Il semble toujours nécessaire de développer de nouveaux matériaux pour répondre à des besoins urgents en médecine ou pour la transition écologique. Cependant, l'extraction des matières premières nécessaires à leur fabrication et leur faible recyclabilité ont des impacts environnementaux très lourds. Comment résoudre ce dilemme ?
« L'un des pires scandales sanitaires de ces dernières décennies », « une famille de 10 000 polluants éternels », « la France empoisonnée à perpétuité », « la pollution sans fin des PFAS » : tels étaient les gros titres concernant les PFAS, un acronyme anglais pour per- and polyfluoroalkyl substances. L'époque où ces nouveaux composés chimiques étaient admirés et développés pour leurs nombreuses propriétés – antiadhésives, ignifuges, antitaches, imperméables – est révolue. Aujourd'hui, c'est leur toxicité qui suscite l'inquiétude. Cela nous rappelle évidemment l'histoire de l'amiante, qui était un très bon isolant mais s'est révélé très toxique. Face à ces scandales répétés, la question se pose : et si nous arrêtions d'inventer de nouveaux matériaux ?
Mais d'abord, qu'est-ce qu'un matériau ? C'est une substance que nous utilisons pour fabriquer des objets. Scientifiquement, un matériau est défini par sa composition chimique (la concentration d'atomes de fer, de silicium, de carbone, d'azote, de fluor, etc.) et sa microstructure (comment ces atomes sont disposés à toutes les échelles). Ces deux caractéristiques déterminent les propriétés du matériau – mécaniques, électriques, magnétiques, esthétiques, etc. – qui guident le choix de l'utiliser dans un objet particulier. Après avoir utilisé des matériaux naturels, nous avons conçu et produit un grand nombre de matériaux artificiels de plus en plus performants et sophistiqués. Bien sûr, personne ne veut revenir à l'âge du fer, mais devons-nous encore continuer cette course folle ?
De plus, l'impact sur la santé n'est pas le seul inconvénient des nouveaux matériaux. Ils nécessitent souvent des matières premières qui ont un impact environnemental important. Prenons l'exemple des fameuses terres rares, comme l'erbium ou le dysprosium, qui se trouvent partout dans les aimants des éoliennes ou dans les écrans des appareils électroniques. Leur concentration dans les gisements varie de 1 % à 10 %, comparé à plus de 60 % dans les mines de fer brésiliennes.
Donc, beaucoup de roche est extraite pour obtenir une petite quantité de terres rares. Le minerai doit encore être traité pour séparer les terres rares, ce qui coûte cher en termes d'énergie, d'eau et de produits chimiques. Prenons également l'exemple du titane, une étoile montante dans l'aéronautique et le secteur biomédical. Le traitement de son minerai émet environ 30 tonnes de CO₂ par tonne de titane produite, soit 15 fois plus que pour le minerai de fer.
Des composés si complexes qu'on ne peut pas les recycler
Un autre inconvénient des nouveaux matériaux est que leur recyclage n'est pas très efficace, voire inexistant, en raison de leurs compositions chimiques complexes. Par exemple, la quatrième génération de superalliages, utilisés dans les moteurs d'avion, contient au moins 10 éléments chimiques différents. Un smartphone contient facilement environ trente éléments. Il existe une très grande variété de ces nouveaux matériaux. Il y a 600 alliages d'aluminium classés en 17 familles et environ une centaine de plastiques durs largement utilisés dans l'industrie, et bien d'autres encore lorsque vous comptez les nombreux additifs qui y sont incorporés.
Alors, imaginez nos petits atomes de dysprosium perdus au niveau atomique dans un aimant, lui-même intégré dans d'autres matériaux du moteur de l'éolienne, le tout enfoui sous une montagne de déchets divers. Il existe des techniques qui peuvent trier et séparer ces éléments, mais elles font encore l'objet de nombreuses recherches. En attendant, plus de trente éléments chimiques ont un taux de recyclage inférieur à 1 %, ce qui est pratiquement nul.
Pourtant, nous aurons besoin de nouveaux matériaux
Mais, au moins, vaut-il la peine de produire et de (trop peu) recycler ces matériaux à un coût environnemental élevé ? Mettons de côté les applications gadgets et inutiles, comme les écrans pliables, pour nous concentrer sur la transition énergétique.
Le déploiement des véhicules électriques et des énergies renouvelables semble indissociable du développement des matériaux qui les composeront. Pour l'énergie nucléaire produite dans les réacteurs de quatrième génération ou par l'ambitieux projet de fusion nucléaire, les matériaux sont même le principal goulot d'étranglement technologique.
Ces nouveaux matériaux tiendront-ils leurs promesses ? Apporteront-ils un bénéfice global à la société et à l'environnement ? Le passé nous montre que c'est loin d'être certain.
Prenons l'exemple de l'allègement des matériaux structurels, qui se fait depuis des décennies avec l'objectif ultime (et louable) de réduire la consommation de carburant des véhicules. Ce fut un grand succès scientifique. Cependant, le poids des voitures a continué d'augmenter, car de nouvelles fonctionnalités annulent les gains de l'allègement. C'est ce qu'on appelle « l'effet rebond », un phénomène qui se produit malheureusement très souvent chaque fois qu'une avancée permet des économies d'énergie et/ou de matériaux.
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J'ai participé à l'organisation d'une session du Tribunal pour les générations futures (TGF), un spectacle-conférence qui reconstitue un procès pour discuter de questions sociétales majeures. La question était : « Faut-il encore inventer des matériaux ? » Plusieurs témoins ont été appelés à la barre : des chercheurs en science des matériaux, mais aussi un responsable d'un centre de recherche et développement (R&D) et un auteur de science-fiction. Après les avoir écoutés, le jury a répondu « Oui » à une large majorité.
Personnellement, bien que pleinement conscient des effets néfastes que j'ai présentés, je pense également que cela reste nécessaire car nous ne pouvons pas priver les générations futures de découvertes futures. Actuellement, les laboratoires travaillent sur des matériaux qui pourraient purifier l'air intérieur ou délivrer des médicaments de manière ciblée.
Bien sûr, nous voulons donner une chance à ces nouveaux matériaux ! Sans parler des découvertes dont nous n'avons aucune idée aujourd'hui, qui ouvriront de nouvelles possibilités. De plus, nous ne voulons pas entraver notre soif de connaissance. Étudier un nouveau matériau, c'est comme explorer des tunnels souterrains et essayer de comprendre comment ils se sont formés.
Prendre en compte les impacts environnementaux dès la conception
Alors oui, continuons à inventer des matériaux, mais faisons-le différemment. Commençons par questionner les objectifs de notre recherche : pour atteindre quels objectifs ? Qui bénéficie de cette recherche ? Quelle science pour quelle société ?
Ces questions, bien qu'anciennes, ne sont pas très familières aux chercheurs en science des matériaux. La science participative, par exemple par le biais de consultations citoyennes ou en impliquant les citoyens dans la collecte de données, crée des interactions avec la société.
Cette approche se développe dans les sciences naturelles où les citoyens peuvent compter la présence d'une espèce sur un territoire. Les groupes citoyens espèrent même intervenir dans les discussions concernant les budgets et les objectifs des programmes de recherche. En science des matériaux, de telles approches n'ont pas encore émergé, probablement limitées par l'utilisation fréquente d'équipements expérimentaux complexes et coûteux ou de simulations numériques tout aussi complexes.
Ensuite, éliminons les applications nuisibles dès le départ et intégrons les questions environnementales dès le début d'un projet de développement de matériaux. Appliquons l'approche de l'éco-conception, qui a été définie pour les produits et services. Évaluons les émissions de gaz à effet de serre, mais aussi la consommation de ressources, la pollution et la perte de biodiversité qui seront causées par la production, l'utilisation et la fin de vie d'un matériau. Pour un nouveau matériau, la plupart de ces informations n'existeront pas et devront donc être mesurées en laboratoire puis extrapolées. C'est un défi en soi, et pour y répondre, une unité d'appui et de recherche (UAR) appelée Unité transdisciplinaire pour l'orientation et la prospective des impacts environnementaux de la recherche en ingénierie (Utopii), réunissant le CNRS et plusieurs universités et écoles d'ingénieurs, vient d'être créée.
Et dans les nombreux cas de matériaux ayant un impact environnemental néfaste mais des performances très prometteuses, que faire ? Les superalliages, dont la liste de composants est longue comme le bras, n'ont pas été développés par un ennemi irréductible du recyclage, mais parce que leur résistance à haute température est beaucoup plus intéressante que celle de leurs prédécesseurs. C'est le choix difficile actuel pour de nombreux matériaux : la performance, parfois au profit de la transition énergétique, ou le respect de l'environnement.
Changer notre façon de faire
Pour sortir de cette impasse, un changement de perspective est nécessaire. Et si, comme le propose le biologiste Olivier Hamant, nous nous inspirions des organismes vivants pour passer de la performance à la robustesse ?
La performance signifie atteindre un objectif très spécifique à court terme : une bonne stratégie dans un monde stable avec des ressources abondantes. La robustesse, en revanche, est la capacité de s'adapter aux fluctuations par la polyvalence, la redondance et la diversité.
Dans notre monde avec des incertitudes croissantes, la robustesse est très probablement préférable. Alors, comment l'appliquer aux nouveaux matériaux ? En créant des matériaux réparables, au moins en partie, qui peuvent résister à la contamination du recyclage, ou qui s'adaptent à de multiples applications ? Il semble que tout reste à inventer.
Mathilde Laurent-Brocq a reçu un financement du CNRS et de l'Université Paris Est Créteil.