Chaque année, environ 28 millions de tonnes de cuivre sont extraites dans le monde, principalement pour la construction de câbles électriques en raison de ses excellentes propriétés conductrices. Cependant, les mines d’extraction dévastent les paysages, pompent nos ressources en eau et relâchent des substances toxiques dans l’environnement.
Des scientifiques de l’Institut coréen des sciences et technologies ont mis au point une nouvelle génération de câbles à base de nanotubes de carbone. D’après News Atlas, ils auraient déjà permis de remplacer entièrement le cuivre dans un moteur électrique de voiture miniature.
Chaque câble ne mesure qu’environ 0,3 mm d’épaisseur, gaine isolante comprise. À l’aide d’un procédé spécial, ces câbles ont été construits à l’aide de cristaux liquides lyotropes. Un liquide lyotrope est une structure intermédiaire entre un liquide et un cristal. Il s’agit d’un état de la matière très apprécié pour fabriquer des matériaux high-tech.
Ainsi, les câbles en nanotubes de carbone peuvent rester bien alignés et séparés, au lieu de s’agglutiner en amas inefficaces. Un rinçage chimique élimine ensuite les résidus métalliques, tout en conservant leur forme filamenteuse, cruciale pour conduire l’électricité.
Grâce à cette nouvelle méthode, les chercheurs ont observé une conductivité améliorée de plus de 130 %, par rapport aux procédés classiques ; ainsi qu’un poids largement réduit et des performances stables dans le temps. Dans les moteurs électriques, où le cuivre pèse lourd, ce gain de légèreté pourrait booster l’autonomie, limiter les pertes d’énergie et simplifier le refroidissement.
Lire aussi: Remplacement NiMH par LiPo
Pour prendre un exemple, dans une Tesla Model S, les deux moteurs pèsent au total 68 kilogrammes dont 25 % de la masse est n’est que du cuivre. Remplacer ce cuivre par des câbles en nanotubes de carbone permettrait de réduire le poids total des moteurs à 52 kg.
Malgré des avancées impressionnantes, la technologie n’est pas encore sans compromis. Même avec le procédé utilisé par les chercheurs, les câbles en nanotubes de carbone restent largement moins conducteurs que le cuivre : environ 7,7 méga siemens par mètre, contre 59 MS/m pour le cuivre. Par conséquent, à dimensions et tension égales, ils laissent passer moins de courant, et délivrent donc moins de puissance.
Dans les essais menés par l’Institut coréen, un moteur équipé de fils en nanotubes de carbone plafonnait à 3 420 tours par minute, loin derrière les 18 120 tours/min du modèle équivalent en cuivre. Malgré leur légèreté, les câbles en nanotubes de carbone représentent également des limites en termes de coûts. Ils coûtent en effet entre 375 et 500 dollars le kilo, contre une dizaine de dollars pour le cuivre.
Autre limitation : ces câbles ne peuvent pas être simplement substitués aux fils de cuivre existants. Ils exigeraient une refonte complète des architectures électriques, des systèmes d’isolation et des formes d’enroulement. Les chercheurs restent cependant optimistes : en améliorant encore l’alignement des câbles ou en optimisant les polymères qui les entourent, leur conductivité pourrait progresser.
Si ces nouveaux câbles allègent considérablement les moteurs, leur procédé de fabrication reste très énergivore et polluant.
Lire aussi: Poudre sans fumée : précautions
Le cuivre, premier métal travaillé par l’homme, continue d’être redécouvert pour ses multiples propriétés : esthétique, malléable, conducteur, 100 % recyclable et même antibactérien. Il est au cœur de nombreuses innovations qui touchent à la vie de tous les jours.
Cuivre, lithium, cobalt, nickel, graphite ou terres rares sont en effet indispensables aux technologies de décarbonation de l’économie : éolien, photovoltaïque, batteries et réseaux électriques. Or la demande de ces minerais devrait exploser, et de nombreux travaux sur le sujet mettent en garde contre de possibles ruptures d’approvisionnement dans le futur.
Première illustration avec le cuivre. Massivement utilisé dans les réseaux et véhicules électriques, ainsi que dans les panneaux photovoltaïques, il verrait sa demande mondiale augmenter d’au moins 30 % d’ici à 2040, selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE).
Les technologies liées à la transition vont multiplier la demande globale de ces métaux par un facteur de 1,5 à 3 selon les cas. Il existe cependant une exception : le lithium. Déjà majoritairement utilisé dans les technologies bas-carbone - essentiellement les batteries de véhicules électriques -, il verrait sa demande multipliée par 5 à 8 d’ici à 2040, selon les scénarios de l’AIE.
Si un décalage croissant entre offre et demande peut apparaître dès la fin des années 2020 pour le cuivre, et à partir des années 2030 pour le lithium, le risque de pénurie n’est pourtant pas insoluble.
Lire aussi: Tutoriel ressort détente 2240
Tableau des Besoins en Métaux pour les Technologies Bas-Carbone
| Métal | Applications | Augmentation de la Demande (2040) |
|---|---|---|
| Cuivre | Réseaux électriques, véhicules électriques, photovoltaïque | +30% |
| Lithium | Batteries de véhicules électriques | x5 à x8 |
| Cobalt, Nickel, Graphite | Éolien, batteries | x1.5 à x3 |
Les principaux métaux critiques essentiels à la transition, y compris le cuivre et le lithium, sont en effet suffisamment présents dans la croûte terrestre pour alimenter un fort développement des technologies bas-carbone. Pour le cuivre, certes, la concentration des gisements exploités a été divisée par quatre en un siècle, et les découvertes se font plus rares. Cela restreint l’offre, et peut provoquer une hausse durable des prix.
Mais ce renchérissement permet aussi de rendre plus rentables les gisements existants, donc de stimuler l’investissement. Concernant le lithium, les gisements économiquement rentables ne manquent pas, mais la marche est encore plus haute à long terme. Il faudrait, selon l’AIE, en extraire deux à trois fois plus d’ici 2040 par rapport à la production primaire prévue à cette date.
Limiter la taille des véhicules - donc des batteries -, inciter au covoiturage ou à l’usage d’autres moyens de transport propres (vélo, train, etc.)... Diminuer la demande de métaux critiques permet aussi de se prémunir contre d’éventuelles tensions liées à l’extrême concentration de leur production.
La transition vers un système énergétique bas-carbone exige une utilisation croissante de métaux pour les infrastructures de production, de stockage et de distribution d’énergie. cobalt, manganèse, nickel et cuivre pour les éoliennes ; néodyme et dysprosium pour les aimants permanents présents dans les éoliennes off-shore. Les réseaux de transport et de distribution d’électricité ont besoin de métaux conducteurs comme le cuivre et l’aluminium.
En comparaison avec le système énergétique actuel basé sur des énergies fossiles, les technologies bas-carbone sont beaucoup plus gourmandes en métaux. Pour chaque mégawatt (MW) installé, une centrale à gaz n’a par exemple besoin que d’environ une tonne de métaux (cuivre notamment), contre environ sept tonnes pour le solaire (argent, cuivre, silicone 3), dix tonnes (cuivre, nickel, manganèse, chrome, zinc) pour les éoliennes onshore (sur Terre) et 15,5 tonnes (cuivre, nickel, manganèse, chrome) pour les éoliennes offshore (en mer) [3]. Ces rapports sont encore plus importants si l’on ne considère pas la puissance installée mais l’énergie produite, du fait du relativement faible « facteur de charge » de ces modes de production, très dépendants de l’ensoleillement et du régime des vents.
La transition bas-carbone est de facto plus gourmande en métaux. La transition vers une économie bas-carbone se double d’une transformation centrée sur le numérique (5G, intelligence artificielle, etc.) qui, elle aussi, requiert de nombreux métaux dont les propriétés sont idéales pour ces technologies : résistance à la corrosion, résistance à la chaleur, conductivité, propriétés optiques, etc.
Les métaux sont utilisés soit pour les réseaux de communication, soit directement dans les biens de consommation. Dans la première catégorie, on retrouve des métaux en grande quantité comme l’aluminium et le cuivre ; dans la seconde, des métaux présents en très faible quantité pour des propriétés très précises (légèreté, résistance à la corrosion, conductivité, propriétés optiques, etc.) - ce sont souvent des métaux rares et d’une grande valeur économique. On trouve par exemple de l’indium dans les écrans plats, du néodyme dans les disques durs, du tantale dans les condensateurs électroniques et du gallium dans la fabrication des semi-conducteurs [5].
Depuis le milieu de la décennie 2010, plusieurs rapports internationaux ont clairement identifié l’importance majeure des métaux dans la transition. En 2024, l’Agence internationale de l’énergie (AIE) estimait qu’un scénario de neutralité carbone engendrerait une multiplication des besoins mondiaux en cuivre par 1.5, de ceux du cobalt et du nickel par environ 2 et de ceux du lithium par environ 9 [6]. Excepté pour le segment des terres rares dont une large partie est utilisée par le secteur du numérique, le premier usage des métaux à l’horizon 2040 devrait concerner les technologies bas-carbone.
tags: #remplacement #du #carbone #par #le #cuivre
Chargement des visites
