Histoires de réussite: Des mines à nos batteries : l'extraction de minéraux critiques, accélérée par la technologie quantique
Le long des routes rurales canadiennes, en plus des champs agricoles en train d'être fertilisés, il vous arrive sans doute de voir des parcs solaires et des éoliennes. Et chaque jour, vous croisez probablement quelques véhicules électriques ou prenez des photos avec votre téléphone mobile, ou même un drone.
Mais ce qui est plus difficile à remarquer, ce sont les matériaux essentiels aux batteries qui alimentent ces produits et technologies : des minéraux critiques comme le lithium, le graphite, le nickel et le cobalt. Les minéraux critiques sont indispensables à bon nombre d'applications, comme les éoliennes, les panneaux solaires, les batteries pour véhicules électriques, le stockage d'énergie, l'électronique, les semi-conducteurs, les alliages, et de nombreux procédés industriels. Ils peuvent même contribuer à la saine croissance des plantes. En fait, les minéraux rares touchent presque tous les aspects de la vie quotidienne.
La demande pour les minéraux critiques continue de monter en flèche, portée par le besoin croissant en technologies vertes. L'industrie minière est donc soumise à une énorme pression pour extraire les minéraux critiques plus rapidement et plus efficacement, et pour découvrir de nouveaux gisements. Toutefois, cette industrie n'est pas aussi bien établie que celles de l'extraction de l'or ou du fer, car les minéraux critiques sont souvent des sous-produits des opérations d'extraction d'autres métaux.
Grâce au financement du programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques » du Conseil national de recherches du Canada (CNRC), des équipes de recherche multidisciplinaires du CNRC et de l'Université d'Ottawa (uOttawa) ont ouvert la voie à une accélération du traitement des minerais. Leur solution fait passer l'analyse des minéraux du laboratoire au terrain, accélérant ainsi le processus, qui prend maintenant quelques minutes plutôt que quelques jours.
« Même les plus petites économies réalisées aux étapes de l'extraction et du traitement peuvent s'accumuler et se transformer en économies de taille qui optimisent l'efficacité des opérations minières, affirme Martin Couillard du Centre de recherche sur les innovations dans les énergies propres du CNRC. L'obtention de résultats plus rapides sur le terrain signifie également que les procédés produiront de meilleurs rendements à moindre coût et réduiront les déchets environnementaux en nécessitant moins de produits chimiques pour classifier les différents minerais. »
Dans le cadre de leurs recherches, les équipes du CNRC et de l'Université d'Ottawa testé les limites des outils d'extraction et d'analyse existants et ont recensé de nouveaux dispositifs quantiques qui repoussent ces limites. L'équipe a collaboré avec SGS Canada, un chef de file mondial en analyse de minéraux, pour mettre la technologie à l'essai sur des échantillons miniers commerciaux.
Cette nouvelle génération de technologies quantiques permet de contrôler et d'exploiter des propriétés de la nature jusqu'ici hors de portée. Elle offre de nouvelles capacités stupéfiantes, comme des capteurs dont la précision et la sensibilité dépassent de loin les limites de ceux qui sont utilisés aujourd'hui.
Des économies de taille
Le traitement conventionnel des échantillons exige un séchage, une préparation et un polissage du minerai, suivi d'une analyse en laboratoire à l'aide d'un microscope électronique coûteux et sensible. La nouvelle approche de l'équipe repose sur un microscope optique non linéaire qui est suffisamment simple et robuste pour être utilisé sur le terrain, là où les minéraux sont traités. L'appareil utilise des techniques optiques brevetées par le CNRC basées sur des lasers ultrarapides, qui permettent d'analyser des échantillons en 3D avec une préparation minimale, même lorsqu'ils sont sous forme de boue minérale (particules minérales finement broyées en suspension dans l'eau).
« La prochaine étape consistera à utiliser des sources de lumière quantique, qui devraient réduire le bruit et éliminer les signaux contradictoires émis par divers minéraux et éléments traces, déclare Adrian Pegoraro du Centre de recherche en métrologie du CNRC. En intensifiant les signaux et en les distinguant les uns des autres, cette technologie accélère encore plus l'analyse. »
Bien qu'elle ait été mise au point pour l'extraction du lithium, la technique peut être appliquée à l'extraction de n'importe quel type de minerai, n'importe où dans le monde. Par exemple, les travaux futurs porteront sur l'extraction de l'or, la méthode se révélant plus avantageuse que les systèmes d'analyse par microscopie électronique, qui sont lents et coûteux.
En collaboration avec Albert Stolow, professeur à la Faculté des sciences de l'Université d'Ottawa et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en photonique moléculaire, l'équipe utilise ce qu'on appelle la microscopie optique non linéaire multimodale. Pour en savoir plus sur cette méthode, lisez l'article sur la microscopie optique non linéaire multimodale publié dans Scientific Reports (en anglais seulement).
Initialement mises au point pour l'imagerie biomédicale, les méthodes de microscopie optique non linéaire multimodale peuvent tout aussi bien s'appliquer à l'étude de composés minéraux précis dans les minerais et les roches, sans nécessiter de marquage. Cette possibilité a donné naissance à un tout nouveau domaine, la géophotonique, qui allie la production, la détection et la manipulation de photons (ou du rayonnement électromagnétique) à l'étude de la Terre et de son environnement.
« Nous simulons la génération de lumière comprimée et travaillons en étroite collaboration avec les membres de l'équipe expérimentale à la conception d'une source quantique qui minimise le bruit inhérent aux lasers, explique Lora Ramunno, professeure à l'Université d'Ottawa, membre du Centre Max-Planck–uOttawa pour la photonique extrême et quantique et ancienne titulaire de la Chaire de recherche du Canada en nanophotonique computationnelle. Une fois que cette source quantique sera intégrée à un microscope, nous utiliserons des simulations numériques détaillées pour étudier le processus de formation des images, qui devrait être plus complexe que celui associé à des sources lumineuses conventionnelles. »
Prospecter pour un avenir prospère
L'exploitation minière représente une part importante de l'économie canadienne, c'est pourquoi la recherche de solutions pour améliorer les rendements constitue une étape déterminante pour l'avenir. Ces solutions contribueront à la réalisation de la vision énoncée dans la Stratégie canadienne sur les minéraux critiques, à savoir stimuler l'offre en minéraux critiques provenant de sources responsables et appuyer le développement de chaînes de valeur tant au Canada que sur le plan international pour parvenir à une économie verte et numérique.
Dans le cadre de ce projet du CNRC et de l'Université d'Ottawa, la collaboration fructueuse entre le milieu universitaire, le gouvernement et l'industrie a conduit à une avancée majeure dans la technologie des capteurs quantiques appliquée au secteur minier et a mené à l'obtention d'un brevet en géophotonique. La recherche a également montré comment la technologie peut contribuer à optimiser les opérations minières, en améliorant l'efficacité, la productivité et la rentabilité.
« Nous investissons beaucoup en technologie quantique au Canada, et ce projet illustre notre capacité à proposer des solutions qui produisent dès maintenant des résultats tangibles pour répondre à des enjeux réels », déclare Marina Gertsvolf, directrice du programme Défi « Internet des objets : capteurs quantiques ».
Ce projet bénéficie de subventions et de contributions accordées dans le cadre du Programme de collaboration en science, en technologie et en innovation administré par le Bureau national des programmes du CNRC. Pour en savoir plus sur ce domaine de recherche, envoyez un courriel à NRC.QuantumSensors-CapteursQuantiques.CNRC@nrc-cnrc.gc.ca.
« La prochaine étape consistera à utiliser des sources de lumière quantique, qui devraient réduire le bruit et éliminer les signaux contradictoires émis par divers minéraux et éléments traces, déclare Adrian Pegoraro du Centre de recherche en métrologie du CNRC. En intensifiant les signaux et en les distinguant les uns des autres, cette technologie accélère encore plus l'analyse. »
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