Un des plus grands inventions technologiques a commencé par une dispute entre deux Italiens au sujet de cuisses de grenouilles.
En 1800, les scientifiques du monde entier étaient fascinés par l'électricité. Les applications pratiques restaient toutefois insaisissables, faute de moyen pour générer un courant continu. Le physicien Alessandro Volta s'opposait alors à Luigi Galvani, un médecin-scientifique étudiant les grenouilles, en particulier leurs pattes disséquées encore reliées à leur moelle épinière et fixées sur des crochets en laiton ou en fer. Galvani observait que, en touchant ces pattes avec une sonde d'un métal différent, elles se contractaient. Convaincu que les muscles produisaient cette « électricité animale », il nomma ainsi sa découverte.
Volta démontra que les pattes réagissaient simplement au courant généré par des métaux différents. Il empila des disques alternés de zinc et de cuivre, séparés par un tissu imbibé de saumure pour conduire le courant. En reliant les extrémités par un fil, un courant électrique constant circulait, sans besoin de tissus animaux. Cette pile voltaïque fut la première batterie électrique. Impressionné par sa démonstration à Paris, Napoléon offrit à Volta une médaille et une pension.
Avance rapide au XXIe siècle : le cuivre, élément clé de Volta, dépasse désormais le simple rôle de réfuter des théories sur les grenouilles.
Ce métal rouge, l'un des plus anciens utilisés par l'humanité, est indispensable à notre ère électrifiée. Sa conductivité est supérieure à celle de tous les métaux sauf l'argent, et il est durable. Sans lui, pas d'électrification. Une éolienne offshore requiert 21 000 livres de cuivre ; chaque véhicule électrique en utilise 183 livres (contre 49 pour une voiture thermique). D'ici 2030, la demande liée aux VE atteindra 3,6 millions de tonnes, selon CRU, spécialiste des marchés métalliques.
« C'est un métal clé pour la décarbonation », affirme Bernard Respaut, directeur général de la branche européenne de l'International Copper Association (ICA), association défendant l'industrie mondiale du cuivre. « Plus nous électrifions, plus nous en aurons besoin. »
Cette demande pose un dilemme environnemental. Sur les 22,7 millions de tonnes produites annuellement, la plupart proviennent de la pyrométallurgie : torréfaction du minerai à haute température dans plus de 120 fonderies mondiales (dont trois aux États-Unis). Chaque tonne de cuivre émet 2 tonnes de CO2. Dans une Amérique soucieuse du climat, de nouvelles fonderies sont improbables, selon l'Energy Security Leadership Council. « L'industrie doit décarboner sa production », ajoute Respaut.
Ce défi attire Antoine Allanore, métallurgiste et professeur au MIT. Pionnier d'une nouvelle génération d'inventeurs, il extrait les métaux de la roche sans combustibles fossiles. En février 2022, il a achevé, financé par le Département américain de l'Énergie, un réacteur utilisant l'électrolyse pour séparer le cuivre du minerai. Là où Volta utilisait du cuivre pour conduire l'électricité, Allanore l'utilise pour la produire.
Le laboratoire d'Allanore au MIT démontre que l'électrolyse extrait aussi nickel, cobalt et manganèse, essentiels aux batteries lithium-ion. Mais le cuivre reste roi.
« C'est un grand pas et une percée scientifique inédite, le raffinage électrolytique du cuivre », déclare Hal Stillman, ancien directeur du développement à l'ICA.
L'appareil produit actuellement 1 à 2 livres de cuivre par 24 heures, mais prouve un principe. L'industrie explore déjà des alternatives sans fusion. Prochain objectif d'Allanore : un réacteur produisant 1 tonne par jour. « L'électrification de la production métallurgique est révolutionnaire. Elle évite carburants et émissions, tout en boostant la productivité », dit-il. Si le monde verdit, les métaux le peuvent aussi.
Dans le monde de la métallurgie, l'électricité dépasse l'éclairage des fonderies. Allanore, ingénieur chez ArcelorMittal pendant cinq ans, y a conçu le plus grand réacteur mondial pour raffiner le fer par électrolyse. ArcelorMittal prépare une usine pilote.
Comme le cuivre, l'acier part d'un minerai de fer (liaisons fer-oxygène). La pyrométallurgie casse ces liens dans des hauts-fourneaux à 3 000 °F avec du coke, émettant du CO2. L'industrie sidérurgique (2 milliards de tonnes/an) rejette 3 milliards de tonnes de CO2, soit 9 % des GES mondiaux (GIEC).
Après ArcelorMittal (2008), sabbatique au CNRS, Allanore rejoint le MIT en 2010. En 2012, il cofonde Boston Metal, utilisant l'électricité au lieu du coke pour l'acier. Co-fondateur : Donald Sadoway (MIT), expert en électrolyse depuis les années 1980. « C'est l'avenir. Pour zéro émission, repenser les procédés intensifs », dit Sadoway.
Plus de 2/3 du cuivre subit la pyrométallurgie (gaz/charbon). Un four typique consomme 3 830 kWh/tonne (équivalent 4 mois d'un foyer US). Le cuivre exige une pureté extrême pour la conductivité.
Fraîchement extrait, le minerai (<1 % cuivre) est broyé, flotté pour un concentré à 25 %. Grillé à 2 300 °F, il donne matte (60 %) puis blister (98 %). Électrolyse finale affine à 99,9 %.
Depuis 2013, Allanore explore l'électrolyse dès le concentré. Subvention DOE (1,9 M$) en 2018. Dans son labo MIT, une cuve céramique (2 lb concentré + électrolyte au lanthane) chauffe à 2 372 °F. Le courant dépose cuivre pur à la cathode, soufre inerte à l'anode. Une seule étape !
« Le lanthane est une innovation clé pour séparer ions cuivre », note Stillman (Argonne Lab).
Pour les VE, 25 ans de production équivaudront à 5 000 ans historiques. Échelle industrielle requiert financements, pilotes, preuve économique. Des mineurs s'intéressent déjà. 20 % du cuivre mondial via hydrométallurgie (eau, mais multi-étapes, oxydé seulement). Allanore vise cuivre pur en une étape.
Prochaines étapes : démos industrielles, pilote à 1 t/jour. « Accélérer l'accès au cuivre pur via électrification », conclut-il.
Publié initialement dans PopSci été 2022 (série batteries). Voir parties 1 et 3, ou autres PopSci+.
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