La substitution au stade expérimental

Des laboratoires étudient les possibilités de remplacer, dans certaines applications, les métaux critiques par des matériaux moins sensibles. Mais les solutions sont encore loin d'être optimales.

Des voitures électriques sans terres rares ? Des téléviseurs à cristaux liquides qui se passent d'indium ? Introuvables aujourd'hui. Mais quand la pénurie menace ou quand les prix flambent, ça vaut la peine de chercher. Particulièrement pour ces applications promises à une forte expansion.

Des phares au convertisseur catalytique, en passant par les additifs du diesel, la voiture fait un usage varié des terres rares. Mais c'est pour les véhicules électriques ou hybrides que ces métaux deviennent vraiment critiques : le moteur électrique utilise des aimants puissants, qui contiennent notamment du néodyme (Nd). Plusieurs projets de recherche s'efforcent de remplacer ces aimants du type NdFeB (néodyme-fer-bore), très compacts, que l'on retrouve aussi dans des appareils électroniques portables, les moteurs de volets roulants, et jusque dans les éoliennes.

Au Japon, l'Institut de recherche sur les énergies nouvelles (Nedo) développe un moteur automobile, qui s'affranchit des terres rares en revenant aux aimants traditionnels en ferrite (oxyde de fer). Les chercheurs du Nedo travaillent sur un placement optimal des aimants, afin de limiter les pertes magnétiques. De leur côté, Hitachi et Daikin ont entamé la même démarche de reconception des moteurs électriques à base de ferrites, Daikin visant plutôt les petits moteurs qui équipent ses installations de climatisation.

LE GRAPHÈNE, PROMETTEUR, MAIS ENCORE JEUNE

Pour réduire la dépendance de ces industries envers les fournisseurs de terres rares, une autre option consiste à inventer des matériaux magnétiques qui en contiennent moins. C'est l'objectif d'un projet lancé aux Etats-Unis par l'Arpa-E (Agence de recherche gouvernementale pour l'énergie) et qui implique, notamment, General Electric. Les ambitions sont fortes : réduire de 80 % la teneur en terres rares du matériau, tout en dépassant les meilleures performances des aimants NdFeB actuels. Dans les nouveaux aimants de GE, destinés aux véhicules électriques et aux turbines d'éoliennes, des nanoparticules de terres rares seront dispersées et alignées dans une matrice métallique.

L'iPad et autres équipements tactiles devraient aussi revoir leur copie. L'indium qu'ils contiennent y joue un rôle décisif : dans une couche d'oxyde d'étain et d'indium (ITO), il contribue à la fabrication d'une électrode transparente... que l'on ne sait pas faire autrement. Les fabricants d'écrans à cristaux liquides et de cellules photovoltaïques en couches minces utilisent aussi des électrodes en ITO. Des enjeux suffisants pour que l'on se préoccupe d'une éventuelle pénurie de l'indium, et de son remplacement.

A priori, ce ne sont pas les candidats qui manquent. Mais chacun a ses inconvénients. L'oxyde de cadmium est conducteur et transparent... mais le cadmium est toxique. Les polymères conducteurs, qui font l'objet de nombreuses recherches pour des applications en électronique, ne sont pas faciles à mettre en oeuvre, et il faut garantir leur stabilité chimique. Le graphène ? Poussée par son prix Nobel de physique 2010, attribué à des chercheurs de l'université de Manchester, la feuille de carbone d'épaisseur monoatomique est parée de toutes les qualités. Des chercheurs coréens ont montré récemment comment l'utiliser, mélangé à un polymère. Mais le matériau prodige est encore jeune. Enfin, d'autres équipes affirment que des nanofils métalliques pourraient combiner les deux atouts de l'ITO, la transparence et la conductivité. De multiples options, mais pas de réponse ferme. Il en faudra pourtant une, car la demande, dans les écrans comme dans l'énergie solaire, n'est pas prêt de faiblir.