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Le tantale, un élément exceptionnel mais controversé

Posté le par Jeanne PÉRIÉ dans Matériaux, Biotech & chimie

Le tantale est un métal gris qui est extrait de mines, souvent en association avec d’autres éléments, en particulier avec le Nobium dans un mélange appelé « coltan » (c’est une contraction de « colombite » et «tantalite », minerais bruts contenant respectivement ces deux éléments). Il appartient à la liste des matières premières critiques, établie par l’Union Européenne et les Etats-Unis[1]. Il est également qualifié de « minerai de conflit » [2]. Quelles sont donc ses particularités controversées ?

Le tantale a un aspect banal et un nom issu de la mythologie grecque, ce qui ne laisse en rien deviner l’attention et la tension qu’il génère sur la scène internationale. Nous nous attacherons à décrypter tout au long de cet article cet élément stratégique.

Le tantale, un élément devenu indispensable dans la révolution numérique en particulier et dans l’industrie en général

Cet élément, bien qu’utilisé à l’échelon mondial en quantités nettement inférieures à d’autres métaux (environ 1800 tonnes) tels que le cuivre (environ 20,9 millions de tonnes) ou le fer (environ 2,5 milliards de tonnes), est considéré comme un métal stratégique. Ses propriétés électriques exceptionnelles ont permis de construire des transistors miniatures présents dans les smartphones, les ordinateurs portables, les caméras, etc. et généralement dans tous les appareils électroniques à la pointe de la technologie. Le tantale est donc un élément clé de la révolution numérique que nous vivons actuellement.

D’autres propriétés, de type mécanique et thermique, en font un additif précieux dans la fabrication de superalliages, d’instruments de coupe et de chirurgie dentaire par exemple. Sa biocompatibilité est mise à profit dans les implants médicaux.

En fait, les deux grands domaines de haute technologie consommateurs de tantale sont l’électronique  (transistors et couches conductrices dans les TV à écran plat, les têtes d’imprimante et les clés USB) et l’aéronautique, sous la forme de superalliages brevetés et appartenant à des  séries telles que celles des Monel(R), des Inconel(R), des Incoloy(R) ou encore des Waspaloy(R)).

Les superalliages utilisés dans l’aéronautique

Afin d’illustrer les propriétés exceptionnelles du tantale, nous nous intéressons à son utilisation dans la fabrication de certaines pièces de turbine de moteurs à réaction, telles que les disques ou aubes. La défaillance de ces pièces peut engendrer la perte de l’avion. Elles doivent donc être construites selon un cahier des charges très exigeant. Nous citerons ici le superalliage « Inconel 718 », à base de nickel et chrome, avec environ 5 % de tantale/nobium.

Les turbines d’avion à réaction subissent de violentes sollicitations au niveau mécanique et thermique car elles endurent le passage des gaz à hautes pressions et hautes températures pouvant monter respectivement jusqu’à 1370 bars et 1200°C [3] (à titre de comparaison : la pression atmosphérique est d’environ 1 bar). Ces sollicitations induisent une fatigue des matériaux par fluage (c’est-à-dire la déformation irréversible du matériau par contraintes mécaniques), par oxydation ou corrosion, ces deux dernières étant des réactions chimiques qui modifient la surface du matériau et parfois même l’intérieur, la fragilisant et provoquant à long terme sa rupture.

Le tantale est un additif, c’est-à-dire qu’il est ajouté en petites quantité dans l’alliage à base de nickel-chrome afin de durcir le mélange d’une part et de le rendre plus résistant à la corrosion chaude (réactions chimiques à haute température en présence d’eau de mer, qui rongent le matériau) d’autre part.

La présence de tantale dans les superalliages permet donc à ces derniers d’augmenter leurs performances mécaniques et chimiques à très hautes températures et pressions, et de répondre aux besoins très particuliers de l’aéronautique.

Le tantale en tant que minerai de conflits

Les ressources de tantale sont réparties dans plusieurs pays : l’Australie, le Brésil, la Chine, le Canada et plusieurs pays Africains, dont la République Démocratique du Congo (RD Congo) et le Rwanda. La grande majorité du tantale (entre 70 et 80% de la production mondiale) provient de la RD Congo. Or, les mines y sont exploitées de manière artisanale, à la pelle et à la pioche. Les conditions de travail des adultes, mais aussi des enfants (mentionnons ici que le droit international des enfants interdit leur exploitation par le travail), sont dénoncées par plusieurs organismes et journalistes [4]. De plus, les bénéfices des ventes de coltan extrait de ces mines congolaises alimenteraient l’achat d’armes servant à entretenir les conflits armés qui sévissent depuis une vingtaine d’années, dont les premières victimes sont les civils.

C’est la raison pour laquelle le tantale, mais aussi l’étain, le tungstène et l’or sont appelés « minerais de conflit ».

Existe-t-il des alternatives au tantale ?

Bien que les propriétés chimiques du nobium et du tantale soient très proches (ils ont le même degré d’oxydation, le même rayon entre autres), ils ne sont pas interchangeables, du moins dans les alliages à base de nickel. En effet, leurs rôles au niveau de la structure cristalline du superalliage dans sa globalité, ne sont pas les mêmes. De plus, le nobium forme un ensemble avec le nickel, appelé phase γ’, qui doit se trouver en quantité contrôlée.

Ainsi, il semble difficile de remplacer le tantale dans les superalliages existants actuellement dans l’industrie aéronautique en particulier, et l’industrie en général. Il semble également difficile de remplacer le tantale dans les transistors miniatures. L’alternative au tantale, si elle existe, ne semble pas concerner les matériaux et produits de consommation existants actuellement.

Une solution par contre au problème du minerai de conflit serait de développer des procédés chimiques plus respectueux de la santé humaine et de l’environnement que ceux actuels (basés sur l’utilisation de mélanges liquides incluant de l’acide fluorhydrique très agressif) et permettant d’extraire le tantale d’autres gisements que ceux du Congo. C’est le cas du « procédé Maboumine » développé par Eramet Research et l’institut de recherche de chimie ParisTech. C’est également l’un des objectifs de l’association internationale Prométia.

Une autre solution serait de changer de paradigme (démarche spécifique à la DeepTech) en recherchant des matériaux innovants ou une conception différente pour créer des objets ayant les mêmes fonctions que celles de nos objets usuels actuels. Cette démarche semblerait logique, bien que radicale, dans l’optique d’un épuisement des ressources terrestres de tantale à l’horizon 2038. Cette démarche résoudrait alors tous les problèmes évoqués précédemment.


[1] Article « Les « terres rares » et autres matériaux critiques et stratégiques, au cœur des conflits de demain ? » rédigé par Jean-François Guilhaudis et Jacques Fontanel

[2] Episode du podcast Cogitons Sciences de Techniques de l’Ingénieur avec Marianna Reyne sur les  « minerais de conflit »

[3] Mémoire de thèse rédigé en 2020 par Tom Sanviemvongsak, intitulé « Oxydation et corrosion à haute température de superalliages à base de nickel issus de la fabrication additive »

[4] Article « Le coltan, pour le meilleur et pour le pire », rédigé par Louis-Nino Kansoun pour le site internet écofin 

Pour aller plus loin

Posté le par Jeanne PÉRIÉ


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