Au cœur de la transition énergétique se trouve une transition métallique. Les parcs éoliens, les panneaux solaires et les voitures électriques nécessitent beaucoup plus de cuivre, de zinc et de nickel que leurs alternatives alimentées au gaz. Ils nécessitent également des métaux plus exotiques dotés de propriétés uniques, appelés éléments de terres rares, qui sont essentiels pour les aimants utilisés dans des éléments tels que les éoliennes et les moteurs de véhicules électriques.
Aujourd’hui, la Chine domine le traitement des éléments des terres rares, raffinant environ 60 % de ces matériaux destinés au monde. Alors que la demande pour ces matériaux devrait monter en flèche, l’administration Biden a déclaré que la situation posait des menaces à la sécurité nationale et économique.
Des quantités substantielles de métaux des terres rares restent aujourd’hui inutilisées aux États-Unis et dans de nombreuses autres régions du monde. Le problème, c’est qu’ils sont mélangés à de grandes quantités de déchets miniers toxiques.
Phoenix Tailings développe un processus de récolte de matériaux, notamment les métaux des terres rares et le nickel, à partir des déchets miniers. L’entreprise utilise de l’eau et des solvants recyclables pour collecter le métal oxydé, puis met le métal dans un mélange de sels fondus chauffés et applique de l’électricité.
L’entreprise, cofondée par des anciens élèves du MIT, affirme que son usine de production pilote à Woburn, dans le Massachusetts, est le seul site au monde produisant des métaux des terres rares sans sous-produits toxiques ni émissions de carbone. Le processus utilise de l’électricité, mais Phoenix Tailings compense actuellement cela avec des contrats d’énergie renouvelable.
L’entreprise prévoit de produire plus de 3 000 tonnes de métaux d’ici 2026, ce qui aurait représenté environ 7 % de la production totale américaine l’année dernière.
Aujourd’hui, avec le soutien du ministère de l’Énergie, Phoenix Tailings élargit la liste des métaux qu’elle peut produire et accélère les projets de construction d’une deuxième installation de production.
Pour l’équipe fondatrice, composée de Tomás Villalón ’14 et Michelle Chao ’14, diplômés du MIT, ainsi que de Nick Myers et Anthony Balladon, le travail a des implications pour la géopolitique et la planète.
« Être capable de fabriquer vos propres matériaux dans le pays signifie que vous n’êtes pas à la merci d’un monopole étranger », explique Villalón. « Nous nous concentrons sur la création de matériaux essentiels pour la prochaine génération de technologies. Plus largement, nous souhaitons obtenir ces matériaux de manière durable à long terme.
S’attaquer à un problème mondial
Villalón s’est intéressé à la chimie et à la science des matériaux après avoir suivi le cours 3.091 (Introduction à la chimie du solide) au cours de sa première année au MIT. Au cours de sa dernière année, il a eu la chance de travailler chez Boston Metal, une autre spin-off du MIT qui utilise un processus électrochimique pour décarboner la production d’acier à grande échelle. Cette expérience a amené Villalón, spécialisé en science et ingénierie des matériaux, à réfléchir à la création de processus métallurgiques plus durables.
Mais il a fallu une rencontre fortuite avec Myers lors d’une étude biblique en 2018 pour que Villalón donne suite à cette idée.
« Nous discutions de certains des problèmes majeurs du monde lorsque nous avons abordé le thème de l’électrification », se souvient Villalón. « Cela a donné lieu à une discussion sur la manière dont les États-Unis obtiennent leurs matériaux et sur la manière dont nous devrions envisager d’électrifier leur production. Je me suis finalement dit : « Je travaille dans le domaine depuis une décennie, allons faire quelque chose. » Nick était d’accord, mais je pensais qu’il voulait juste se sentir bien dans sa peau. Puis, en juillet, il m’a appelé au hasard et m’a dit : « J’ai 7 000 $ ». Quand commençons-nous ?’
Villalón a fait venir Chao, son ancien camarade de classe au MIT et camarade de classe en science et ingénierie des matériaux, et Myers a amené Balladon, un ancien collègue, et les fondateurs ont commencé à expérimenter de nouveaux procédés de production de métaux des terres rares.
« Nous sommes revenus aux principes de base, à la thermodynamique que j’ai apprise avec les professeurs du MIT Antoine Allanore et Donald Sadoway, et à la compréhension de la cinétique des réactions », explique Villalón. « Des cours comme le cours 3.022 (Évolution microstructurale des matériaux) et 3.07 (Introduction à la céramique) ont également été très utiles. J’ai abordé tous les aspects que j’ai étudiés au MIT.
Les fondateurs ont également reçu des conseils du Venture Mentoring Service (VMS) du MIT et ont suivi le programme I-Corps de la National Science Foundation des États-Unis. Sadoway a servi de conseiller pour l’entreprise.
Après avoir rédigé une version de la conception de leur système, les fondateurs ont acheté une quantité expérimentale de déchets miniers, connus sous le nom de boues rouges, et ont installé un prototype de réacteur dans la cour de Villalón. Les fondateurs se sont retrouvés avec une petite quantité de produit, mais ils ont dû se démener pour emprunter l’équipement scientifique nécessaire pour déterminer de quoi il s’agissait exactement. Il s’est avéré qu’il s’agissait d’une petite quantité de concentré de terres rares ainsi que de fer pur.
Aujourd’hui, à la raffinerie de l’entreprise à Woburn, Phoenix Tailings ajoute des déchets miniers riches en métaux des terres rares dans son mélange et les chauffe à environ 1 300 degrés Fahrenheit. Lorsqu’un courant électrique est appliqué au mélange, le métal pur s’accumule sur une électrode. Le processus laisse un minimum de déchets.
« La clé de tout cela n’est pas seulement la chimie, mais aussi la manière dont tout est lié, car avec les terres rares, il faut atteindre des puretés très élevées par rapport à un métal produit de manière conventionnelle », explique Villalón. « Par conséquent, vous devez penser à la pureté de votre matériau tout au long du processus. »
Des terres rares au nickel, en passant par le magnésium et bien plus encore
Villalón affirme que le processus est économique par rapport aux méthodes de production conventionnelles, ne produit aucun sous-produit toxique et est totalement sans carbone lorsque des sources d’énergie renouvelables sont utilisées pour l’électricité.
L’usine de Woburn produit actuellement plusieurs éléments de terres rares pour ses clients, notamment le néodyme et le dysprosium, qui jouent un rôle important dans les aimants. Les clients utilisent ces matériaux pour des choses comme les éoliennes, les voitures électriques et les applications de défense.
L’entreprise a également reçu deux subventions du programme ARPA-E du Département américain de l’énergie, totalisant plus de 2 millions de dollars. Sa subvention 2023 soutient le développement d’un système permettant d’extraire le nickel et le magnésium des déchets miniers grâce à un processus utilisant la carbonisation et le dioxyde de carbone recyclé. Le nickel et le magnésium sont des matériaux essentiels pour les applications d’énergie propre comme les batteries.
La subvention la plus récente aidera l’entreprise à adapter son procédé pour produire du fer à partir de déchets miniers sans émissions ni sous-produits toxiques. Phoenix Tailings affirme que son procédé est compatible avec un large éventail de types de minerais et de déchets, et que l’entreprise dispose de nombreux matériaux avec lesquels travailler : l’extraction et le traitement des minerais minéraux génèrent environ 1,8 milliard de tonnes de déchets aux États-Unis chaque année.
«Nous voulons tirer parti de nos connaissances issues du traitement des métaux des terres rares et les transférer progressivement vers d’autres segments», explique Villalón. « Nous devons simplement affiner certains de ces matériaux ici. Nous ne pouvons pas le faire. Alors, à quoi cela ressemble-t-il d’un point de vue réglementaire ? Comment pouvons-nous créer des approches qui soient économiques et respectueuses de l’environnement, non seulement maintenant, mais dans 30 ans ?
