UN DE Les plus grandes inventions de la technologie ont commencé par une dispute entre deux Italiens à propos de cuisses de grenouilles.
En 1800, les scientifiques du monde entier étaient fascinés par l'électricité. Les applications pratiques, cependant, étaient insaisissables, principalement parce que personne ne savait comment générer du courant continu. À l'époque, le physicien Alessandro Volta se tenait en travers de Luigi Galvani, un médecin-scientifique qui étudiait les grenouilles, en particulier les pattes disséquées encore attachées à leur moelle épinière et montées sur des crochets en laiton ou en fer. Galvani a remarqué que lorsqu'il touchait une sonde faite d'un métal différent des jambes, elles se contractaient. Convaincu que les muscles généraient la sensation, Galvani a surnommé sa découverte de l'électricité animale.
Volta a soutenu que les jambes des amphibiens ne généraient pas le bourdonnement mais réagissaient au courant produit par des métaux opposés. Pour le prouver, il a construit une pile de tranches de métal alternées (un des premiers essais taraudé de zinc et de cuivre) séparées par un tissu imbibé de saumure pour conduire le courant. Lorsqu'il touchait un fil à chaque extrémité de la tour, une électricité constante circulait, aucune partie d'animal n'était nécessaire. Cette pile voltaïque, comme on l'appelait, fut la première pile électrique. Après que Volta ait fait la démonstration de l'appareil à Paris, Napoléon a été tellement impressionné qu'il a même donné à Volta une médaille et une pension.
Avance rapide jusqu'au 21e siècle, et l'un des éléments centraux de Volta, le cuivre, est bien plus qu'un moyen de réfuter les hypothèses grenouilles.
Le métal rouge, qui est aussi l'un des plus anciens au monde, est l'épine dorsale de nos vies d'amateurs d'ampoules depuis l'âge d'or. Dans sa conductivité, il est supérieur à tous ses parents élémentaires à l'exception de l'argent. Contrairement à l'argent, cependant, il est durable et il n'y a pas d'électrification sans lui. Une nouvelle éolienne offshore, par exemple, nécessite 21 000 livres de cuivre. Pendant ce temps, chaque véhicule alimenté par batterie en utilise 183 livres, soit un mile complet. (Les voitures à essence pèsent au plus 49 livres.) La demande annuelle de véhicules électriques à elle seule sera de 3,6 millions de tonnes d'ici 2030, selon CRU, une société d'intelligence économique qui surveille le marché des métaux.
"C'est l'un des métaux clés pour la décarbonisation", déclare Bernard Respaut, directeur général de la branche européenne de l'International Copper Association, l'association à but non lucratif qui défend l'industrie mondiale du cuivre. "Plus nous électrifions, plus nous aurons besoin de cuivre."
En obtenir plus, cependant, crée une énigme environnementale. La plupart des 22,7 millions de tonnes de cuivre produites chaque année nécessitent la torréfaction du minerai pour purifier le métal. Appelé pyrométallurgie, il s'agit d'un procédé à haute température mis en œuvre dans plus de 120 fonderies dans le monde, dont trois aux États-Unis. Pourtant, chaque tonne de cuivre fondu émet 2 tonnes de carbone. Bien que nous ayons besoin de plus de cuivre, il est peu probable que des fonderies supplémentaires soient mises en ligne dans une Amérique plus soucieuse du climat, selon l'Energy Security Leadership Council, un groupe basé à Washington, D.C., dont l'objectif est de réduire la dépendance pétrolière des États-Unis. "L'industrie reconnaît que nous devons décarboniser le processus de production du cuivre", ajoute Respaut.
Ce dilemme a attiré l'attention d'Antoine Allanore, métallurgiste et professeur au Massachusetts Institute of Technology. Allanore fait partie d'une nouvelle vague d'inventeurs qui tentent de nettoyer la production de métaux. Il se spécialise dans l'extraction des matériaux de la roche sans brûler de combustibles fossiles comme le charbon ou le gaz. En février 2022, il a terminé les travaux sur son dernier projet, financé par le Département américain de l'énergie :un réacteur qui utilise un procédé appelé électrolyse, qui utilise le courant pour séparer le cuivre du minerai. Essentiellement, alors que Volta déployait du cuivre pour canaliser l'électricité, le système d'Allanore utilise l'électricité pour produire du cuivre.
Le laboratoire d'Allanore au MIT a montré que l'électrolyse peut également extraire le nickel, le cobalt et le manganèse, trois autres minéraux cruciaux pour les batteries lithium-ion. Mais le cuivre est roi.
Selon Hal Stillman, qui a pris sa retraite en tant que directeur du développement et du transfert de technologie à l'International Copper Association en 2020, l'engin d'Allanore est un "grand pas", ainsi qu'une percée scientifique. "Cela n'avait jamais été fait auparavant, le raffinage électrolytique du cuivre", dit-il.
À l'heure actuelle, l'appareil d'Allanore ne produit qu'une livre ou deux de cuivre toutes les 24 heures, mais c'est une démonstration d'un principe plus large. Pendant ce temps, l'industrie utilise également d'autres méthodes de purification de certains minerais sans les émissions de fusion. Pour réussir, Allanore devra convaincre les producteurs que sa technologie est plus propre et plus efficace. Sa prochaine étape ? Une version du réacteur qui produit une tonne d'élément par jour. "L'électrification de la production de métaux est révolutionnaire", dit-il. "Cela nous permet non seulement d'éviter certains carburants et émissions de carbone, mais cela ouvre la porte à une plus grande productivité." Si le monde passe au vert, la production de métaux le peut aussi.
PARTOUT DANS LE MONDE de la fabrication des métaux, l'idée d'utiliser l'électricité comme quelque chose de plus que ce qui maintient les lumières allumées dans les fonderies a gagné du terrain. C'est un territoire qu'Allanore connaît déjà :il a été ingénieur de recherche pendant près de cinq ans chez ArcelorMittal, un grand sidérurgiste mondial. Là-bas, il a aidé à concevoir et à construire le plus grand réacteur au monde pour le raffinage du fer via une technique appelée extraction électrolytique, dans laquelle le courant sépare le métal en suspension dans une solution d'électrolyte. ArcelorMittal construit une installation pilote pour le mettre en pratique.
Comme le cuivre, l'acier commence comme roche. Plus précisément, sous forme de minerai de fer, qui est composé de liaisons étroites d'atomes de fer et d'oxygène. La pyrométallurgie est utilisée pour briser ces liens, la première étape de la production d'acier. Les hauts fourneaux massifs brûlent du coke, une forme transformée de charbon, jusqu'à 3 000 degrés Fahrenheit, la température à laquelle le fer du minerai chauffé libère son emprise sur l'oxygène. Le dioxyde de carbone est un sous-produit majeur. À l'échelle mondiale, l'industrie produit 2 milliards de tonnes d'acier chaque année, mais elle rejette plus de 3 milliards de tonnes de CO2, soit environ 9 % des émissions totales de gaz à effet de serre de la Terre et un nombre directement en conflit avec les objectifs établis par le Groupe d'experts intergouvernemental sur les Changement climatique.
Après avoir quitté ArcelorMittal en 2008, Allanore a pris un congé sabbatique au CNRS puis a rejoint le MIT en 2010 pour poursuivre ses travaux sur l'acier électrique. En 2012, il a cofondé Boston Metal, une entreprise issue du MIT qui utilise du courant à la place du coke pour chauffer le minerai de fer. Son collègue et co-fondateur est Donald Sadoway, un ingénieur en matériaux du MIT dont les propres travaux sur l'électrolyse des métaux remontent aux années 1980. "C'est l'avenir", déclare Sadoway. "Si vous voulez avoir zéro émission, vous devez repenser tous ces processus lourds, à forte intensité chimique, à forte intensité énergétique et à forte intensité d'émissions."
Le cuivre est certainement admissible. Plus des deux tiers de celui-ci est traité par pyrométallurgie, qui est le plus souvent alimentée par le gaz et le charbon. Selon les données de l'Agence internationale de l'énergie, un four de fusion typique consomme environ 3 830 kilowattheures d'énergie pour produire 1 tonne de cuivre, soit environ ce qu'un ménage américain moyen utilise en quatre mois, et produit un demi-million de tonnes par an. Mais le métal rouge vient aussi avec ses propres défis. Contrairement à l'acier, qui contient du carbone dans sa forme finale, le cuivre doit être exempt de pratiquement toutes les impuretés pour transporter l'électricité comme l'exige la vie moderne. Sa conductivité est directement proportionnelle à sa pureté, souligne Allanore. Le câblage d'un smartphone, par exemple, est parfait à 99,9 %. Le cuivre extrait est loin d'atteindre ce niveau.
Fraîchement sorti du sol, le minerai est constitué de nombreux éléments, dont le principal est le soufre, l'atome auquel le cuivre se lie directement dans la roche. À ce stade, la matière première contient généralement moins de 1 % de cuivre. Avant qu'il ne se dirige vers une fonderie, les sociétés minières le pulvérisent en granules ressemblant à du sable qu'ils déversent dans une mousse liquide pour commencer à éliminer les oligo-éléments comme le plomb et le zinc. Ce qui reste est appelé concentré de cuivre, qui n'est pur qu'à environ 25 %.
Le concentré est acheminé vers la fonderie, qui le grille, en utilisant du gaz naturel pour générer des températures aussi élevées que 2 300 °F. Cette explosion crée deux choses :des scories, un déchet contenant du fer, de la silice et d'autres minéraux ; et le cuivre mat ou liquéfié, qui contient encore du fer et du sulfure et qui est pur à 60 %. La matte fondue se déplace vers un autre four avec des températures tout aussi élevées - celui-ci appelé un convertisseur - où l'oxygène soufflé s'empare des atomes de soufre, produisant du dioxyde de soufre. (Les usines de fusion capturent la majeure partie du dioxyde de soufre émis et le transforment en acide sulfurique dont elles auront besoin plus tard dans le processus.) L'installation crache du cuivre blister, qui atteint une pureté de 98 %.
Les moyens de production conventionnels utilisent l'électricité pour forger le métal, mais seulement à la fin :le cuivre blister est coulé dans des moules, qui sont ensuite placés dans une solution d'électrolyte constituée en partie de l'acide sulfurique capté. La réaction qui se produit ensuite s'apparente aux mécanismes d'une batterie. Les plaques de cuivre blister, refroidies et moulées, agissent comme des anodes (la partie de la cellule qui donne des électrons), et de fines feuilles de cuivre pur servent de cathodes (la partie qui reçoit les électrons). Lorsque le courant est appliqué, seuls les ions de cuivre chargés positivement se déplacent des anodes vers les cathodes. Tous les restes de métaux, comme le fer ou le plomb, se détachent des anodes et tombent au fond du réservoir, laissant derrière eux des cathodes de cuivre presque pures à 100 %.
DÈS 2013, Allanore a commencé à se demander s'il pouvait utiliser l'électricité, au lieu du gaz naturel, pour purifier le cuivre. "C'est le métal numéro un avec lequel l'humanité a joué, c'est donc important", dit-il.
La méthode d'électrolyse qu'il a proposée cette année-là a remplacé toutes les étapes de la fusion traditionnelle par une seule, qui à la fois séparait le cuivre du soufre et éliminait le fer qui peut constituer jusqu'à la moitié du minerai. Sur le papier, le plan était simple :le concept fondamental n'est pas si différent de la façon dont Boston Metal utilise le courant pour liquéfier le minerai de fer, qui se transforme en blocs d'acier en refroidissant.
En 2018, l'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy du département américain de l'énergie a accordé à Allanore une subvention de 1,9 million de dollars pour l'essayer. "Le DOE a compris ce lien entre plus d'électrification, moins de consommation d'énergie, et pourtant le besoin de plus de métaux", se souvient-il.
Dans le laboratoire d'Allanore au MIT, l'engin de purification du cuivre se trouve à l'intérieur de quelque chose ressemblant à une cabine téléphonique surdimensionnée de la vieille école. Une cuve en céramique avec une cathode en bas et une anode en haut est remplie d'environ deux livres de concentré de cuivre et d'un ragoût d'électrolyte composé en partie de sulfure de lanthane, un élément chimiquement réactif bon pour former des composés avec des oligo-éléments qui sont liés avec du minerai de cuivre.
La cuve est ensuite placée à l'intérieur d'un petit four à gaz qui atteint une température d'environ 2 372 °F. Lorsque le concentré de cuivre se réchauffe et se liquéfie, le courant traverse la cathode. En quelques minutes, le cuivre commence à tomber vers la cathode tandis que les atomes de soufre remontent vers l'anode. Le métal qui tombe se refroidit sous forme de cuivre purifié, prêt à être façonné en câblage; le soufre qui en ressort est du soufre élémentaire inerte et non du dioxyde de soufre toxique. Le processus nécessite toujours de l'énergie pour produire des températures extrêmes, mais il suffit d'une seule explosion pour créer du cuivre pur.
Selon le vétérinaire de l'International Copper Association Stillman, l'utilisation du lanthane par Allanore est une perspicacité scientifique unique. "Vous ne pourriez pas utiliser une réaction électrolytique avec du cuivre pour le séparer avant son étape d'ajout de lanthane", explique Stillman, qui est maintenant conseiller principal pour un groupe de recherche qui travaille sur la chaîne d'approvisionnement des métaux au Laboratoire national d'Argonne près de Chicago. "Cela crée une situation où vous pouvez obtenir une séparation des ions de cuivre des autres matériaux."
Le laboratoire d'Allanore a montré que l'électrolyse peut également extraire le nickel, le cobalt et le manganèse, trois autres minéraux cruciaux pour les batteries lithium-ion. Mais le cuivre est roi. L'Energy Security Leadership Council suggère que nous devrons produire la même quantité de métal au cours des 25 prochaines années que nous l'avons fait au cours des 5 000 années précédentes pour répondre à la seule demande de véhicules électriques. Cela n'inclut pas leurs bornes de recharge, qui ont également besoin de câblage.
La mise à l'échelle de la technologie afin qu'elle produise en continu 1 tonne de cuivre par jour (et encore moins beaucoup) est un obstacle majeur, admet Stillman - un obstacle qu'il faudra surmonter en plusieurs étapes. Il y a d'abord l'argent dont Allanore aura besoin pour créer un réacteur pilote suffisamment grand. Il devra faire appel à un entrepreneur en ingénierie ayant des liens avec l'industrie minière pour fabriquer un réacteur de taille industrielle. Ensuite, il doit démontrer qu'à cette échelle, l'utilisation du réacteur est plus économique que le procédé de fusion traditionnel.
"Il y a toujours la question de savoir qui va financer", dit Stillman. "Cependant, de nombreux mineurs de cuivre s'intéressent à ce type de technologie et à ses avantages environnementaux."
Pendant ce temps, Respaut de l'Association internationale du cuivre estime qu'environ 20 % de la production mondiale provient déjà de mines qui exploitent un processus appelé hydrométallurgie. Dans cette configuration, les réactifs à base d'eau dissolvent le cuivre du minerai à des températures ordinaires pour produire un métal liquéfié qui peut être purifié par une méthode similaire à la dernière étape utilisée dans les fonderies.
L'hydrométallurgie, cependant, ne convient qu'au minerai de cuivre oxydé, moins abondant que le minerai de cuivre sulfuré que le réacteur d'Allanore pourrait détourner des fonderies traditionnelles. De plus, le traitement hydrométallurgique nécessite encore plusieurs étapes pour générer du cuivre pur. Quand Allanore parle des avantages du traitement des métaux à base de courant, il veut dire qu'en une seule étape, il peut produire du cuivre pur et liquide, prêt à être transformé en câblage pour l'électronique et les véhicules alimentés par batterie.
Pourtant, son réacteur n'est qu'un appareil de démonstration capable de fabriquer seulement quelques livres de cuivre. Allanore veut le présenter à plusieurs entreprises cette année pour démontrer à quoi ressemble une production de haute qualité, plus rapide et plus durable. Après cela, il espère mener une autre série de tests, de préférence en partenariat avec une fonderie ou un site minier, pour voir si un réacteur plus gros peut produire de manière fiable 1 tonne de cuivre par jour.
« Nous devons accélérer la façon dont nous pouvons accéder au cuivre de haute pureté », dit-il. "Et c'est vraiment là que les nouvelles technologies et l'électrification jouent un rôle clé."
Cette histoire a été publiée à l'origine dans le numéro métal de l'été 2022 de PopSci, en tant que deuxième article d'une série en trois parties sur les batteries. Lisez la première partie et la troisième partie ensuite. Ou consultez d'autres PopSci+ histoires.
