Dans un laboratoire brillant et ouvert niché le long de la baie Sequim de l'État de Washington, parmi les rangées de verrerie remplies d'eau de mer et d'algues vertes et violettes, les chercheurs étudient une nouvelle façon de produire les minéraux critiques qui sont vitaux pour la vie quotidienne.
Les minéraux connus sous le nom d'éléments de terres rares, comme le néodyme, sont quelques-uns des ingrédients les plus importants de notre électronique, véhicules et bâtiments et sont traditionnellement exploités sous terre. Maintenant, les chercheurs du Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest (PNNL) du ministère de l'Énergie (DOE) (PNNL) ont enquêté sur une nouvelle source de minerai, flottant juste à côté des côtes de la nation: les algues.
Des chercheurs du campus Sequim de PNNL ont cultivé plusieurs espèces d'algues dans l'eau de mer de Sequim Bay et étudiant différentes méthodes d'extraction de minéraux de leurs tissus en forme de feuille.
« L'océan est la plus grande source de nombreux minéraux critiques dont nous avons besoin pour des applications de haute technologie », a déclaré Michael Huesemann, chercheur principal sur les travaux de biominage au laboratoire Sequim de PNNL dans l'État de Washington. « Si nous pouvons exploiter l'eau de mer et le faire d'une manière responsable, cela permet potentiellement une source domestique de matériaux critiques. »
Une source inexploitée de minéraux critiques
Les chercheurs ont longtemps théorisé que l'océan pourrait être une nouvelle frontière pour produire des minéraux précieux, a déclaré Scott Edmundson, botaniste de recherche au laboratoire Sequim de PNNL.
Alors que le vent, la pluie et l'eau courante érodent les roches, et comme les humains fertilisent le sol, les minéraux critiques finissent par rincer dans l'océan. Simultanément, les minéraux voyagent de la croûte profonde de la Terre au fond de l'océan à travers des volcans sous-marins et des évents hydrothermaux.
Le problème est que l'océan est si vaste – en maintenant 300 millions de milles cubes d'eau – qu'il rend les concentrations minérales beaucoup trop diluées pour être extraites avec des technologies conventionnelles. La seule façon d'accéder à ces minéraux est de les concentrer avec de nouvelles approches.
Il s'avère que les algues sont des collectionneurs fantastiques de minéraux, a déclaré Edmundson. Bien que les chercheurs ne soient pas sûrs de la raison ou de la façon, ce qu'ils savent, c'est que les espèces d'algues mêmes que vous voyez dispersées le long du littoral peuvent contenir une gamme de minéraux critiques. Et parfois, la concentration de ces minéraux dans les algues dépasse celle de l'eau de l'océan d'un million de dollars.
Huesemann et ses collègues ont étudié différentes espèces d'algues pour déterminer les minéraux qu'ils concentrent et combien. Par exemple, ils ont constaté qu'une espèce d'algues brune coriace appelée fucus est particulièrement bonne pour concentrer le nickel dans ses tissus. Une algue verte et feuillu appelée Ulva, quant à elle, semble mieux pour bioaccumuler des éléments de terres rares. En fin de compte, les chercheurs ont découvert que l'ULVA (mieux connu sous le nom de laitue marine) est le meilleur pour concentrer un certain nombre de minéraux critiques.
Maintenant que les chercheurs comprennent quelles espèces d'algues se concentrent le mieux quel minéral, le prochain défi arrive: comment séparez-vous les minéraux? Le cobalt ou le dysprosium ne sont pas saupoudrés à la surface des algues comme du sucre en poudre. Les minéraux sont incorporés dans les tissus des algues, a déclaré Edmundson.
Ce qui signifie que les liaisons chimiques qui maintiennent les minéraux en place doivent être brisées.
Miner les algues pour les minéraux
Les chercheurs ont expérimenté plusieurs méthodes d'extraction de minéraux des algues, essayant de trouver le processus le moins à forte intensité énergétique. Après de nombreux cycles de tests, les chercheurs ont trouvé un processus qui a produit de bons résultats initiaux: après suffisamment d'algues a grandi, les chercheurs l'ont d'abord brut dans une pâte, puis mélangent cette pâte avec un liquide acide qui peut rompre tout minéral qu'ils visent.
Connues sous le nom de «lixiviant», des liquides acides sont utilisés dans l'exploration de minerai standard pour extraire les minéraux de la roche. Lorsque la pâte d'algues est mélangée avec le lixiviant, le pH du mélange diminue (ou devient plus acide), provoquant la rupture du minéral cible. Le mélange est également soumis à des températures élevées, ce qui peut aider à briser les liaisons chimiques.
L'objectif initial de l'équipe est d'extraire au moins 50% du contenu minéral critique de la biomasse d'algues – une tâche qui ne s'est pas avérée simple, a déclaré Huesemann. Les chercheurs ont expérimenté différents lixiviants, différentes températures et traitement du mélange plusieurs fois pour sortir autant de minéraux critiques que possible.
Économie de la biominage
Perfectionner la méthode d'extraction n'est que le début, a déclaré Huesemann. Pour que la biominage soit un processus viable, l'équipe analyse également les coûts économiques et les avantages associés au processus. À un moment donné, les chercheurs ont utilisé la chaleur pour sécher d'abord les échantillons d'algues, mais maintenant ils sautent cette étape pour économiser de l'énergie. Les lixiviants sont un autre coût, donc les chercheurs ont exploré l'utilisation des acides déchets à partir d'autres processus, tels que l'amélioration de l'alcalinité océanique, pour aider à extraire les minéraux.
Sur une note positive, les algues poussent rapidement et n'ont pas besoin d'eau fraîche. De plus, une fois les minéraux extraits, la biomasse restante peut être réutilisée pour des utilisations telles que les matières premières de biocarburant ou pour les bioproduits comme les plastiques, les matériaux de construction ou même les adhésifs.
Edmundson a également souligné qu'en raison de la diversité importante parmi les différentes espèces d'algues et des minéraux qu'ils bioaccumulés, l'extraction minérale critique pourrait être adaptée aux futurs besoins technologiques.
« La diversité est si élevée que vous pouvez choisir et développer l'organisme que vous voulez pour le minéral critique spécifique », a déclaré Edmundson. « Le minéral critique d'aujourd'hui n'est peut-être pas le minéral critique de demain. Et la flexibilité de la bioaccumulation de minéraux par les algues de Seueed est telle qu'elle nous permet de réprimer la technologie pour répondre aux besoins du moment. »
