Les ajustements moléculaires peuvent-ils aider l'aluminium à répondre à la demande de cuivre ?

Cette histoire a été initialement publiée par Wired et apparaît ici dans le cadre de la collaboration Climate Desk.

Considérez un instant le fil électrique, une technologie omniprésente qu'il est extrêmement facile d'oublier. Enroulés à l'intérieur de nos appareils, enroulés autour de nos murs, enfilés le long de nos rues, des millions de tonnes de fils métalliques fins électrisent le monde. Mais leur travail est bénin et si naturaliste qu'il ne ressemble pas du tout à de la technologie. Les fils déplacent les électrons simplement parce que c'est ce que font les métaux lorsqu'un courant leur est fourni : ils conduisent.

Mais il y a toujours place à l'amélioration. Les métaux conduisent l'électricité car ils contiennent des électrons libres qui ne sont liés à aucun atome particulier. Plus il y a d'électrons qui circulent et plus ils vont vite, mieux un métal est conducteur. Donc, pour améliorer cette conductivité - cruciale pour préserver l'énergie produite dans une centrale électrique ou stockée dans une batterie - les scientifiques des matériaux sont généralement à la recherche d'arrangements atomiques plus parfaits. Leur objectif principal est la pureté - pour éliminer tout morceau de corps étranger ou toute imperfection qui interrompt le flux. Plus un morceau d'or est de l'or, plus un fil de cuivre est du cuivre, mieux il conduira. Tout le reste ne fait que gêner.

"Si vous voulez quelque chose de vraiment très conducteur, alors vous n'avez qu'à devenir pur", déclare Keerti Kappagantula, scientifique des matériaux au Pacific Northwest National Lab. C'est pourquoi elle considère ses propres recherches comme plutôt « bancales ». Son objectif est de rendre les métaux plus conducteurs en les rendant moins purs. Elle prendra un métal comme l'aluminium et ajoutera des additifs comme du graphène ou des nanotubes de carbone, produisant un alliage. Faites cela de la bonne manière, a découvert Kappagantula, et le matériau supplémentaire peut avoir un effet étrange : il peut pousser le métal au-delà de sa limite théorique de conductivité.

Le but, dans ce cas, est de créer de l'aluminium qui puisse rivaliser avec le cuivre dans les appareils électriques - un métal qui est presque deux fois plus conducteur, mais qui coûte aussi environ deux fois plus cher. L'aluminium a des avantages : il est beaucoup plus léger que le cuivre. Et en tant que métal le plus abondant dans la croûte terrestre - mille fois plus que le cuivre - il est également moins cher et plus facile à déterrer.

Le cuivre, en revanche, devient de plus en plus difficile à trouver à mesure que le monde passe à une énergie plus verte. Bien qu'il soit depuis longtemps omniprésent dans le câblage et les moteurs, sa demande est en plein essor. Un véhicule électrique utilise environ quatre fois plus de cuivre qu'une voiture conventionnelle, et il en faudra encore plus pour les composants électriques des centrales électriques renouvelables et les câbles qui les relient au réseau. Les analystes de Wood Mackenzie, une société de recherche axée sur l'énergie, ont estimé que les parcs éoliens offshore exigeront 5,5 mégatonnes de métal sur 10 ans, principalement pour le système massif de câbles dans les générateurs et pour transporter les électrons que les turbines produisent jusqu'au rivage. Ces dernières années, le prix du cuivre a grimpé en flèche et les analystes prévoient une pénurie croissante du métal. Goldman Sachs l'a récemment déclaré "le nouveau pétrole".

Certaines entreprises le remplacent déjà par de l'aluminium là où elles le peuvent. Ces dernières années, il y a eu un changement de plusieurs milliards de dollars dans les composants de tout, des climatiseurs aux pièces automobiles. Les lignes électriques à haute tension utilisent déjà des fils d'aluminium, car ils sont à la fois bon marché et légers, ce qui leur permet d'être enfilés sur de plus longues distances. Cet aluminium est généralement sous sa forme la plus pure et la plus conductrice.

Mais cette conversion a récemment ralenti, en partie parce que l'échange a déjà été effectué pour les applications où l'aluminium a le plus de sens, explique Jonathan Barnes, analyste principal des marchés du cuivre chez Wood Mackenzie. Pour une utilisation dans un plus large éventail d'applications électriques, la conductivité est la principale limite. C'est pourquoi des chercheurs comme Kappagantula tentent de repenser le métal.

Les ingénieurs conçoivent généralement des alliages pour améliorer les autres qualités d'un métal, comme la résistance ou la flexibilité. Mais ces concoctions sont moins conductrices que l'étoffe pure. Même si un additif particulier est particulièrement efficace pour transporter l'électricité (ce qui est le cas pour les matériaux à base de carbone avec lesquels Kappagantula travaille), les électrons dans l'alliage ont généralement du mal à passer d'un matériau à un autre. Les interfaces entre eux sont les points d'achoppement.

Il est possible de concevoir des interfaces là où ce n'est pas le cas, mais cela doit être fait avec précaution. Les méthodes habituelles de fabrication des alliages d'aluminium ne suffisent pas. L'aluminium métal est produit depuis plus d'un siècle à l'aide de procédés qui peuvent sembler familiers si vous vous souvenez de votre manuel de chimie du secondaire : le procédé Bayer pour extraire l'oxyde d'aluminium de la bauxite (la roche sédimentaire dans laquelle l'élément se trouve principalement), suivi du procédé Hall-Héroult pour fondre le matériau en aluminium métallique.

Ce deuxième processus consiste à chauffer le métal à près de 1 000 ° C pour qu'il fonde - une procédure peu respectueuse du climat qui explique en grande partie pourquoi il faut environ quatre fois plus d'énergie pour produire de l'aluminium que pour produire du cuivre. . Et à ces températures, des problèmes se posent pour fabriquer des alliages convenablement nuancés. Il fait beaucoup trop chaud pour un additif comme le carbone, qui perdra sa structure soigneusement conçue et se retrouvera réparti de manière inégale dans le métal. Les molécules des deux substances se réalignent pour former ce qu'on appelle un intermétallique - un matériau dur et cassant qui agit comme un isolant. Les électrons ne peuvent pas faire le saut d'un côté à l'autre.

Au lieu de cela, les chercheurs du PNNL se sont tournés vers un processus appelé fabrication en phase solide, qui utilise une combinaison de forces de cisaillement et de frottement à des températures plus basses pour superposer le nouveau matériau de carbone dans le métal. La clé est de le faire à une température suffisamment élevée pour que l'aluminium devienne flexible - dans un état dit "plastique" - mais pas fondu. Cela permet à Kappagantula de contrôler soigneusement la distribution des matériaux, qui sont ensuite vérifiés avec des simulations informatiques qui modélisent les structures atomiques des nouveaux alliages.

Ce sera un long processus de sortir ces matériaux du laboratoire. La première étape de l'équipe a été de produire des fils fabriqués à partir des nouveaux alliages, d'abord de quelques pouces de long, puis de quelques mètres. Ensuite, ils créeront des barres et des feuilles qui pourront être soumises à une série de tests pour s'assurer qu'elles ne sont pas seulement plus conductrices, mais aussi suffisamment solides et flexibles pour être utiles à des fins industrielles. S'il réussit ces tests, ils travailleront avec les fabricants pour produire de plus grands volumes d'alliage.

Mais pour Kappagantula, réinventer le processus de fabrication de l'aluminium vieux de deux siècles en vaut la peine. "Nous avons besoin de beaucoup de cuivre, et nous allons rapidement faire face à des pénuries", dit-elle. "Cette recherche nous dit que nous sommes sur la vraie bonne voie."