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Le monopole chinois des terres rares
Pendant trois semaines, la Chine a bloqué les expéditions de minéraux de terres rares vers le Japon, une décision qui a renforcé l'urgence des efforts pour briser le contrôle de Pékin sur ces minéraux. La Chine produit désormais la quasi-totalité de l'offre mondiale de terres rares, qui sont cruciales pour un large éventail de technologies, notamment les disques durs, les panneaux solaires et les moteurs pour véhicules hybrides.
Un matériau attractif : Le néodyme (illustré ici) est l'un des éléments de terres rares qui sont essentiels à la fabrication d'aimants très puissants pour les moteurs électriques compacts.
En réponse à la domination de la production chinoise, les chercheurs développent de nouveaux matériaux qui pourraient soit remplacer les minéraux de terres rares, soit en réduire le besoin. Mais les matériaux et les technologies mettront probablement des années à se développer, et les alternatives existantes s'accompagnent de compromis.
La Chine a apparemment bloqué les expéditions du Japon en réponse à une querelle territoriale en mer de Chine méridionale. Pékin a nié l'embargo, mais le manque d'approvisionnement pourrait bientôt perturber la fabrication au Japon, a déclaré mardi à la presse le ministre du Commerce et de l'Industrie, Akihiro Ohata.
Les terres rares comprennent 17 éléments, tels que le terbium, qui est utilisé pour fabriquer des phosphores verts pour les téléviseurs à écran plat, les lasers et les lampes fluorescentes à haut rendement. Un autre de ces éléments, le néodyme, est la clé des aimants permanents utilisés pour fabriquer des moteurs électriques à haut rendement. Bien que bien plus de 90 pour cent des minéraux soient produits en Chine, ils se trouvent dans de nombreux endroits du monde et, malgré leur nom, sont en fait abondants dans la croûte terrestre (le nom est un vestige du XIXe siècle). convention du siècle). Ces dernières années, la production chinoise à bas prix et les préoccupations environnementales ont poussé des fournisseurs hors de Chine à fermer leurs activités.
Des alternatives aux terres rares existent pour certaines technologies. Un exemple est le moteur à induction utilisé par Moteurs Tesla dans son Roadster tout électrique. Il utilise des électro-aimants plutôt que des aimants permanents aux terres rares. Mais ces moteurs sont plus gros et plus lourds que ceux qui utilisent des aimants aux terres rares. En règle générale, dans les moteurs de petite et moyenne taille, une bobine électromagnétique peut être remplacée par un aimant permanent aux terres rares de seulement 10 % de la taille, ce qui a contribué à faire des moteurs à aimant permanent l'option préférée pour Toyota et d'autres hybrides. constructeurs de véhicules. Dans le cas de Tesla, la technologie du moteur à induction valait le compromis, donnant à la voiture une puissance maximale plus élevée dans plus de conditions, une priorité absolue pour un véhicule qui peut passer de zéro à 60 mph en 3,7 secondes. La volatilité des coûts des aimants permanents de terres rares était une préoccupation, déclare JB Straubel, directeur de la technologie de Tesla. Nous n'aurions pas pu prévoir les tensions géopolitiques.
De plus en plus de fabricants suivent l'exemple de Tesla pour éviter les matériaux de terres rares, bien que cette décision signifie sacrifier de l'espace et ajouter du poids aux véhicules. Une semaine après le début du dépoussiérage en Chine, une équipe de recherche au Japon a annoncé qu'elle avait fait un moteur de véhicule hybride exempt de matériaux de terres rares, et Hitachi a annoncé des efforts similaires . Le véhicule électrique Mini E de BMW utilise des moteurs à induction et Tesla fournit ses groupes motopropulseurs au prochain RAV 4 électrique de Toyota. Compte tenu de la volatilité des approvisionnements en terres rares et des avantages offerts par les moteurs à induction dans les applications hautes performances, il est logique que les constructeurs automobiles réfléchissez sérieusement à l'utilisation de moteurs à induction, déclare Wally Rippel, scientifique principal chez AC Propulsion. Rippel a précédemment travaillé sur la conception de moteurs à induction chez Tesla et GM, où il a aidé à développer le séminal EV1.
Alors que les constructeurs automobiles explorent des moteurs alternatifs, des chercheurs aux États-Unis et ailleurs tentent également de concevoir des remplacements pour les matériaux de terres rares, et les efforts politiques progressent pour augmenter les approvisionnements en terres rares de l'extérieur de la Chine.
Aux États-Unis, la domination chinoise de la production de minéraux de terres rares a provoqué une augmentation des financements axés sur le développement d'aimants permanents qui utilisent moins, voire pas du tout, de terres rares, comme près de 7 millions de dollars de l'Advanced Research Projects Agency for Energy ( ARPA-E). Dans l'un de ces projets, des chercheurs de l'Université du Nebraska travaillent pour améliorer les aimants permanents fabriqués avec un alliage de fer et de cobalt, ou FeCo. Cette classe de matériaux est vendue aujourd'hui, mais fournit la moitié ou moins de la puissance des meilleurs aimants à base de terres rares. Les chercheurs du Nebraska se concentreront sur les moyens de doper la matrice structurelle de ces alliages avec des traces d'autres éléments, réarrangeant ainsi leur géométrie moléculaire pour créer des matériaux magnétiques permanents plus solides et plus durables.
Travaillant aux côtés des chercheurs du Nebraska dans le même programme ARPA-E, des chercheurs de l'Université du Delaware font progresser des nanocomposites qui utilisent beaucoup moins de précieux matériaux de terres rares, mais qui se sont avérés théoriquement générer des forces magnétiques deux fois plus puissantes que les meilleures d'aujourd'hui. aimants permanents. Le laboratoire mélange des particules d'à peine 20 à 30 nanomètres de matériaux magnétiques de terres rares avec un complément non de terres rares (étain cobalt). Les efforts antérieurs pour fabriquer ce matériau n'ont pas permis d'aligner avec précision les nanoparticules, diminuant considérablement leurs performances magnétiques. Au lieu de concocter le matériau en vrac, comme de mélanger la pâte, l'équipe développe un processus pour contrôler l'alignement des particules en les assemblant en réseaux réguliers.
GE Global Research, à Niskayuna, New York, est poursuivre nanocomposites similaires à ceux en cours de développement dans le Delaware, également avec un financement ARPA-E. En utilisant des méthodes développées en interne, le projet vise à construire un nouveau matériel par l'alignement de nanopoudres. Ces matériaux étant intrinsèquement instables, le contrôle de leur assemblage se situe à la frontière des processus de fabrication à l'échelle nanométrique, explique Luana Iorio, responsable du laboratoire d'alliages et de traitement à haute température de GE, qui dirige la recherche. GE estime que ses nanocomposites pourraient fournir une force magnétique 35 % supérieure à celle des meilleurs aimants permanents actuels, tout en utilisant 40 % des terres rares, en volume. D'ici deux ans, espère Iorio, le projet sera en mesure de créer des échantillons du nouveau matériau de quelques centimètres de diamètre.
Pourtant, comme ces efforts peuvent prendre des années pour porter leurs fruits, la chasse aux sources non chinoises de minéraux attire l'attention à court terme. En Californie, Molycorp Minerals cherche à rouvrir des mines de terres rares qui ont fermé en 2002, dans un contexte de prix bas et de préoccupations environnementales. Au cours des dernières semaines, des projets de loi ont été déposés à la Chambre et au Sénat des États-Unis visant à relancer la chaîne d'approvisionnement en terres rares aux États-Unis, y compris l'exploitation minière, le raffinage et la fabrication. Un troisième projet de loi, à la Chambre, est plus étroit, se concentrant sur l'offre de garanties de prêt pour redémarrer l'exploitation minière.