Faire progresser l'innovation dans les applications et les technologies des métaux rares

Ce contenu est tiré d'une candidature de Jahsean Meikle à la bourse Stanford Advanced Materials College Scholarship 2025.

Résumé

Presque toutes les technologies essentielles à l'industrie contemporaine sont basées sur les métaux rares. Les aimants permanents au cœur des éoliennes et des voitures électriques sont alimentés par le néodyme et le dysprosium, les composants aérospatiaux sont renforcés par le tungstène, et le tantale garantit la fiabilité de l'électronique sophistiquée et des implants médicaux. Cependant, l'impact environnemental non durable de l'extraction et du raffinage conventionnels, ainsi que les chaînes d'approvisionnement fortement concentrées dans un petit nombre de nations, présentent deux défis simultanés pour ces matériaux irremplaçables.

En mettant l'accent sur la récupération des éléments de terres rares (ETR), en particulier le néodyme, à partir des disques durs d'ordinateurs usagés, ce projet propose une voie durable par le biais de l'"exploitation minière urbaine" Le processus permet de récupérer des oxydes d'ETR de grande pureté avec des émissions considérablement réduites par rapport à l'exploitation minière traditionnelle en combinant la démagnétisation thermique, la séparation mécanique sélective et l'extraction chimique inspirée de la biologie.

L'idée s'attaque à deux problèmes mondiaux urgents : l'expansion rapide des déchets électroniques et le besoin croissant de métaux rares dans les industries de haute technologie. Les industries telles que les énergies renouvelables, l'aérospatiale, l'électronique et la défense bénéficient d'une base de matériaux plus sûre et plus durable lorsque les terres rares récupérées sont réintégrées dans les chaînes d'approvisionnement de la fabrication.

En transformant les déchets électroniques en une matière première fiable pour les technologies à venir, cette innovation fait de l'exploitation minière urbaine une stratégie de ressources industrielles ainsi qu'une stratégie de recyclage. Cette stratégie garantirait les métaux rares nécessaires pour stimuler l'innovation au cours du siècle à venir tout en renforçant la fabrication de pointe et en minimisant les dommages environnementaux pour les États-Unis et leurs alliés dans le monde entier.

1. Introduction

Les métaux rares sont les héros méconnus des économies contemporaines. Ils sont essentiels aux technologies vitales de l'électronique grand public, des soins de santé, des énergies renouvelables et de l'aérospatiale en raison de leurs caractéristiques électriques, thermiques et magnétiques particulières. Les aimants permanents des moteurs et des turbines sont composés de néodyme, de dysprosium et de praséodyme.Le tungstène, en raison de sa densité élevée et de son point de fusion, est essentiel pour le blindage contre les radiations, les outils de coupe et les moteurs à réaction. Le tantale est un composant essentiel des condensateurs à haute performance et des implants médicaux en raison de sa résistance à la corrosion.

Malgré leur importance, les métaux rares sont de plus en plus difficiles à obtenir. La concentration géopolitique crée des vulnérabilités importantes, comme le fait qu'un pays assure plus de 90 % du raffinage des terres rares dans le monde. L'exploitation minière traditionnelle pose également de graves problèmes de durabilité, comme les résidus radioactifs et la déforestation. Dans le même temps, les déchets électroniques augmentent au niveau mondial ; selon les Nations unies, plus de 60 millions de tonnes métriques sont produites chaque année.

La demande croissante et l'offre limitée sont deux pressions qui offrent à la fois des opportunités et des défis. La société ne peut pas continuer à supporter le coût écologique, mais les industries ne peuvent pas se permettre de connaître des pénuries. La récupération des terres rares à partir des disques durs mis au rebut est une solution durable que je propose. Cette procédure d'"exploitation minière urbaine" sert d'exemple pour montrer comment la circularité, l'innovation et l'évolutivité industrielle doivent coexister avec les futures tendances de développement des métaux rares.

2. Le paysage actuel des métaux rares

Les métaux rares ont un large éventail d'utilisations industrielles interdépendantes :

• L'aérospatiale : Le titane confère aux châssis des avions leur légèreté, l'hafnium stabilise les superalliages et les alliages de tungstène renforcent les pales des turbines.
• Énergies renouvelables : Les aimants à base de néodyme sont utilisés dans les éoliennes ; le germanium et l'indium sont utilisés dans les cellules solaires ; le lithium et le cobalt deviennent de plus en plus importants dans le stockage de l'énergie.
• Technologie médicale : Le béryllium dans les appareils d'imagerie, les implants en tantale et les aimants d'IRM utilisant des terres rares sont autant d'exemples de la manière dont les métaux rares contribuent à la santé mondiale.
• Électronique et informatique : La stabilité du zirconium dans les céramiques et les condensateurs, le rôle du niobium dans les supraconducteurs et les aimants en terres rares dans le stockage des données soulignent leur importance.

Cependant, l'obtention de ces matériaux reste difficile. Pour chaque kilogramme d'oxydes de terres rares, les minerais de terres rares traditionnels contiennent généralement des tonnes de roches stériles ou seulement 0,05 % de minéraux utilisables. Les acides et les solvants nécessaires au traitement contaminent généralement les sources d'eau avoisinantes. Les chaînes d'approvisionnement en métaux tels que le tantale et le tungstène sont concentrées dans des zones susceptibles de faire l'objet de restrictions commerciales ou d'être touchées par des conflits.

Parallèlement, les concentrations de métaux dans les déchets électroniques sont nettement plus élevées que dans les minerais naturels. Il est possible d'extraire plus d'or, de cobalt et de terres rares (REE) d'une seule tonne métrique de smartphones que de nombreuses mines. Cependant, les taux de recyclage dans le monde restent inférieurs à 20 % dans l'ensemble et à 1 % pour les terres rares. Cette disparité montre que les infrastructures et l'innovation, plutôt que la rareté, sont les principales causes de l'inefficacité des ressources.

3. L'innovation proposée : L'exploitation minière urbaine des disques durs

Bien que le cadre sous-jacent ait des applications plus larges pour l'ensemble des métaux rares, l'innovation présentée ici est axée sur la récupération du néodyme.

Il existe déjà des systèmes de collecte et de désassemblage des actifs informatiques, qui gèrent les ordinateurs mis au rebut par les entreprises et les institutions universitaires. Les aimants en néodyme peuvent être efficacement extraits des disques durs en tant que composants distincts et reconnaissables.

Traitement mécanique et démagnétisation

Pour garantir une manipulation plus sûre, les aimants sont chauffés dans des conditions contrôlées afin d'éliminer leurs propriétés magnétiques. Afin d'optimiser la surface pour les réactions chimiques, ils sont ensuite déchiquetés.

Extraction et dissolution sélectives

L'approche prévoit des protocoles hybrides - des acides minéraux doux combinés à des chélateurs organiques modelés sur les structures des protéines naturelles - au lieu d'acides très caustiques. Ceux-ci laissent derrière eux des impuretés telles que le fer ou le nickel tout en ciblant les ions de terres rares. Le résultat est une séparation sélective avec moins de déchets secondaires.

Nettoyage et réutilisation

L'oxyde de néodyme de haute pureté est produit en calcinant les solutions récupérées après leur précipitation en oxalates. Ces oxydes comblent le fossé entre les applications industrielles de la prochaine génération et l'électronique en fin de vie en étant réintégrés dans le processus de production d'aimants.

D'autres métaux rares, tels que le lithium des batteries, les filaments de tungstène ou les condensateurs au tantale, peuvent également être traités de cette manière. Par conséquent, l'exploitation minière urbaine offre un moyen polyvalent d'aborder la question de la criticité des métaux plus importants.

4. Applications industrielles et tendances futures

Les métaux rares et autres ETR récupérés sont immédiatement réintégrés dans les systèmes industriels :

• Aérospatiale et défense : les alliages à haute température, les composants de satellites et les systèmes de propulsion à réaction dépendent tous d'un approvisionnement fiable en tungstène, en tantale et en aimants de terres rares. Pour ces industries vitales, l'exploitation minière urbaine améliore la sécurité de l'approvisionnement.
• Énergie verte : on prévoit que d'ici 2030, la demande de néodyme pour les véhicules électriques triplera ; une récupération fiable équilibre l'intensité minière et les dépendances géopolitiques.
• Systèmes médicaux : Les dispositifs implantables, les équipements de radiothérapie et la technologie IRM sont tous soutenus par un approvisionnement régulier en tantale et en béryllium.
• Électronique : Le zirconium et le niobium récupérés soutiennent les circuits intégrés et les condensateurs, faisant ainsi progresser la technologie des semi-conducteurs.

La consommation mondiale de métaux devrait passer de tendances linéaires à des tendances circulaires. Les réglementations encouragent l'approvisionnement durable, les acteurs industriels adoptent plus fréquemment des procédures de recyclage et les progrès de la conception favorisent l'électronique modulaire qui facilite la récupération des composants. L'exploitation minière urbaine a donc un impact sur la compétitivité industrielle du XXIe siècle ainsi que sur les objectifs de durabilité.

5. Conclusion

Bien que les métaux rares soient essentiels à la technologie moderne, leur avenir est incertain si l'industrie n'adopte pas de nouvelles pratiques d'approvisionnement. L'exploitation minière urbaine est un moyen viable, évolutif et écologique de récupérer des métaux précieux à partir de déchets électroniques.

Cette invention ouvre la voie à des chaînes d'approvisionnement durables dans les domaines de l'électronique, de l'énergie, des soins de santé et de l'aérospatiale, en se concentrant sur les aimants en néodyme des disques durs et en s'étendant à d'autres métaux vitaux, ce qui permet de recadrer les déchets comme une ressource industrielle plutôt que comme un handicap.

La société peut garantir que les métaux nécessaires au progrès continueront à être abondants, sûrs et durables si la prochaine génération de scientifiques, d'ingénieurs et d'innovateurs continue à créer ces cadres. L'exploitation minière urbaine est l'avenir de la résilience industrielle et des applications des métaux rares ; c'est plus qu'un simple recyclage.