines. En 2009, Molycorp a commencé à traiter la bastnäsite stockée pour en extraire le didyme, un minéral mixte de terres rares. L'été dernier, la société est devenue publique et le cours de ses actions a grimpé en flèche. L'industrie américaine des terres rares renaît.

Mais une visite à l'usine de traitement de Molycorp montre que la reprise de l'exploitation minière à Mountain Pass ne résoudra pas tous les problèmes d'approvisionnement. À l'intérieur d'un petit entrepôt où les oxydes de terres rares sont séchés et emballés, le PDG de Molycorp, Mark Smith, plonge sa main dans un baril pour ramasser une poignée de poudre de couleur beige. C'est doux, comme de la cendre fine. Ce matériau est de l'oxyde de didyme, un mélange de néodyme oxydé et de praesodyme, éléments situés à l'extrême gauche de leur rangée dans le tableau périodique. Le gisement de Mountain Pass, comme d'autres gisements de terres rares, à l'exception de quelques-uns dans le sud de la Chine, est le plus riche en ces éléments plus légers. Ils conviennent parfaitement au polissage du verre, aux batteries de voiture et aux aimants qui fonctionnent à basse température. Mais pour résister aux températures élevées dans les moteurs et les turbines, les aimants nécessitent l'ajout de dysprosium ou de terbium, qui sont des terres rares lourdes.

Un autre problème est que Molycorp commence tout juste à reconstruire l'infrastructure nécessaire pour transformer le minerai de terres rares en aimants. Lorsque les opérations minières ont quitté les États-Unis, toute cette infrastructure a suivi. La purification des terres rares se fait désormais presque exclusivement en Chine, bien que la Malaisie soit en train de construire une nouvelle installation. Et l'industrie des aimants est maintenant basée en grande partie en Chine et au Japon. La société japonaise Hitachi Metals, qui détient les brevets nécessaires à la fabrication d'alliages de terres rares et d'aimants, a conclu un accord avec Molycorp pour les fabriquer aux États-Unis. Molycorp fournira le néodyme, mais pour fabriquer des aimants résistants à la chaleur, l'entreprise devra peut-être acquérir les terres rares lourdes supplémentaires ailleurs que dans sa mine Mountain Pass, et il est difficile de savoir où cela pourrait se trouver.

À la recherche de la chance

Bien que la purification aux terres rares ne se fasse plus aux États-Unis, elle a été inventée ici par Frank Spedding, le fondateur du Ames National Laboratory dans l'Iowa. En 1949, avant même que les terres rares ne soient utilisées industriellement, Spedding invente les premières méthodes pour les séparer les unes des autres ; la technique est née de son travail sur la purification de l'uranium et du thorium pour le projet Manhattan. Le laboratoire Ames est toujours le seul centre de recherche du pays avec un accent important sur les matériaux.

Les roches sont broyées et dissoutes et la neige fondue est séparée pour produire de l'oxyde de didyme, un mélange de terres rares légères oxydées qui nécessite un traitement supplémentaire pour fabriquer le néodyme pur nécessaire aux aimants.

Le chercheur d'Ames, Iver Anderson, n'a aucun mal à démontrer pourquoi les terres rares sont si précieuses dans les aimants. En étendant sa main sur son bureau, paume vers le bas, il montre que le champ produit par un petit morceau d'aimant en néodyme cassé en équilibre sur le dos de sa main peut faire coller un autre aimant en néodyme, de la taille d'un sou, à sa paume. Des paires d'aimants en néodyme beaucoup plus gros que cela peuvent briser les os. Anderson prend alors un aimant considérablement plus lourd, fait d'aluminium, de nickel, de fer et de cobalt. Il tient à peine sur la pointe d'un trombone qui pend.

Si faibles que soient ces performances, les propriétés magnétiques du matériau sont prometteuses. Le groupe d'Anderson essaie donc de les améliorer en bricolant sa structure, un mélange d'aiguilles de fer-cobalt à l'échelle nanométrique séparées par une matrice de nickel et d'aluminium. À partir d'études théoriques du matériau, Anderson espère modifier les conditions de traitement afin d'allonger les aiguilles et de mieux les aligner. Combien de temps pouvons-nous faire les aiguilles? il se demande. Et si nous placions un champ magnétique énorme sur l'échantillon, cela changerait-il leur espacement, les allongerait-il ?

Le principal attrait de l'aimant est qu'il ne contient pas de métaux des terres rares. Pourtant, même les chercheurs d'Ames semblent incertains qu'un matériau comme celui-ci puisse jamais remplacer les aimants de terres rares. Depuis que les aimants au néodyme ont été introduits en 1983, rien n'a été développé qui se rapproche de leur correspondance. Mais, dit Anderson, vous pouvez avoir de la chance.

Aujourd'hui, Molycorp expédie des sacs d'oxyde de didyme à des clients au Japon et ailleurs pour traitement.

Les chercheurs travaillent également sur des moyens de fabriquer plus efficacement des aimants en terres rares. Actuellement, les matériaux magnétiques sont chauffés et comprimés pour former de gros blocs denses qui doivent ensuite être découpés à la forme souhaitée. Ce processus laisse derrière lui des tas de copeaux de métal oxydés appelés copeaux, qui sont souvent contaminés par des lubrifiants pour les lames de coupe. Les copeaux impurs ne peuvent pas être intégrés dans de nouveaux aimants, mais trouver un moyen de les utiliser - ou de formuler les matériaux magnétiques de manière à ce qu'ils puissent être moulés plutôt que coupés - étendrait davantage les éléments précieux. Les gens regardent des barils de 55 gallons remplis de ces déchets de broyage, qui ressemblent à de la boue brun grisâtre, se demandant comment récupérer les terres rares de tous ces copeaux, dit Anderson.

Si l'offre de terres rares est inférieure à la demande dans les années à venir et qu'aucun substitut approchant leurs performances n'est trouvé, les constructeurs de voitures hybrides et électriques essaieront probablement de développer de nouvelles conceptions de moteurs qui reposent sur le magnétisme induit plutôt que permanent, déclare Eric Rask. , chercheur au Laboratoire national d'Argonne. Avant de rejoindre Argonne il y a deux ans, Rask a travaillé sur le système de groupe motopropulseur de la Volt électrique de General Motors, qui utilise un aimant permanent aux terres rares. Mais, dit-il, la raison pour laquelle les moteurs à aimant permanent sont utilisés est que leur efficacité est presque toujours plus élevée dans la plage où vous l'utilisez beaucoup. Vous pouvez généralement obtenir plus de couple pour une alimentation donnée.

Peu d'experts expriment leur optimisme quant au fait qu'il y aura suffisamment de matériaux de terres rares pour soutenir une croissance significative des technologies d'énergie propre comme les voitures électriques et l'énergie éolienne, qui ont besoin de tous les avantages possibles en termes de coût et d'efficacité pour être compétitifs. L'écriture est déjà sur le mur, explique Patrick Taylor, directeur du Kroll Institute for Extractive Metallurgy à la Colorado School of Mines. Vous voulez développer cette nouvelle grande économie énergétique, mais l'offre est limitée et la demande toujours croissante. Lorsqu'on lui a demandé comment la Chine avait gagné son avance sur le reste du monde, Taylor a souligné que la plupart de l'expertise et de l'industrie nécessaires avaient commencé à s'installer dans ce pays il y a près de deux décennies. À l'époque, ajoute-t-il, personne ne faisait même attention.

Katherine Bourzac est Examen de la technologie éditeur de science des matériaux.

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