Le mystère de l'aimant de Tesla montre qu'Elon Musk est prêt à faire des compromis

Grégory Barbier

Le mois dernier, lors d’un événement d’investisseurs Tesla diffusé en direct qui a manqué de nouvelles voitures et de récits grandioses, un détail mineur dans le « Master Plan Part 3 » d’Elon Musk a fait les manchettes dans un coin obscur de la physique. Colin Campbell, un cadre de la division des groupes motopropulseurs de Tesla, a annoncé que son équipe supprimait les aimants de terres rares de ses moteurs, citant des problèmes de chaîne d’approvisionnement et la toxicité de leur production.

Pour souligner ce point, Campbell a cliqué entre une paire de diapositives faisant référence à trois matériaux mystérieux, utilement étiquetés Terres rares 1, 2 et 3. Sur la première diapositive, représentant le présent de Tesla, les quantités vont d’un demi-kilo à 10 grammes. Sur le suivant – la Tesla d’une date future non spécifiée – tous ont été mis à zéro.

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Joël Khalili

Julien Chokkattu

Pour les magnéticiens, les gens qui étudient les forces étranges que certains matériaux exercent grâce aux mouvements des électrons et utilisent parfois des gestes cryptiques de la main, l’identité de la Terre rare 1 était évidente: le néodyme. Lorsqu’il est ajouté à des éléments plus familiers, comme le fer et le bore, le métal peut aider à créer un champ magnétique puissant et permanent. Mais peu de matériaux ont cette qualité. Et encore moins génèrent un champ suffisamment fort pour déplacer une Tesla de 4 500 livres – et beaucoup d’autres choses, des robots industriels aux avions de combat. Si Tesla prévoyait d’éliminer le néodyme et d’autres terres rares de ses moteurs, quel type d’aimants utiliserait-elle à la place?

Une chose était claire pour les physiciens : Tesla n’avait pas inventé un matériau magnétique fondamentalement nouveau. « Vous obtenez un nouvel aimant commercial quelques fois par siècle », explique Andy Blackburn, vice-président exécutif de la stratégie de Niron Magnetics, l’une des rares startups à essayer d’obtenir la prochaine révélation de ce type.

Plus probablement, Blackburn et d’autres têtes de flux ont pensé, était que Tesla avait décidé qu’il pouvait se contenter d’un aimant beaucoup moins puissant. Le candidat évident de la courte liste des possibilités, dont la plupart comprennent des éléments coûteux et géopolitiquement lourds comme le cobalt, était la ferrite: une céramique de fer et d’oxygène, mélangée à un peu de métal comme le strontium. Il est bon marché et facile à fabriquer, et a gardé les portes du réfrigérateur partout coincées fermées depuis les années 1950.

Mais la ferrite n’a également qu’environ un dixième du punch magnétique des aimants en néodyme, en volume, ce qui soulève de nouvelles questions. Le PDG de Tesla, Elon Musk, est connu pour être intransigeant, mais si Tesla passe à la ferrite, il semble que quelque chose doit donner. (La société n’a pas répondu à une demande de commentaire.)

Il est tentant de penser que la batterie est ce qui fait fonctionner un véhicule électrique, mais c’est vraiment l’électromagnétisme qui déplace une voiture électrique. (Ce n’est pas un hasard si Tesla, la société, et Tesla, l’unité du magnétisme, portent le nom du même type.) Lorsque les électrons circulent à travers des bobines de fil dans le moteur, ils créent un champ électromagnétique qui pousse contre les forces magnétiques opposées, faisant tourner l’arbre du moteur et provoquant le patinage des roues.

Pour les roues arrière d’une Tesla, ces forces sont fournies par un moteur à aimants permanents, des matériaux ayant l’étrange propriété d’avoir un champ magnétique stable, sans aucune entrée électrique, grâce à la rotation bien orchestrée des électrons autour de ses atomes. Tesla n’a commencé à ajouter ces aimants à ses voitures qu’il y a environ cinq ans pour parcourir plus de kilomètres et augmenter le couple sans améliorer la batterie. Avant cela, il utilisait des moteurs à induction construits autour d’électroaimants, qui deviennent magnétiques en consommant du courant électrique. (Ceux-ci sont toujours utilisés dans les modèles qui ont des moteurs avant.)

Cela pourrait rendre se débarrasser des terres rares et renoncer aux meilleurs aimants autour semble un peu bizarre. Les constructeurs automobiles sont généralement obsédés par l’efficacité, en particulier dans le cas des véhicules électriques, où la lutte se poursuit pour convaincre les conducteurs de surmonter leurs craintes concernant l’autonomie limitée. Mais alors que les constructeurs automobiles commencent à augmenter la production de véhicules électriques, certaines techniques auparavant considérées comme trop inefficaces font leur retour.

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C’est ce que l’on voit chez les constructeurs automobiles, dont Tesla, qui produisent plus de véhicules avec des batteries fabriquées avec du LFP, du phosphate de fer lithium. Ceux-ci ont tendance à être des modèles de gamme inférieure à ceux avec des batteries contenant des éléments comme le cobalt et le nickel. C’est une technologie plus ancienne. Lourd? Sûr. Contient également moins d’énergie. (Le modèle 3 actuel alimenté par LFP promet 272 miles d’autonomie, tandis qu’un modèle S à longue portée avec une batterie plus sophistiquée peut dépasser 400.) Mais cela peut être un choix commercial plus intelligent car cela évite de traiter avec des matériaux coûteux et politiquement risqués.

Pourtant, il est peu probable que Tesla remplace simplement ses aimants par quelque chose de bien pire, comme la ferrite, sans apporter d’autres changements. « Vous aurez un énorme aimant à transporter dans une voiture », explique Alena Vishina, physicienne à l’Université d’Uppsala. Heureusement, un moteur est une machine assez complexe avec beaucoup d’autres composants qui, en théorie, peuvent être réarrangés pour adoucir la pénalité de l’utilisation d’aimants plus faibles. Dans les modèles informatiques, la société de matériaux Proterial a récemment déterminé qu’en positionnant soigneusement les aimants en ferrite et en peaufinant d’autres aspects de la conception des moteurs, de nombreuses mesures de performance des moteurs entraînés par les terres rares peuvent être reproduites. Le résultat dans ce cas était un moteur qui n’est que d’environ 30% plus lourd, une différence qui pourrait être faible par rapport à l’encombrement global d’une voiture.

Malgré ces maux de tête, il existe de nombreuses raisons pour un constructeur automobile de se débarrasser des éléments de terres rares, s’il peut le balancer. Depuis le début des années 1990, lorsque le dirigeant chinois, Deng Xiaoping, a déclaré que les métaux étaient l’équivalent du pétrole saoudien de son pays, ils ont été une sorte de mot à la mode pour les angoisses géopolitiques transpacifiques. Peu importe que les terres rares n’aient rien à voir avec le pétrole – le marché total vaut à peu près la même chose que le marché américain des œufs, et les éléments peuvent théoriquement être extraits, traités et transformés en aimants partout dans le monde. Mais la Chine est le seul endroit qui fait tout cela.

Le quasi-monopole de la Chine est dû en partie à l’économie – dans les années 1990, les terres rares chinoises bon marché ont inondé le marché, accélérant la fermeture des mines et du traitement dans des endroits comme les États-Unis – et en partie à des préoccupations environnementales. L’extraction et le raffinage des terres rares sont une activité notoirement toxique, en partie parce que les éléments les plus précieux, comme le néodyme qui stimule les aimants, sont étroitement liés à d’autres terres rares, ainsi qu’à des éléments radioactifs comme l’uranium et le thorium. Aujourd’hui, la Chine produit près des deux tiers des terres rares extraites dans le monde et traite plus de 90% des aimants du monde.

« Vous avez une industrie de 10 milliards de dollars, qui permet des produits qui valent entre 2 000 et 3 billions de dollars par an. C’est un énorme levier », explique Thomas Kruemmer, analyste des minéraux et auteur du blog populaire Rare Earth Observer. C’est vrai aussi pour les voitures, dit-il, même si elles ne contiennent que quelques kilogrammes de ce matériel. Les retirer signifie que la voiture ne partira pas (sauf si vous êtes prêt à redessiner tout le moteur).

Les États-Unis et l’Europe tentent de diversifier cette chaîne d’approvisionnement. Une mine californienne qui a fermé au début des années 2000 a récemment rouvert ses portes et fournit maintenant 15% des terres rares du monde, bien que ce minerai soit expédié en Chine pour y être traité. Aux États-Unis, les agences gouvernementales – en particulier le ministère de la Défense, qui a besoin d’aimants puissants pour les équipements, y compris les avions et les satellites – ont tenu à investir dans les chaînes d’approvisionnement nationales et dans des endroits amis comme le Japon et l’Europe. (Le ministère de l’Énergie, quant à lui, examine comment utiliser les algues pour séquestrer les terres rares de l’eau de mer.) Mais c’est lent – des années, voire des décennies, compte tenu des coûts, du savoir-faire nécessaire et des problèmes environnementaux.

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Pendant ce temps, la demande augmente pour les aimants intégrés dans les outils de décarbonisation, tels que les voitures et les éoliennes. Actuellement, 12% des terres rares entrent dans les véhicules électriques, selon Adamas Intelligence, un marché qui vient tout juste de décoller. Dans le même temps, les prix des terres rares ont récemment grimpé en raison des marchés internes chinois et des interventions politiques que les entreprises extérieures ne peuvent pas toujours prévoir.

Dans l’ensemble, si vous êtes dans une entreprise où vous pouvez faire un travail alternatif, il est probablement logique de le faire, dit Jim Chelikowsky, un physicien qui étudie les matériaux magnétiques à l’Université du Texas, Austin. Mais il y a toutes sortes de raisons, dit-il, de chercher de meilleures alternatives aux aimants de terres rares que la ferrite. Le défi consiste à trouver des matériaux ayant trois qualités essentielles : ils doivent être magnétiques, maintenir ce magnétisme en présence d’autres champs magnétiques et tolérer des températures élevées. Les aimants chauds cessent d’être des aimants.

Les chercheurs ont une assez bonne idée des éléments chimiques qui peuvent faire de bons aimants, mais il existe des millions d’arrangements atomiques potentiels. Certains chasseurs d’aimants ont adopté l’approche de commencer avec des centaines de milliers de matériaux possibles, en jetant ceux qui présentent des inconvénients comme contenir des terres rares, puis en utilisant l’apprentissage automatique pour prédire les qualités magnétiques de ceux qui restent. À la fin de l’année dernière, Chelikowsky a publié les résultats de l’utilisation du système pour créer un nouveau matériau hautement magnétique contenant du cobalt. Ce n’est pas idéal, géopolitiquement parlant, mais c’est un point de départ, dit-il.

Souvent, le plus grand défi est de trouver de nouveaux aimants faciles à fabriquer. Certains aimants nouvellement développés, tels que ceux contenant du manganèse, sont prometteurs, explique Vishina de l’Université d’Uppsala, mais aussi instables. Dans d’autres cas, les scientifiques savent qu’un matériau est extraordinairement magnétique mais ne peut pas être créé en vrac. Cela inclut la tétrataénite, un composé nickel-fer connu uniquement des météorites qui doivent se refroidir lentement pendant des milliers d’années pour organiser avec précision ses atomes dans le bon état. Les tentatives pour le faire plus rapidement en laboratoire sont en cours, mais n’ont pas encore porté leurs fruits.

Niron, la start-up d’aimants, est un peu plus avancée, avec un aimant en nitrure de fer qui, selon la société, est théoriquement plus magnétique que le néodyme. Mais c’est aussi un matériau inconstant, difficile à fabriquer et à préserver sous une forme désirable. Blackburn affirme que la société fait des progrès, mais ne produira pas d’aimants assez puissants pour transformer les véhicules électriques à temps pour la prochaine génération de véhicules de Tesla. La première étape, dit-il, consiste à placer les nouveaux aimants dans des appareils plus petits comme les systèmes de sonorisation.

Il n’est pas clair si d’autres constructeurs automobiles suivront le compromis de Tesla sur les terres rares, dit Kruemmer. Certains peuvent s’en tenir aux matériaux chargés de bagages, tandis que d’autres optent pour des moteurs à induction ou essaient quelque chose de nouveau. Même Tesla, dit-il, aura probablement quelques grammes de terres rares saupoudrées dans ses futurs véhicules, répartis sur des choses comme les vitres automatiques, la direction assistée et les essuie-glaces. (Dans un possible tour de passe-passe, les diapositives contrastant le contenu en terres rares lors de l’événement des investisseurs de Tesla comparaient en fait une voiture entière de la génération actuelle à un futur moteur.) Malgré des solutions de contournement comme celles en cours chez Tesla, les aimants de terres rares provenant de Chine resteront avec nous, y compris Elon Musk, d’autant plus que le monde pousse à la décarbonisation. Ce serait peut-être bien de tout remplacer, mais comme le dit Kruemmer, « nous n’avons tout simplement pas le temps ».