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 long de récits grandioses, un détail mineur dans le "Master Plan Part 3" d'Elon Musk a fait la une des journaux 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 aux 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 Rare Earths 1, 2 et 3. Sur la première diapositive, représentant le cadeau de Tesla, les quantités varient d'un demi-kilo à 10 grammes. Le lendemain, le Tesla d'une date future non précisée, tous étaient remis à zéro.

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Pour les magnéticiens, ceux qui étudient les forces étranges exercées par certains matériaux grâce aux mouvements des électrons et utilisent parfois des gestes cryptiques de la main, l'identité de Rare Earth 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 toujours actif. Mais peu de matériaux ont cette qualité. Et encore moins génèrent un champ suffisamment puissant pour déplacer une Tesla de 4 500 livres et bien d'autres choses, des robots industriels aux avions de chasse. Si Tesla prévoyait d'éliminer le néodyme et d'autres terres rares de ses moteurs, quel type d'aimants utiliserait-il 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", déclare Andy Blackburn, vice-président exécutif de la stratégie de Niron Magnetics, l'une des rares startups à tenter de décrocher la prochaine révélation de ce type.

Plus probablement, selon Blackburn et d'autres têtes de flux, Tesla avait décidé qu'il pouvait se contenter d'un aimant beaucoup moins puissant. Le candidat évident de la courte liste de possibilités, dont la plupart incluent 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. C'est bon marché et facile à fabriquer, et les portes des réfrigérateurs sont restées fermées partout depuis les années 1950.

Mais la ferrite ne contient également qu'environ un dixième du poinçon 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 céder. (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 en réalité l'électromagnétisme qui fait avancer une voiture électrique. (Ce n'est pas un hasard si Tesla, l'entreprise, et tesla, l'unité de magnétisme, portent le même nom.) Lorsque les électrons traversent des bobines de fil dans le moteur, ils créent un champ électromagnétique qui s'oppose aux forces magnétiques opposées, faisant tourner l'arbre du moteur et faisant tourner les 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 aucun apport électrique, grâce au spin bien orchestré 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 mettre à niveau la batterie. Avant cela, il utilisait des moteurs à induction construits autour d'électroaimants, qui devenaient magnétiques en consommant du courant électrique. (Ceux-ci sont toujours utilisés dans les modèles qui ont des moteurs avant.)

Cela pourrait rendre un peu bizarre de se débarrasser des terres rares et de renoncer aux meilleurs aimants. Les constructeurs automobiles sont généralement obsédés par l'efficacité, en particulier dans le cas des véhicules électriques, où la lutte continue 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, une ingénierie auparavant considérée comme trop inefficace fait son retour.

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Cela se voit chez les constructeurs automobiles, dont Tesla, produisant plus de véhicules avec des batteries fabriquées avec du LFP, du phosphate de fer au lithium. Il s'agit généralement de modèles de gamme inférieure à ceux dotés de batteries contenant des éléments tels que le cobalt et le nickel. C'est une technologie plus ancienne. Plus lourd? Bien sûr. Emballe moins d'énergie, aussi. (Le modèle 3 actuel alimenté par LFP promet une autonomie de 272 miles, tandis qu'un modèle S à longue portée avec une batterie plus sophistiquée peut en dépasser 400.) Mais cela peut être un choix commercial plus intelligent car il 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 modifications. "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 de nombreux autres composants qui, en théorie, peuvent être réarrangés pour atténuer 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 ajustant d'autres aspects de la conception du moteur, de nombreuses mesures de performance des moteurs à terres rares peuvent être reproduites. Le résultat dans ce cas était un moteur qui n'est qu'environ 30 % plus lourd, une différence qui pourrait être faible par rapport au volume global d'une voiture.

Malgré de tels maux de tête, il existe de nombreuses raisons pour qu'un constructeur automobile se débarrasse des éléments de terres rares, s'il peut le faire basculer. Depuis le début des années 1990, lorsque le dirigeant chinois, Deng Xiaoping, a déclaré que les métaux étaient l'équivalent pour son pays du pétrole saoudien, ils ont été une sorte de mot à la mode pour les inquiétudes 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 en partie dû à l'économie - dans les années 1990, les terres rares chinoises bon marché ont inondé le marché, accélérant la fermeture des mines et de la transformation dans des endroits comme les États-Unis - et en partie à des préoccupations environnementales. L'extraction et le raffinage des terres rares sont des activités notoirement toxiques, en partie parce que les éléments les plus précieux, comme le néodyme qui stimule l'aimant, 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 transforme plus de 90 % des aimants mondiaux.

"Vous avez une industrie de 10 milliards de dollars, qui permet des produits d'une valeur comprise entre 2 000 et 3 000 milliards de dollars par an. C'est un effet de levier énorme", déclare Thomas Kruemmer, analyste des minéraux et auteur du blog populaire Rare Earth Observer. C'est également vrai pour les voitures, dit-il, même si elles ne contiennent que quelques kilogrammes de substance. Les retirer signifie que la voiture ne partira pas (sauf si vous êtes prêt à repenser l'ensemble du 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 et fournit désormais 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 au niveau national et dans des pays amis comme le Japon et l'Europe. (Le ministère de l'Énergie, quant à lui, étudie comment utiliser les algues pour séquestrer les terres rares de l'eau de mer.) Mais cela prend du temps - des années, voire des décennies de préparation, 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 ne fait que décoller. Dans le même temps, les prix des terres rares ont récemment grimpé en flèche 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 fonctionner une alternative, il est probablement logique de le faire, déclare Jim Chelikowsky, un physicien qui étudie les matériaux magnétiques à l'Université du Texas à 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 dotés de trois qualités essentielles : ils doivent être magnétiques, conserver 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 consistant à commencer par des centaines de milliers de matériaux possibles, à éliminer ceux qui présentent des inconvénients comme contenir des terres rares, puis à utiliser 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 consiste à trouver de nouveaux aimants faciles à fabriquer. Certains aimants nouvellement développés, comme 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 tétrataenite, un composé nickel-fer connu uniquement des météorites qui doit se refroidir lentement pendant des milliers d'années pour organiser avec précision ses atomes dans l'état correct. Les tentatives pour le faire plus rapidement en laboratoire sont en cours mais n'ont pas encore porté leurs fruits.

Niron, la startup de l'aimant, est un peu plus loin, avec un aimant en nitrure de fer qui, selon la société, est théoriquement plus magnétique que le néodyme. Mais c'est aussi un matériau instable, difficile à fabriquer et à conserver sous une forme désirable. Blackburn affirme que la société progresse mais ne produira pas d'aimants suffisamment 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 des systèmes de sonorisation.

On ne sait pas si d'autres constructeurs automobiles suivront le compromis de Tesla sur les terres rares, a déclaré 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 saupoudrés dans ses futurs véhicules, répartis sur des éléments tels que les vitres automatiques, la direction assistée et les essuie-glaces. (Dans un possible tour de passe-passe, les diapositives contrastant le contenu des terres rares lors de l'événement des investisseurs de Tesla comparaient en fait une voiture de la génération actuelle entière 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".