Terres rares : de la pénurie actuelle aux alternatives d’avenir même en course

par Stefano Aglianò

Les terres rares sont un groupe chimique de 17 éléments représentés dans le tableau périodique. Aux 15 appartenant à la famille des lanthanides, caractérisés par un numéro atomique croissant de 57 à 71, s’ajoutent le scandium (21) et l’yttrium (39). Rare Earths est la traduction du terme anglais Rare Earth Elements – REE – attribué à ce groupe d’éléments par IUPAC, organisme international qui établit des normes relatives à la chimie.
Les terres rares doivent leur nom à l’élément lanthane, terme de l’étymologie grecque, et signifie rester caché. Cette introduction encyclopédique nous permet de nous poser la question : à quel point les éléments en question sont-ils réellement rares ?
Contrairement au nom donné (en anglais), dans l’absolu, ces matériaux ne sont pas si rares en termes de quantité à la surface de la terre. Certains d’entre eux sont plus abondants que d’autres et des métaux plus communs comme le plomb, l’argent et l’or. La particularité des terres rares est qu’elles se “cachent” en très faible concentration au sein d’un grand nombre de minéraux. Leur extraction est donc très difficile et coûteuse. De plus, dans les processus d’extraction, des substances nocives et polluantes sont utilisées qui libèrent des déchets toxiques dans l’environnement. Pour compliquer l’extraction contribue au fait que les terres rares sont dispersées en petites quantités à la surface de la terre. Il est difficile de trouver des gisements suffisamment importants pour justifier économiquement l’exploitation minière. Sur le marché mondial La Chine joue le rôle de protagoniste absolu représentant plus de 80% de la disponibilité mondiale.

Malgré les nombreux inconvénients, la demande de terres rares a considérablement augmenté au cours des deux dernières décennies. La raison réside dans la leur propriétés magnétiques et conductrices particulières qui sont difficiles à trouver dans d’autres éléments. Le groupe des terres rares se caractérise par le fait que les propriétés chimiques des différents éléments sont très similaires les unes aux autres. En effet, malgré le numéro atomique différent qui les distingue, l’ajout d’électrons modifie la composition interne, laissant inchangée la couche de valence qui, en influençant les liaisons chimiques, en détermine les propriétés. Les aimants permanents à base de néodyme-fer-bore représentent l’état actuel de l’art. De plus en plus a été lecandidature en composants pour l’ordinateur (puce et disque dur), téléviseurs, écrans écran tactile, catalyseurs, laser. La large utilisation de ces matériaux relève également des applications qui visent l’exploitation des énergies renouvelables telles que panneaux photovoltaïques e éoliennes et plus généralement au sein de nombreux composants électroniques et magnétiques. Les applications dans le domaine médical ne manquent pas telles que les machines pour résonance magnétique. Une mention doit être faite pour « notre » secteur d’intérêt. L’automobile FA utilisation intensive de terres rares notamment dans la production de moteurs électriques pour voitures, mais pas seulement, comme vous pouvez le voir sur l’image ci-dessous. Le monde du deux roues commence également à étoffer son offre dans le domaine de la propulsion électrique, compétitions incluses, mais avec des volumes plus petits que les quatre roues. Les principaux enjeux à traiter lorsqu’on aborde le concept de mobilité électrique sont les coûts, l’autonomie, les infrastructures et l’impact environnemental de l’ensemble du cycle : de la production à l’élimination en passant par le recyclage. A ces notes thématiques générales, s’ajoute le problème de taille et de poids des batteries qui représente une limite plus stricte pour les motos par rapport aux voitures. Comme cela arrive historiquement, les nouvelles technologies arrivent à être prêtes pour le produit à deux roues, toujours en décalage de quelques années par rapport aux voitures. Dans ce cas, le retard d’application pourrait représenter une opportunité d’introduire une technologie plus mature, durable et efficace dans le secteur de la moto, notamment d’un point de vue environnemental et économique, par rapport à son homologue à quatre roues.

La demande croissante de terres rares, face à une disponibilité limitée, a poussé les pays à investir dans des solutions alternatives. Des solutions qui, nous l’espérons, trouveront de réelles applications pour soutenir le développement et la commercialisation des motos dans un avenir proche. Quel que soit le type de propulsion, qu’elle soit électrique ou endothermique, les motos d’aujourd’hui regorgent d’unités de contrôle et d’appareils électroniques. En ce moment les matières premières sont rares dans tous les secteurs et le secteur de la moto ne fait pas exception. Les effets négligés de la pandémie sur l’offre ne semblent pas s’atténuer et le conflit politique entre la Chine et les États-Unis aggrave une mauvaise situation. Le résultat est connu de tous : le manque ou du moins le retard du produit pour le consommateur final.

L’Europe investit dans les projets et les nouvelles technologies d’avenir

La difficulté d’extraction et la concentration des terres rares uniquement dans certaines zones géographiques, ont représenté au fil des années une excellente incitation à rechercher des solutions alternatives tant en termes de recherche technologique que de nouveaux sites d’extraction. L’Europe a financé plusieurs projets avec l’intention de rechercher de nouvelles compositions chimiquement stables pour remplacer les terres rares dans la production d’aimants. Le projet ExMaMa (Explorer de nouveaux matériaux magnétiques à partir des principes premiers) mira ad identifier des alternatives concrètes aux terres rares grâce à de nouveaux matériaux écologiques. L’enquête théorique a apporté des résultats positifs dans l’identification de nouveaux matériaux qui ont des propriétés magnétiques similaires à celles des terres rares. Les pays qui prennent en charge l’expérimentation sont l’Allemagne, la Suisse et le Japon. Le matériau est caractérisé par une température de Curie, limite au-delà de laquelle le matériau perd ses propriétés magnétiques permanentes, supérieure à 700°C et cela permet d’entrevoir une évolution intéressante pour d’éventuelles applications à des températures « élevées ».

L’industrie a toujours compté sur l’approvisionnement en matières premières de pays non membres de l’UE. L’Europe est ainsi exposée au problème de la vulnérabilité en cas de pénurie soudaine (comme le montre la récente pandémie) et de croissance des prix relative incontrôlée.
L’un des moyens par lesquels l’Europe a décidé d’y remédier en partie est le financement de projets EURARE Avec l’objectif de développer des procédés d’extraction durables à l’intérieur des frontières du vieux continent. Le professeur. Ioannis Paspaliaris – coordinateur du projet – déclare que “l« l’initiative a réuni des chercheurs d’études géologiques, d’universités, de sociétés de conseil et de l’industrie pour proposer une approche holistique de la chaîne d’approvisionnement européenne en terres rares».

L’un des objectifs de l’initiative est la amélioration de la mauvaise qualité des minéraux bruts européens utilisés pour la production de terres rares que ceux du reste du monde. Des efforts ont été consacrés à l’étude de nouvelles technologies visant à améliorer l’extraction et l’enrichissement des minéraux. Les extractions pilotes se sont concentrées sur les minéraux prélevés principalement en Suède, en Norvège et au Groenland. Outre le développement de la technologie, le projet s’est avéré très utile pour la création d’une base de données obtenue en combinant des données minéralogiques, géographiques et technologiques. Les données collectées, cataloguées et consultables offrent un outil efficace pour aborder l’équilibre entre l’offre et la demande de manière plus consciente, également d’un point de vue politique. En parallèle, l’objectif est de renforcer le marché minier européen en offrant aux ingénieurs de demain de nouvelles compétences dans le secteur métallurgique.

Enfin, nous voulons mentionner le projet REE4EU cette vise à recycler les déchets d’aimants permanents en une source d’éléments de terres rares. Le projet est un système en boucle fermée basé sur deux technologies interconnectées. Le premier est l’extraction des liquides ioniques qui permet l’élimination des éléments de terres rares des déchets. La seconde exploite l’électrolyse à haute température pour obtenir des alliages de terres rares à partir de mélanges d’oxydes issus de l’extraction de liquides ioniques. Le point fort est la suppression des phases individuelles de conversion et de séparation des oxydes (un procédé typique des extractions chinoises) pour obtenir un procédé plus efficace et durable.
Prenant comme référence la production primaire en Chine, l’analyse des essais pilotes a mis en évidence une réduction de la consommation d’énergie de 35% et jusqu’à 50% de l’impact sur le changement climatique.
Le développement européen de la production d’alliages secondaires de terres rares contribuera à améliorer les activités connexes en créant de nouveaux emplois et en augmentant l’indépendance de l’Europe vis-à-vis des importations de matières premières.

Sources et images :

https://cordis.europa.eu/it
https://www.powertransmission.com/
https://blogs.egu.eu/
https://minesmagazine.com/1737/
https://stockhouse.com/
https://www.beroeinc.com/