L'université de Graz met au point un appareil mobile pour la mesure de haute précision des polluants atmosphériques

Birgitta Schultze-Bernhardt et son équipe de l'Institut de physique expérimentale de l'Université de technologie de Graz (TU Graz) ont mis au point un nouveau type de spectromètre UV à double peigne qui détecte les polluants atmosphériques gazeux avec une précision et une sensibilité inégalées. À l'aide d'un double laser ultraviolet, l'appareil mesure la concentration de gaz nocifs tels que le formaldéhyde en l'espace d'une demi-seconde. Grâce à sa conception compacte et à sa plage de mesure allant jusqu'à deux kilomètres et demi, le spectromètre convient non seulement aux analyses en laboratoire, mais aussi aux mesures mobiles dans les villes, les zones industrielles et les régions agricoles.

Empreinte digitale des polluants

Comme point de départ de la mesure, l'appareil génère deux impulsions laser dans la gamme spectrale des ultraviolets en l'espace de quelques fractions de seconde. Lorsque cette lumière UV atteint les molécules de gaz, elle les excite électroniquement et les fait tourner et vibrer - c'est ce que les physiciens appellent les transitions rovibroniques. Ces transitions sont différentes pour chaque substance gazeuse et absorbent une partie de la lumière laser d'une manière unique. "Chaque polluant atmosphérique a donc sa propre empreinte digitale, que notre spectromètre UV à double peigne reconnaît", explique Birgitta Schultze-Bernhardt.

Mme Schultze-Bernhardt et son équipe ont mis au point la première version de leur spectromètre il y a deux ans. À l'époque, il s'agissait du premier spectromètre de ce type au monde, mais les mesures nécessitaient de grandes installations de laboratoire. La nouvelle version a été réduite à la taille d'une boîte de déménagement en carton. L'une des raisons en est qu'une seule source laser, au lieu de deux, génère désormais la double impulsion laser. "Cela nous permet également de nous passer de la stabilisation électronique complexe du système", explique Birgitta Schultze-Bernhardt.

Résolution de 1 GHz

Le nouveau spectromètre peut détecter les fréquences de la lumière UV avec une résolution de 1 GHz et surpasse ainsi de manière significative tous les spectromètres UV conventionnels. Les chercheurs ont ainsi pu acquérir de nouvelles connaissances fondamentales sur l'absorption de la lumière UV par le formaldéhyde, un polluant atmosphérique : "Nous avons mesuré des schémas d'absorption du formaldéhyde qui n'avaient jamais été observés expérimentalement auparavant, car la résolution des appareils précédents était trop imprécise", explique Birgitta Schultze-Bernhardt.

Correction de constantes de rotation vieilles de 57 ans

Les mesures effectuées à Graz ont montré que les constantes de rotation du formaldéhyde, qui figurent dans les bases de données et les manuels de physique depuis les années 1960, sont incorrectes. "En collaboration avec le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Atomic and Molecular Physics aux États-Unis, nous avons corrigé les valeurs de ce paramètre fondamental, spécifique à la molécule, jusqu'à 15 %", explique Birgitta Schultze-Bernhardt. La collaboration avec Rolf Breinbauer, de l'Institut de chimie organique de l'Université technique de Graz, qui a produit du formaldéhyde de haute pureté pour les recherches dans le cadre d'un processus en deux étapes, a également contribué à ces progrès en matière de recherche fondamentale.

Application à la protection de l'environnement

Au-delà de la recherche fondamentale, le spectromètre a le potentiel de rendre la mesure des polluants atmosphériques et des fuites de gaz dans les villes et les zones industrielles beaucoup plus précise et plus facile. "En principe, notre appareil peut détecter avec précision n'importe quelle substance gazeuse semi-transparente. Nous travaillons actuellement à la détermination de la concentration de plusieurs polluants en une seule mesure", explique Birgitta Schultze-Bernhardt. Financée par une bourse de démonstration du Conseil européen de la recherche, la physicienne expérimentale travaille également à la mise au point d'un spectromètre UV pouvant être utilisé par des profanes pour surveiller la qualité de l'air, par exemple dans les entreprises ou par les autorités environnementales.

Financé par le Fonds autrichien pour la science, le CER et le NAWI Graz

Le développement du spectromètre UV à double peigne repose sur des projets de recherche dirigés par Birgitta Schultz-Bernhardt, qui ont été financés par le Fonds autrichien pour la science (FWF) et le Conseil européen de la recherche (CER). L'initiative de coopération NAWI Graz a financé la nouvelle source laser du spectromètre actuel dans le cadre du financement de son infrastructure.