Les « éléments de terres rares » (ETR), ou plus couramment nommés terres rares, sont quasiment partout dans nos appareils technologiques, du smartphone aux avions en passant par les voitures électriques mais surtout les éoliennes offshore.

Plus précisément, on les retrouve dans les aimants permanents des écouteurs intra-auriculaires, des véhicules électriques et des éoliennes offshore ou dans les poudres de polissage pour les verres optiques (lentilles, écrans plats, smartphones, etc.) ou les semi-conducteurs. Mais aussi dans les anodes des batteries NiMH utilisées dans les voitures hybrides ou les matériaux luminescents utilisés pour les LED de lumières blanches. D’autres usages existent aussi, même s’ils sont plus faibles : dans certains verres, dans les agents de contraste pour l’imagerie médicale ou comme catalyseurs dans l’industrie chimique.

L’accès à ces matériaux est rendu de plus en plus compliqué par les tensions géopolitiques, les enjeux commerciaux internationaux et même des négociations en temps de guerre.

Le CNRS a décidé de lancer une initiative pour faire le tour des connaissances scientifiques sur ces matériaux, de leurs usages, des éventuelles façons de s’en passer ou du moins de les utiliser en quantité réduite ou de les recycler. Le centre de recherche publie ainsi un document de 84 pages sur le sujet [PDF] mobilisant une équipe de 14 expertes et experts principaux aussi bien chimistes que géologues, écotoxicologues, philosophes, sociologues, juristes ou physiciens.

Des réserves surtout situées en Chine et au Brésil

Ils y rappellent d’abord que ces 17 éléments chimiques sont des matériaux stratégiques et critiques, mais la plupart sont relativement abondants dans la croûte terrestre. Seul le scandium ne se trouve pas avec les autres ETR dans les environnements géologiques. « Il représente donc des ressources et des marchés distincts », expliquent les chercheurs qui l’ont exclu de leur étude.

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  Dans nos appareils, des matériaux « critiques » et « stratégiques »

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  Mardi 08 novembre 2022 à 11h48 08/11/2022 11h48

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« En 2017, les ressources mondiales en ETR sont estimées à 478,14 millions de tonnes (Mt) « d’oxydes d’ETR équivalents » ». On parle en « oxydes d’ETR équivalents » de façon standardisée même si les ressources ne contiennent pas d’oxydes d’ETR réellement produits. Mais, sur ces 478,14 millions de tonnes, en 2025, environ 100 millions de tonnes sont des ressources réellement exploitables (appelées réserves en géologie).

Elles sont réparties inéquitablement sur le globe avec deux pays qui concentrent les réserves : la Chine (44 %) et le Brésil (21 %) :

D’où les capacités importantes de la Chine à imposer des restrictions mais aussi de drastiquement augmenter sa production comme depuis 2019 :

Les chercheurs expliquent que nos besoins en ressources « ne peuvent être assurés uniquement par une relance de l’extraction sur le territoire national » et proposent donc « des usages plus responsables, qui réduisent notre dépendance à des approvisionnements étrangers », avec trois pistes : réduire, recycler, extraire autrement.

Des terres rares souvent pas indispensables mais accélératrices de performances

Concernant la réduction de leur utilisation, les chercheurs remarquent que les terres rares ne sont souvent pas indispensables pour le fonctionnement du produit dans lequel ils sont utilisés. Elles peuvent « faire l’objet d’une substitution dans la plupart des usages mais souvent au prix de compromis sur les performances des matériaux et dispositifs ».

De fait, ces terres rares sont, en quantité, surtout utilisées dans les aimants permanents pour les éoliennes offshore et les véhicules électriques. Ces aimants sont aussi utilisés pour les joints de frigo, les drones ou les écouteurs intra-auriculaires, mais les chercheurs expliquent que le moteur d’une voiture électrique utilise 1 à 2 kg d’aimants et une éolienne offshore plus d’une tonne. L’utilisation des terres rares pour fabriquer ces aimants permet de minimiser la masse de ces machines.

Pour réduire l’utilisation des terres rares dans ce genre de machines, ils soulignent que « la voie la plus fréquente consiste à travailler sur la disposition des aimants et de barrières de flux magnétique ».

Ils ajoutent que « les trois quarts des aimants à base d’ETR sont composés d’environ 30 % de néodyme : les aimants NdFeB ». Or, le néodyme fait partie des terres rares les plus critiques pour l’Union européenne. Ils proposent donc d’envisager des pistes pour « remplacer une partie du néodyme par des ETR moins critiques (praséodyme principalement et plus récemment du cérium) » dans les aimants, citant une technique mise en place par des chercheurs qui permet « d’en réduire la proportion d’un facteur 2 environ, à performance constante ».

Une autre piste est d’agir non pas sur la confection du matériau de l’aimant, mais à l’échelle de la machine, en travaillant « sur la disposition des aimants et de barrières de flux magnétique » ou sur la combinaison d’aimants en remplaçant une partie des NdFeB par des ferrites.

Un besoin de recherche sur des alternatives dans certaines industries

Si le travail sur les aimants pourrait permettre de baisser significativement nos besoins en quantité de terres rares, on peut aussi réfléchir aux moyens de réduire notre dépendance à ces matériaux ou de s’en passer pour la fabrication d’outils dans lesquels ils se rendent actuellement indispensables bien qu’en faible quantité. Ainsi, cette synthèse évoque comme exemple le remplacement des lampes à phosphore par les LED qui a permis de « réduire significativement la quantité de poudre phosphorescente riche en ETR nécessaire par dispositif d’éclairage, à performance équivalente ».

Dans un autre exemple, les chercheurs expliquent que « le développement des batteries Li-ion sans ETR en remplacement des batteries NiMH [permet] de s’affranchir totalement des ETR, mais en déplaçant la dépendance vers d’autres métaux critiques (lithium, cobalt, manganèse) ». Mais, dans cette synthèse, le CNRS fait remarquer que « l’innovation technologique demeure aujourd’hui davantage orientée vers l’amélioration des performances que vers une réelle démarche de sobriété en ETR ».

Mais ils expliquent que, pour certaines utilisations des terres rares, peu de réflexions sont en cours. Ainsi, les poudres de polissage de verres optiques (lentilles, écrans plats, smartphones, etc.) ou des semi-conducteurs, représentaient 14 % des terres rares consommées en 2020 dans le monde. Ils n’ont par contre recensé « aucun article académique concernant la réduction ou la substitution » des terres rares pour cette tâche.

De la même façon, ces matériaux critiques sont utilisés aussi à l’intérieur de certains verres. Et, même si ce n’est qu’à l’état de traces, au bout du compte, cette utilisation représentait 6 % de la consommation des terres rares en 2020. Ces matériaux permettent de mieux protéger le verre des radiations. On parle notamment de la fibre optique, de fait, « pour étendre l’émission d’un signal sur des longues distances (>50 km) ». Les auteurs et autrices de ce rapport déplorent le manque de recherche pour trouver des alternatives : « le nombre de publications scientifiques est faible par rapport aux usages connus ».

Le réemploi et le recyclage, des solutions

La synthèse indique aussi une autre piste importante : le « réemploi » (réutiliser dans le même but que lors de la conception) des moteurs de véhicules ou des aimants. Plus globalement, les chercheurs insistent sur le fait que « le changement des modes de conception, de fabrication et de consommation (action sur la demande) est central pour optimiser la consommation et sécuriser les approvisionnements ».

Ils soulignent aussi que des analyses du cycle de vie comparatives de fabrications d’aimants pointent une optimisation selon le choix :

• « de constituants – par ex. entre 13 et 23 % de l’impact environnemental en moins en utilisant du Sr-ferrite pour la construction de moteurs plutôt que des aimants NdFeB (Nordelof et al., 2019),
• et de méthodes – par ex. 11 % d’impact environnemental en moins en utilisant des imprimantes 3D
  plutôt que des moules 14 (Kulkarni et al., 2023) ».

Enfin, ils poussent au recyclage, même s’il n’est pas « à même d’assurer une couverture entière des besoins en ETR dans le cadre d’une demande toujours croissante ». Ils assurent que « les procédés de recyclage ont une empreinte carbone inférieure à celle de l’extraction primaire ». La complexité de ce processus réside, comme souvent, dans « l’hétérogénéité des assemblages et la complexité des fixations, limitant l’automatisation des opérations ».

L’année dernière, l’Institut des Nations Unies pour la formation et la recherche (Unitar) rappelait une problématique économique : « Le prix des terres rares reste trop bas pour soutenir des opérations commerciales de recyclage à grande échelle ». D’un autre côté, le Critical Raw Materials Act européen pousse à diversifier les sources d’approvisionnement et demande qu’au moins 25 % de la consommation annuelle de l’Union de matières premières stratégiques proviennent du recyclage.

La synthèse évoque aussi « procédés innovants, environnementalement respecteux » pour « extraire autrement », même s’il n’existe « a priori pas de potentiel géologique significatif en France à court terme ». En Europe, c’est essentiellement au nord qu’il faudra creuser avec un potentiel important au Groenland, en Suède (qui possède deux grands gisements associés à des mines actives à Kiruna et Malmberget), en Norvège et en Finlande.