Les terres rares (TER) sont fréquentes dans la croûte terrestre, mais en faibles concentrations. Leur extraction nécessite beaucoup de main-d'œuvre et a un impact considérable sur l'environnement. Les terres rares sont principalement utilisées comme catalyseurs chimiques, mais sont également indispensables à la transition énergétique et à l'électrification mondiale. L'agence américaine Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) étudie des microbes pour le traitement des terres rares. Qu'est-ce que cela pourrait signifier pour la Suisse ?
Les terres rares ne sont pas vraiment rares. Cependant, ces éléments sont dispersés et mélangés à de grandes quantités d'autres éléments. Leur concentration moyenne dans les roches est très faible. Ils doivent être extraits des roches environnantes par des procédés à forte intensité de main-d'œuvre et polluants. Les terres rares sont un groupe de dix-sept éléments chimiques (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Ils sont également appelés "vitamines" de l'industrie, car ils sont des composants fondamentaux de nombreux secteurs de l'industrie manufacturière de haute technologie. Comme les vitamines, elles ne sont utilisées qu'en petites quantités, mais sont indispensables. Une voiture électrique contient plusieurs kilogrammes de néodyme ou de lanthane. Un générateur d'énergie éolienne contient des centaines de kilos de dysprosium. Chaque ordinateur, chaque téléphone portable et chaque autre appareil électronique dépend des éléments de terres rares. Le gadolinium (Gd), un élément de terre rare, est utilisé comme agent de contraste dans l'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Les terres rares se trouvent dans différentes parties du monde. Cependant, seules trois mines sont actuellement exploitées en Chine et une dans l'ouest des États-Unis, la Mountain Pass Mine en Californie. La mine américaine a été fermée dans les années 1980 et n'a rouvert qu'en 2017. L'extraction du minerai se fait exclusivement en Chine. Il en résulte que la Chine ne domine pas seulement le marché des ERS avec une part de 90 pour cent, mais qu'elle est aussi le seul pays à exploiter à l'échelle industrielle toute la chaîne de production, du minerai aux métaux des ERS. Étant donné que des normes environnementales plus strictes entraîneront très probablement une baisse de la production en Chine, des mesures doivent être prises pour trouver d'autres sources d'ERE et garantir l'approvisionnement de ces matières premières essentielles pour l'industrie.
L'exploitation minière classique à ciel ouvert et l'exploitation minière en gravière sont des processus de grande envergure qui consomment beaucoup d'énergie et nuisent à l'environnement : Les conflits sont inévitables. Un grand gisement de lithium a été découvert à Barroso, dans le nord du Portugal, dans une région récemment inscrite au patrimoine mondial de l'humanité. La société minière britannique Savannah Resources prévoit d'extraire des terres rares à ciel ouvert (carrière). D'importants gisements d'éléments rares ont récemment été découverts dans la région arctique de la Suède, à 600 kilomètres au nord de Stockholm. Il semble qu'il s'agisse du plus grand gisement connu de terres rares en Europe. L'entreprise publique LKAB prévoit de commencer l'exploitation minière dans les 10 à 15 prochaines années par le biais d'une mine à ciel ouvert. Il est essentiel que l'extraction de ces métaux critiques soit menée de manière efficace, tout en envisageant de nouvelles approches innovantes pour réduire au maximum l'impact environnemental.
Dans le cadre du thème annuel "Sécurité d'approvisionnement", la SATW étudie et discute de différentes pénuries d'approvisionnement et de solutions possibles, en mettant l'accent sur l'énergie, la pénurie de médicaments et le phosphore. Il existe des différences entre la pénurie de médicaments ou de matières plastiques, ainsi qu'entre les terres rares et le phosphore. La seule source suisse de ce dernier est constituée par les déchets. Les boues d'épuration sont la seule source nationale de phosphore (voir l'article en allemand : Die Kläranstage als Goldgruben) et pour les éléments des terres rares, ce sont les déchets usagés comme les piles, les téléphones abandonnés, les ordinateurs et autres. Selon les estimations de l'ONU, moins de 20 pour cent des quelque 54 millions de tonnes de déchets produits chaque année dans le monde sont recyclés. Cela correspond à une perte de plusieurs dizaines de milliards de francs suisses par an. En 2030, plus de 1,5 million de tonnes de batteries automobiles devront être recyclées. En Suisse, plus de 26 kilos de déchets électroniques sont produits par habitant et par an.
Le recyclage des métaux fonctionne bien pour l'or, le fer ou le cuivre. En revanche, il n'existe pas de bonnes méthodes de recyclage pour les métaux de terres rares. L'absence d'une méthode de séparation hautement spécifique pour ces métaux en est une raison importante. Jusqu'à présent, le recyclage s'effectue selon les méthodes suivantes :
Les lanmodulines sont des chélateurs protéiques très sélectifs des lanthanides, qui ouvrent de nouvelles possibilités pour l'extraction liquide-liquide en vue du recyclage des éléments de terres rares et de la dégradation des terres rares.
On sait depuis longtemps que certaines plantes et certains microbes accumulent des métaux. Certaines bactéries sont capables de se lier spécifiquement aux éléments de terres rares. Par exemple, la bactérie méthylotrophe Methylobacterium extorquens a besoin d'éléments de terres rares comme les lanthanides comme cofacteurs enzymatiques. Les lanmodulines, ces protéines hautement sélectives qui se lient aux lanthanides, sont indispensables à l'absorption de ces éléments de terres rares essentiels et à la survie de ces micro-organismes. Des experts de l'université d'État de Pennsylvanie ont montré que ces protéines liant les terres rares pouvaient être utilisées industriellement pour l'exploitation minière, le recyclage des batteries et des déchets électroniques. Une manière envisageable de les utiliser industriellement consiste à produire la protéine dans un hôte recombinant, à l'isoler et à l'immobiliser sur un support solide ou un matériau de support. L'investisseur et entrepreneur suisse Oliver Siegel est en train de créer une start-up spécialisée dans le recyclage des terres rares, qui utilise la lanmoduline immobilisée pour créer de la valeur. La sélectivité de la protéine recombinante peut par exemple aussi être adaptée aux actinides (métaux radioactifs). Au départ, il était prévu de créer la start-up en Suisse. Cependant, en raison des coûts élevés, la start-up sera désormais basée à Vienne, en Autriche.
Après la Seconde Guerre mondiale, la Suisse a dû lutter contre l'approvisionnement en matériaux provenant de l'étranger. En conséquence, la fondation ESM a été créée en 1951. La fondation suisse, une organisation membre de la SATW, est toujours active et s'occupe de l'approvisionnement et d'une utilisation plus durable des ressources critiques. L'ESM soutient également des activités de recherche et de développement dans le domaine des éléments rares et critiques, en mettant l'accent sur leurs applications industrielles. L'ESM est partenaire du projet de recherche CircuBAT visant à développer un modèle de recyclage durable pour les batteries lithium-ion utilisées en Suisse pour les automobiles.
Le sujet est d'une grande importance et a une portée encore plus grande. L'American Chemical Society (ACS) a publié 44 éléments chimiques qui seront confrontés à des difficultés d'approvisionnement dans les années à venir. Il reste à voir si la nouvelle approche biotechnologique et la méthodologie décrites ci-dessus peuvent être appliquées à d'autres systèmes de recyclage, métaux et non-métaux.
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Contact : Hans-Peter Meyer, Expertinova AG, membre de la SATW, responsable du comité scientifique
