Aux trousses des «fugitifs»

François Châteauneuf, responsable du programme environnement de l'Institut... (Le Soleil, Pascal Ratthé)

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François Châteauneuf, responsable du programme environnement de l'Institut national d'optique, et Jean-François Gravel, chercheur à l'INO, ont mis au point un laser capable de mesurer les taux de monoxyde et de dioxyde d'azote dans les cheminées de TransCanada.

Le Soleil, Pascal Ratthé

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Percées scientifiques 2015

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Percées scientifiques 2015

Les chercheurs de la capitale n'ont pas chômé en 2015. Ils ont écrit plusieurs nouveaux chapitres de l'histoire scientifique. D'ici au 31 décembre, Le Soleil vous présente chaque jour une des percées majeures de l'année. »

(Québec) Jean-François Gravel, chercheur à l'Institut national d'optique (INO), devait partir de loin. Son «client», la compagnie de transport d'hydrocarbures TransCanada, brûle du gaz naturel dans tout son réseau de gazoducs afin d'en chauffer le contenu et d'y maintenir la pression, et cette combustion produit une certaine quantité de pollution, dont des oxydes d'azote - NOx, des gaz qui contribuent à la fois au réchauffement climatique et au smog. Pendant longtemps, TransCanada a pu calculer ses émissions de NOx simplement en multipliant le nombre de stations par une estimation de la quantité moyenne produite dans chacune, mais une nouvelle réglementation l'obligera bientôt à mesurer directement ces émanations dans ses cheminées.

«Alors eux voyaient ça un peu comme un problème, dit François Châteauneuf, responsable du programme environnement de l'INO, parce que la plupart de leurs cheminées sont dans des régions éloignées et n'ont pas de port d'échantillonnage pour aller insérer des capteurs à l'intérieur de la cheminée.» Si bien qu'essentiellement, il fallait soit remplacer les cheminées - et bonjour la dépense -, soit trouver une manière d'évaluer à distance les quantités. Et c'est pourquoi l'entreprise s'est tournée vers l'INO pour développer un instrument qui pourrait faire le travail simplement en le pointant vers le haut d'une cheminée.

La technologie pour ce faire existait déjà en partie. Du moins, son principe général de fonctionnement est connu depuis longtemps. La lumière, comme on le sait, est une onde électromagnétique, c'est-à-dire de l'énergie électrique et magnétique qui se propage dans l'espace à la manière d'une vague à la surface de l'eau. Or quand de la lumière frappe une molécule, certaines longueurs d'onde (la distance entre deux «vagues» de lumière) sont réfléchies ou rediffusées, et d'autres sont absorbées. Et comme ces longueurs d'onde sont toujours les mêmes et sont uniques à chaque substance, à chaque gaz, on peut analyser la composition chimique de ce qui sort d'une cheminée en projetant un laser dessus et en «décortiquant» les longueurs d'onde qui reviennent (ou pas, si elles sont absorbées).

Dans le cas des cheminées de TransCanada, M. Gravel et son équipe ont établi que l'idéal était d'«éclairer» la fumée avec un laser ultraviolet. Comme la poussière de l'air et des gaz d'échappement réfléchit bien les UV, ils s'assuraient ainsi qu'une quantité suffisante de lumière reviendrait vers l'appareil - moins celle qui aurait été absorbée par les NOx.

Sauf que «traditionnellement, explique M. Gravel, les systèmes LIDAR [pour light detection and range, le type d'appareil employé ici] spectroscopique demandent des lasers très complexes et très gros. [...] Il faut une précision extrême sur la longueur d'onde parce que les raies sont très, très fines. Et pour que le laser revienne toujours exactement sur cette position-là, ça demande des systèmes qui, mécaniquement, sont très stables.»

Précision et stabilité

On peut facilement se faire une idée de la précision et de la stabilité que cela demande en sachant ceci : pour mesurer les quantités de NO, le système modifié de

M. Gravel fait un «balayage» des longueurs d'onde comprises entre 226,1 et 222,35 nanomètres (nm, équivalent de 1 millionième de millimètre). Et cette bande de

 0,25 nm comprend plusieurs raies d'absorption différentes!

Pas étonnant, donc, qu'atteindre ce degré de précision demande généralement un appareillage lourd que l'on transporte en «semi-remorques», comme dit le chercheur. Mais TransCanada voulait justement éviter d'avoir à trimballer un gros labo d'un bout à l'autre du pays, souvent dans des secteurs isolés.

Au lieu de cela, l'équipe de M. Gravel a donc décidé de procéder autrement. Ils ont modifié leur LIDAR de manière à ce que chaque fois qu'il émet une impulsion laser, une petite partie de celui-ci est déviée dans une «cellule de référence», qui contient des quantités très précisément connues de monoxyde et de dioxyde d'azote, les deux gaz à mesurer. De cette manière, ils évitent d'avoir à passer par les énormes systèmes qu'il faut pour contrôler de façon ultra-sensible la longueur d'onde émise. Leur laser peut produire des longueurs d'onde un brin instables, puisqu'en le faisant passer dans leur cellule de référence, ils se trouvent à mesurer longueur d'onde exacte qu'ils émettent à chaque utilisation. De là, ils ont ce qu'il faut pour interpréter le signal lumineux qui revient vers l'appareil et ainsi mesurer les concentrations de NOx dans la fumée.

En outre, explique M. Châteauneuf, les LIDAR sont des «instruments qui, au départ, ont été développés pour mesurer la distance d'un objet. On envoie une impulsion laser et on mesure le temps que ça prend à la lumière pour faire l'aller-retour. Puis, connaissant la vitesse de la lumière, on est capable de déduire la distance.»

Dans le cas de l'instrument mis au point pour TransCanada, cela permet de mesurer aisément la distance de la fumée à analyser et de ne faire s'ouvrir le récepteur qu'au moment exact où la lumière réfléchie revient - ce qui évite de contaminer le signal par d'autres sources possibles dans les environs.

***

Les percées

PCR: petite erreur deviendra grande: 21 décembre

Plaidoyer pour un poisson pourri: 22 décembre

Comment faire travailler deux petits frustrés: 23 décembre

L'ADN des sables bitumineux: 24 décembre 

Le bout du bout du bout de la plante: 26 décembre

L'anguille dans une botte de foin: 27 décembre 

La motivation scolaire dans le sang: 28 décembre 

Aux trousses des «fugitifs»: 29 décembre 

Des banques pleines de bon sang: 30 décembre

Safari aux gaz en Arctique: 31 décembre

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