CESAM : Chambre expérimentale de simulation atmosphérique multiphasique

Descriptif, objectifs et modalités de fonctionnement

La compréhension des phénomènes de pollution atmosphérique nécessite de connaître les processus de transformations des polluants. Les chimistes de l’atmosphère sont ainsi utilisateurs d’une grande masse de données concernant les mécanismes et les vitesses de ces transformations. Les méthodes spécifiques de la cinétique chimique conduisent souvent l’expérimentateur à travailler dans des conditions physiques et chimiques (température, pression, irradiation, gamme de concentration) relativement éloignées des conditions troposphériques. Elles comportent donc le risque d’artefacts liés à la chimie secondaire. Ces méthodes sont principalement optimisées pour l’étude de petits fragments de schémas réactionnels voire de réactions élémentaires. Elles sont donc généralement très précises en termes d’informations cinétiques mais relativement inadaptées en termes d'élucidation de mécanismes réactionnels, de détermination de rapports de branchements et d’études de réactions compétitives. Il est donc nécessaire de mener, de façon complémentaire, l’étude des mécanismes chimiques d’intérêt troposphérique dans des conditions permettant la maîtrise et la reproductibilité des conditions opératoires - ce que n’assurent pas les expériences de terrain - tout en permettant l’extrapolation fiable aux conditions de l’atmosphère - ce que ne permettent pas les expériences de cinétiques classiques. Ainsi, le moyen expérimental conceptuellement le plus direct pour étudier la relation entre émissions et qualité de l'air, est probablement d'injecter des polluants primaires dans de larges chambres de simulation, de détecter les produits secondaires formés et d'en mesurer l'évolution dans le temps. C’est là, le cœur de la motivation du projet CESAM : le développement d’une chambre de simulation dédiée à l’étude des processus multiphasiques.

L’enceinte CESAM est d’un volume de 4,2 m³ afin de permettre la génération de mélanges de concentrations suffisamment faibles et de conférer une durée de vie suffisante à l’aérosol. Cette chambre est évacuable, c’est-à-dire étanche et munie de dispositifs de pompage permettant d’y faire un vide secondaire afin de limiter les effets de mémoire d’une expérience à l’autre. Le réacteur a été usiné en acier inoxydable. Le corps du réacteur est entièrement doublé d’une paroi formant un espace permettant la circulation de fluides de refroidissement ou de réchauffement afin de contrôler la température du mélange. Elle est extrêmement modulable puisqu’elle est munie de douze flasques circulaires qui supportent les équipements d’analyse (optiques spectrométriques, lignes de transfert, tubulures de pompage), les ports d’introduction et d’échantillonnage et enfin les évacuations de pompage. La chambre et son environnement ont été complètement équipés des outils les plus modernes pour la métrologie des aérosols.

Cette chambre est aujourd’hui opérationnelle et sa qualification, c’est à dire la détermination expérimentale de ses paramètres intrinsèques (vide limite, homogénéité et puissance du flux actinique, fréquences de photolyse, temps de mélange, inertie thermique, durée de vie de l’ozone, durée de vie des aérosols…) est achevée et publiée. Ce nouvel outil fait partie des installations du consortium européen EUROCHAMP (Integrated Infrastructure Initiative regroupant les équipes mettant en œuvre des chambres de simulation).

Bilan

Jouvence du système d'irradiation, acquisition d'un PTR-MS, acquisition d'un ACSM-TOF
Projet européen EUROCHAMP2020 et intégration dans ACTRIS-PPP
Accès renforcé : 135 jours d'expérience dont 43 % impliquant des utilisateurs extérieurs

Prospective 2019-2024

- Assurer l'intégration de la chambre CESAM dans l'infrastructure européenne ACTRIS ERI afin de pérenniser son ouverture aux utilisateurs extérieurs
- Rassembler les chambres de simulation atmosphériques en une seule plateforme de simulation atmosphérique (mutualisation de moyen et harmonisation des pratiques) et développer une chambre auxiliaire de 2 m³ pour alléger le calendrier d'utilisation de CESAM
 - Créer les conditions d'un accès régulier et privilégié à PRAMMICS
- Développer l'utilisation des chambres pour l'étude du lien pollution atmosphérique-santé (développement de protocoles en lien avec l'INSERM)

Appartenance à des réseaux nationaux/internationaux

IR ACTRIS-FR, EuroCHAMP 2020 (coordination), ACTRIS-PPP