L’aluminium repensé peut-il aider à répondre à la demande de cuivre ?

Grégory Barbier

Considérons un instant le fil électrique, une technologie omniprésente extrêmement facile à oublier. Enroulés à l’intérieur de nos appareils, enroulés autour de nos murs, enfilés le long de nos rues, des millions de tonnes de fins fils métalliques électrisent le monde. Mais leur travail est inoffensif 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, meilleur est le métal conducteur. Ainsi, 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 : éliminer tous les corps étrangers ou imperfections qui interrompent le flux. Plus un morceau d’or est de l’or, plus un fil de cuivre est du cuivre, meilleur il sera conducteur. Tout le reste gêne.

"Si vous voulez quelque chose de vraiment hautement conducteur, alors vous devez simplement y aller pur", explique Keerti Kappagantula, scientifique en matériaux au Pacific Northwest National Lab. C’est pourquoi elle considère ses propres recherches plutôt « bancales ». Son objectif est de rendre les métaux plus conducteurs en les rendant moins purs. Elle prendra un métal comme l'aluminium et y ajoutera des additifs comme du graphène ou des nanotubes de carbone, produisant ainsi 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 un aluminium qui puisse rivaliser avec le cuivre dans les appareils électriques, un métal presque deux fois plus conducteur, mais qui coûte également environ deux fois plus cher. L'aluminium présente des avantages : il est beaucoup plus léger que le cuivre. Et comme il s’agit du métal le plus abondant dans la croûte terrestre – mille fois plus que le cuivre – il est également moins cher et plus facile à extraire.

Le cuivre, en revanche, devient de plus en plus difficile à obtenir à mesure que le monde passe à une énergie plus verte. Bien qu’il soit omniprésent depuis longtemps dans le câblage et les moteurs, la demande est en hausse. Un véhicule électrique utilise environ quatre fois plus de cuivre qu’une voiture conventionnelle, et il en faudra encore davantage 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, estiment que les parcs éoliens offshore nécessiteront 5,5 mégatonnes de métal sur 10 ans, principalement pour l'énorme système de câbles à l'intérieur des générateurs et pour transporter les électrons produits par les turbines jusqu'au rivage. Ces dernières années, le prix du cuivre a grimpé en flèche et les analystes prévoient une pénurie croissante de ce métal. Goldman Sachs l’a récemment déclaré « le nouveau pétrole ».

Certaines entreprises le remplacent déjà par de l'aluminium lorsqu'elles le peuvent. Ces dernières années, il y a eu une transformation 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 permet de les enfiler sur de plus longues distances. Cet aluminium se présente généralement sous sa forme la plus pure et la plus conductrice.

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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 constitue 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 les substances pures. Même si un additif particulier est particulièrement efficace pour transporter l'électricité (ce qui est le cas des matériaux à base de carbone avec lesquels Kappagantula travaille), les électrons contenus dans l'alliage ont généralement du mal à passer d'un matériau à l'autre. Les interfaces entre eux sont les points de friction.