Une nouvelle approche de la fabrication des “aimants cosmiques” pourrait réduire la dépendance aux terres rares dans les technologies à faible émission de carbone

Des chercheurs ont découvert une nouvelle méthode pour fabriquer des aimants haute performance utilisés dans les éoliennes et les moteurs électriques sans avoir besoin de matériaux de terres rares, presque exclusivement en provenance de Chine.

Une équipe de l’Université de Cambridge, en collaboration avec des collègues autrichiens, a découvert une nouvelle alternative aux aimants de terres rares : la tétrataenite, un “aimant du ciel” qui dure des millions d’années pour se développer dans les météorites.

Les tentatives précédentes de fabrication de tétrataenite en laboratoire reposaient sur des méthodes très grossières. Mais l’ajout d’un élément commun – le phosphore – permet de fabriquer facilement et en grande quantité de la tétrataenite, sans traitement particulier ni méthodes coûteuses.

Les résultats sont publiés dans une revue Sciences avancées. Une demande de brevet pour la technologie a été déposée par Cambridge Enterprise, la branche marketing de l’université, et l’Académie autrichienne des sciences.

Les aimants à haute performance sont une technologie importante pour construire une économie sans carbone, et les meilleurs aimants disponibles aujourd’hui contiennent des éléments de terres rares. Malgré leur nom, les terres rares sont abondantes dans la croûte terrestre. Pourtant, la Chine détient un quasi-monopole sur la production mondiale : en 2017, 81 % des terres rares mondiales provenaient de Chine. D’autres pays, comme l’Australie, exploitent également ces éléments, mais avec la montée des tensions géopolitiques avec la Chine, on craint que l’approvisionnement en terres rares ne soit menacé.

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“Des gisements de terres rares existent ailleurs, mais l’exploitation minière est très risquée : il faut extraire beaucoup de matière pour obtenir une petite quantité de terres rares”, explique le professeur Lindsay Greer du département de science des matériaux et de métallurgie de Cambridge, qui l’a gérée. . l’étude. rechercher. “Entre les impacts environnementaux et la forte dépendance vis-à-vis de la Chine, il y a eu une recherche rapide d’autres ressources qui ne nécessitent pas de terres rares.”

La tétrataenite, un alliage fer-nickel avec une structure atomique unique, est l’une des meilleures de ces alternatives. La tétraténite se forme sur des millions d’années à mesure que la météorite se refroidit, donnant aux atomes de fer et de nickel suffisamment de temps pour s’organiser en une série de dépôts dans la structure cristalline et semble avoir des propriétés magnétiques proches de celles des aimants de terres rares.

Dans les années 1960, les scientifiques étaient capables de fabriquer de la tétraténite en bombardant des alliages fer-nickel avec des neutrons, et les atomes pouvaient créer la charge souhaitée, mais cette méthode ne convenait pas à la production de masse.

“Depuis lors, les scientifiques ont été très intéressés à faire correspondre cette structure, mais cela semble loin”, a déclaré Greer. Malgré de nombreuses tentatives au fil des ans, il n’a pas été possible de fabriquer de la tétrataenite à une échelle se rapprochant de l’échelle industrielle.

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Aujourd’hui, Greer et ses collègues de l’Académie autrichienne des sciences et de la Montanuniversität Leoben ont trouvé une alternative qui ne nécessite pas des millions d’années de chauffage et de refroidissement par neutrons.

L’équipe a étudié les propriétés mécaniques des alliages fer-nickel qui contiennent une petite quantité de phosphore, un élément présent dans les météorites. Un diagramme en coupe transversale de ces matériaux a révélé un modèle de croissance en forme d’arbre appelé dendrites.

“Pour la plupart des gens, cela s’arrête là : il n’y a rien d’intéressant à voir dans les dendrites, mais quand je regarde de plus près, je vois un motif inhabituel intéressant qui indique une structure moléculaire organisée”, a déclaré le premier auteur, le Dr Yurii Ivanov, qui a terminé le travail alors qu’il était à Cambridge et maintenant à l’Institut italien de technologie de Gênes.

À première vue, le diagramme de diffraction de la tétrataenite ressemble à la structure attendue pour les alliages fer-nickel, c’est-à-dire un cristal amorphe sans effet en tant qu’aimant de travail. Ivanov a fait beaucoup de recherches pour identifier la tétrataenite, mais Greer dit que c’est inhabituel et que personne ne l’a vue auparavant.

Les chercheurs disent que le phosphore, contenu dans les météorites, permet aux atomes de fer et de nickel de se déplacer plus rapidement, et qu’ils peuvent créer les composés nécessaires sans attendre des millions d’années. En mélangeant du fer, du nickel et du phosphore dans les bonnes proportions, ils ont pu accélérer la formation de tétratainite de 11 à 15 ordres de grandeur, en quelques secondes en une seule coulée.

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“Le plus étonnant, c’est qu’aucun traitement spécial n’a été nécessaire : nous avons fait fondre l’alliage, l’avons versé dans le moule et nous avons eu de la tétrataenite”, a déclaré Greer. « L’opinion traditionnelle dans le domaine était que vous ne pouviez pas obtenir de tétrataenite à moins de faire un très gros travail, car il fallait attendre des millions d’années pour qu’elle apparaisse. Ce résultat représente un changement complet dans notre réflexion sur ce matériau. .”

Bien que les chercheurs aient trouvé une méthode prometteuse pour fabriquer de la tétrataenite, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si elle convient aux aimants à haute performance. L’équipe espère travailler avec les principaux fabricants d’aimants.

Le travail a également le potentiel de changer les perceptions de la formation de tétraténite dans les météorites sur des millions d’années.

La recherche a été partiellement financée par le Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne et du septième programme-cadre, ainsi que par le Fonds scientifique autrichien.

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