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Analyse physico-chimique

Le LATMOS développe des instruments scientifiques, est doté d'équipements de pointe, et possède une expertise scientifique et technique dans le domaine de l'analyse physico-chimique au travers de 3 approches expérimentales principales :

• Les réacteurs de simulation atmosphérique
• La spectrométrie de masse
• La chromatographie

Les réacteurs de simulation atmosphérique

L'objectif des réacteurs expérimentaux est de reproduire et d'étudier en laboratoire la réactivité des hautes atmosphères planétaires. Soumises à des rayonnements solaires intenses dans le lointain ultra-violet (domaine VUV : longueurs d'ondes inférieures à 200 nm) les hautes atmosphères planétaires sont le siège de systèmes réactionnels mal connus et potentiellement responsables de la formation de molécules complexes.

L'équipe étudie principalement l'atmosphère de Titan, satellite de Saturne, pour lequel la mission spatiale Cassini a révélé une chimie intense produisant des aérosols solides à plus de 1000 km d'altitude. Ces aérosols sont de nature organique et constituent des matériaux extraterrestres d'intérêt exobiologique.

 Exemples de travaux en cours au LATMOS :

• Projet ERC PRIMCHEM (PI N. Carrasco)
• Projet R and T fenêtres transparentes au VUV

La spectrométrie de masse 

L'équipe Spectrométrie pour le spatial participe à plusieurs développements de spectromètre de masse pour des missions spatiales (instrument CAPS/CASSINI - Saturne, instrument IAP/DEMETER - La Terre, PICAM/Bepi-Colombo - Mercure, ROSINA/ROSETTA - Comète 67P) ou dans le cadre de programme de Recherche et Développement (projet CosmOrbitrap et NIMEIS).

Le développement d'instruments spatialisables impose des contraintes de ressources très fortes. Les conceptions de tel instrument doivent donc limiter le poids, la consommation, le volume et la quantité d'informations produites, tout en préservant des performances de mesure optimales et garantir un fonctionnement dans un environnement radiatif, thermique et mécanique très contraignant.

Exemples de travaux en cours au LATMOS :

• NanoPot : contrôle de la charge d'un nano-satellite à l'aide d'une source d'électrons utilisant un émetteur à base de nano-tube de Carbone
• CosmOrbitrap : spectrométrie de masse à très haute résolution pour l'exploration spatiale
• Source d'ionisation avec Nano-Tube de Carbone : programme de développement et de test d'une source d'électrons utilisant des nano-tubes de carbone

La chromatographie

La chromatographie est utilisée au LATMOS pour étudier la composition chimique d'environnements planétaires ou terrestre, et caractériser des échantillons d'atmosphère ou de sols prélevés par des sondes spatiales. Le caractère embarqué de cette instrumentation, que ce soit à bord de sondes spatiales ou de plateformes de mesures terrestres, fait la spécificité des instruments qui sont développés. Le LATMOS possède une expérience de plus d'une quinzaine d'années dans ce domaine à travers les missions spatiales Cassini-Huygens, Rosetta, Phobos-Grunt, Mars Science Laboratory et Mars Organic Molecules Analyser.

L'expertise instrumentale et en traitement des données acquise au LATMOS dans le domaine de la chromatographie nous permet de concevoir et développer des chromatographes en phase gazeuse portatif permettant la mesure répétable et sensible d'espèces chimiques en atmosphère intérieure (composition chimique de l'air sur sites industriels, sur sites fréquentés par le public, ..) et extérieure (mesures des composés organiques volatils en zones urbaine, péri-urbaine, rurale, ..). Afin d'optimiser les performances de nos instruments de chromatographie miniaturisés, nous collaborons avec de nombreuses sociétés françaises (APIX Analytics) et européennes (GL Sciences) pour le développement de solutions innovantes pour les 3 composants clés de tels instruments : systèmes d'injection de gaz et de liquide, système de séparation à base de colonne chromatographique, et système de détection.

Exemples de travaux en cours au LATMOS :

• Fabrication et mise en oeuvre du pyrolyseur Aerosol Collector Pyrolyzer (ACP) à bord de la sonde Huygens pour l'étude de Titan (2005)
• Fabrication d'une partie de l'instrument COmetary Sampling and Composition (COSAC) de la mission Rosetta (2013)
• Fabrication des chromatographes des instruments Sample analysis at Mars (SAM) de la mission Mars Science Laboratory (2012), Gas Analytical Package (GAP) de la mission Phobos-Grunt (2012) et Mars Organic Molecules Analyzer (MOMA) de la mission Exomars 2020
• Développement d'un chromatographe autonome d'analyse de fractions pétrolière en collaboration avec TOTAL (2016)
• Actions de recherche et technologie en micro-chromatographie

Analyse physico-chimique

- Missions et expertises -

La plateforme d'analyse Physico-chimique du laboratoire est dotée d'une instrumentation principalement développée en interne, permettant d'interpréter et de reproduire en laboratoire les mesures recueillies par les missions spatiale qui ont pour vocation l'étude des corps du système solaire dans leur composante solide et gazeuse, telle que l'atmosphère et la structure des corps des planètes telluriques (Mars, Vénus, Titan) et des objets primitifs (comètes et astéroïdes). La chimie complexe observée est reproduite en laboratoire et la matière organique et inorganique est analysée afin de mieux comprendre le processus pouvant mener à l'apparition de la vie et à son évolution (exobiologie). La recherche d'éventuels processus présidant à l'évolution de la matière organique simple vers des structures plus complexes est également investiguée.

Ses principales missions sont :

• le développement instrumental et aux analyses effectuées en chromatographie phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse ;
• la caractérisation du rayonnement UV en laboratoire ;
• le développement de réacteurs plasmas et photo-chimiques ;
• et l'analyse des processus physico-chimiques pour l'étude des milieux ionisés des hautes atmosphères planétaires.

Les principaux domaines d'expertise de notre filière technologique d'analyse physico-chimique sont :

• Pour les réacteurs de simulation atmosphériques

L'expertise se base sur la réalisation de dispositifs expérimentaux permettant la production d'aérosols organiques produits dans une enceinte à plasma et leur étude par spectroscopie IR, par spectroscopie de masse des neutres et des ions, par spectroscopie d'émission et par désorption laser (L2DI).De plus, nous avons développé une expertise dans le domaine de l'étude de la photochimie des atmosphères planétaires dans le domaine du VUV d'une part en développant des sources VUV de laboratoire et d'autre part en se couplant sur les lignes VUV d'un synchrotron.

• Pour la spectrométrie de masse

• modélisation des optiques électrostatiques dédiées à l'analyse des environnements ionisés ou neutre du système solaire
• développement d'émetteurs d'électrons utilisant des nano-tubes de carbone de basse consommation (moins de la dizaine de mWatt), froid (opérant sans chauffage)
• conception,optimisation (poids, volume et puissance consommés) et test des optiques et détecteurs associés (utilisant des micro-channel plates/MCP), de source d'ionisation (émetteurs d'électrons utilisant des filaments ou des nano-tubes de carbone)
• modélisation du fonctionnement des instruments (fonctionnement physique des instruments, modélisation de la charge du satellite et de son impact sur la mesure)

• Pour la chromatographie

• matrices gaz, liquides, solides (sols, roches)
• chromatographie en phase gazeuse
• chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse
• pyrolyse
• dérivatisation chimique
• chromatographie spatiale
• micro-chromatographie
• désorption thermique