Terres rares : la fougère Dicranopteris linearis et le phytominage sans acide

Les éléments de terres rares se cachent dans presque tous les téléphones, voitures électriques et éoliennes de la planète. Mais les extraire du sous-sol passe souvent par des bains d’acide, des bassins de produits chimiques et de longues années de remise en état des milieux.

Très souvent, la chaîne d’extraction génère bien plus de déchets qu’elle ne produit de métal utile. Dans le sud de la Chine, des versants décapés et d’immenses champs de stériles portent la trace de cette pollution.

Sur ces terrains abîmés pousse pourtant une fougère bien particulière. Et, contre toute attente, cette plante entretient un lien direct avec les sols contaminés qui la nourrissent.

Fougère tropicale Dicranopteris linearis

Rong-Liang Qiu, chercheur en sciences de l’environnement à la South China Agricultural University (SCAU), a dirigé une équipe qui a suivi cette espèce pendant plusieurs années.

Leur constat est discret mais frappant : ces fougères extraient progressivement des terres rares du sol, puis les stockent dans leurs feuilles.

L’espèce la plus remarquable est une fougère tropicale, Dicranopteris linearis. Certaines frondes atteignent des teneurs allant jusqu’à 0,7 % de leur masse sèche en métaux de terres rares.

Ce chiffre paraît faible à première vue, mais il ne l’est pas. La plupart des roches exploitées pour les mêmes métaux affichent des concentrations inférieures à 0,1 %.

Autrement dit, la fougère réalise d’elle-même les premières étapes d’une « pré-concentration », en s’appuyant uniquement sur la lumière, l’eau et le temps.

Une tension croissante sur l’approvisionnement

Partout dans le monde, le besoin en terres rares augmente à grande vitesse.

Les aimants présents dans les moteurs électriques et les éoliennes dépendent notamment du néodyme, du praséodyme, du dysprosium et du terbium.

Selon une projection citée, la demande mondiale pourrait plus que doubler d’ici 2050.

Côté offre, la situation est plus complexe. La Chine représente environ 70 % de la production mondiale et 90 % des capacités de raffinage.

En parallèle, ses propres réserves auraient diminué d’environ 45 % depuis les années 1980. Dans ce contexte, la recherche de sources « non conventionnelles » est devenue un sujet sérieux.

L’avantage de Dicranopteris linearis

À l’état de traces, les terres rares sont présentes dans la plupart des sols. La moyenne mondiale se situe entre 100 et 200 milligrammes par kilogramme, des niveaux comparables à ceux du cuivre ou du zinc.

Au-dessus de socles granitiques, ces valeurs montent davantage, parfois jusqu’à 500 milligrammes par kilogramme.

Pour autant, l’exploitation minière classique ne sait pas rentabiliser ces sols : les teneurs sont trop diluées, et les métaux se retrouvent mêlés à des impuretés chimiquement proches, ce qui rend la séparation coûteuse.

Dicranopteris linearis contourne en partie cet obstacle. La plante accumule les métaux à des concentrations plus de 30 fois supérieures à celles du sol situé sous ses racines.

Autre point clé : elle n’a pas besoin d’engrais, d’irrigation ni d’être cultivée en plantation.

Dans le sud de la Chine, mais aussi en Malaisie, en Indonésie et aux Philippines, cette fougère se développe spontanément, sans intervention humaine.

Et lorsqu’on la coupe, une parcelle reconstitue environ 90 % de son feuillage en seulement un à deux ans.

Le raisin d’Amérique entre en scène

Il faut toutefois souligner que les fougères ne s’installent pas partout. Pour les climats tempérés, l’équipe a donc évalué d’autres types de végétaux.

Parmi eux figurait Phytolacca americana, une plante herbacée commune aux États-Unis, désormais largement répandue en Asie et dans certaines régions d’Europe.

Le raisin d’Amérique semble privilégier des terres rares plus « lourdes » et plus recherchées, comme l’yttrium et le dysprosium - utilisés dans des aimants spécialisés et des luminophores pour écrans très lumineux.

Pour être considérée comme hyperaccumulatrice, cette plante a toutefois besoin d’un sol plus riche que la fougère, ce qui la cantonne le plus souvent à d’anciens sites miniers.

Mais cette limite a un revers intéressant : elle pourrait transformer des terrils et résidus miniers abandonnés en source potentielle de revenus.

Éviter l’étape chimique

Dans le phytominage, la partie la plus délicate survient généralement après la récolte. Brûler la biomasse puis isoler chimiquement les métaux demande de l’éthanol, des acides puissants et beaucoup d’électricité.

Jusqu’à cette étude, cette voie coûteuse était souvent vue comme l’issue logique du procédé. L’équipe de Qiu défend au contraire l’idée de ne pas extraire les métaux.

La cendre obtenue est déjà fortement enrichie en terres rares, et contient aussi du calcium, de l’aluminium, du silicium et du manganèse.

Ces composants servent à fabriquer des engrais spécialisés, des matériaux pour l’éclairage LED, ainsi que des catalyseurs capables de décomposer des plastiques usagés afin d’en faire un carburant. De plus, ce scénario n’impose pas de bains d’acide.

Carbone et rentabilité

Lorsque l’on supprime la chimie, les ordres de grandeur économiques changent fortement. Extraire chimiquement les métaux d’un hectare de fougères récoltées rapporterait environ 464 $ de produit.

Si l’on transforme au contraire la même biomasse directement en engrais ou en catalyseur à base de cendres, la valeur par hectare dépasse 10 000 $ par récolte - soit plus de 20 fois plus.

Les émissions suivent la même logique. L’exploitation minière traditionnelle émet environ 29 livres de dioxyde de carbone pour chaque livre de métal raffiné sur place, ce qui correspond à un ratio d’environ 29 kg de CO₂ par kg de métal.

Le phytominage peut ainsi se rapprocher de la neutralité carbone, et la conversion directe des cendres réduirait encore davantage l’empreinte.

Limites et questions ouvertes

Malgré ces résultats, ces travaux ne remplacent pas l’extraction industrielle à grande échelle.

Dans le meilleur des cas, la fougère n’apporterait que quelques centaines de kilogrammes par hectare, alors que la consommation mondiale se compte en centaines de milliers de tonnes.

La sécurité soulève aussi des interrogations. Les plantes qui concentrent les terres rares absorbent également de l’aluminium et des traces de métaux lourds.

Cela pose de véritables risques pour tout produit d’engrais ou d’alimentation animale issu de cette biomasse. Par ailleurs, des essais de terrain à l’échelle commerciale n’ont pas encore été menés.

La plupart des chiffres de coûts et de rendements proviennent de parcelles expérimentales : entre cette publication et une exploitation opérationnelle, plusieurs années de démonstrateurs restent nécessaires.

Nouvelles pistes à explorer

Il apparaît désormais que cultiver ces plantes - puis convertir directement leurs cendres en produits - peut rivaliser sur le plan financier.

L’étape d’extraction à l’acide, longtemps considérée comme incontournable, se révèle donc être une option plutôt qu’une obligation. Cela change la manière d’envisager les stériles miniers et les terres dégradées sous les tropiques.

Des sites autrefois réduits à des coûts de dépollution pourraient devenir des candidats à la valorisation. Des pays plus petits, disposant des sols adéquats, pourraient aussi rejoindre une chaîne d’approvisionnement aujourd’hui dominée par une seule nation.

Une parcelle de fougères ne fera pas, à elle seule, fonctionner le progrès technologique. Mais les données suggèrent qu’elle pourrait compter parmi les éléments d’une solution future.