Hélios, la sphère géante qui étudie l’atmosphère
La chambre de simulation orléanaise, dont la construction a exigé des moyens techniques hors du commun, est unique en France et renommée à l’international pour ses prouesses d’analyse des pollutions environnementales.
Premier volet d'une série de six articles sur les lieux insolites de la recherche au CNRS.
C’est un hémisphère de 6 m de diamètre pour 3,40 m de haut et, surtout, une petite prouesse technique. Nichée sur l’un des toits de l’Institut de combustion, aérothermique, réactivité et environnement (Icare)1 à Orléans, Hélios est une construction unique en France. Dans ce volume de près de 90 m3, les scientifiques reproduisent les conditions proches de celles qui existent dans l’atmosphère (pression, polluants, rayonnement lumineux, température, etc.) afin de mieux étudier les phénomènes physico-chimiques qui s’y trament, dont ceux à l’origine de la pollution environnementale. « Plusieurs phénomènes dus à des dégradations de polluants secondaires, c’est-à-dire les polluants issus de réactions chimiques de gaz entre eux, et provoquées sous l'effet de conditions météorologiques, sont encore mal compris. Qui plus est, certains composés à l’origine de pollutions atmosphériques sont plus ou moins réactifs et ont une durée de vie variable, qui se compte de quelques secondes à des centaines d’années. Cette chambre nous permet d’étudier leur comportement au sein d’un environnement contrôlé », explique Véronique Daële, directrice de recherche au CNRS et co-conceptrice d’Hélios.
Par son envergure, la construction est la plus grande en France et la troisième en Europe après EUPHORE en Espagne et SAPHIR en Allemagne. Hélios se distingue en outre par sa capacité à analyser de faibles concentrations en réactifs chimiques. « À l’heure actuelle, la précision de certains polluants que nous étudions est de l’ordre de 10-7 ppb2 », se félicite la scientifique. Pour parvenir à ce degré de précision, il a fallu en particulier dimensionner la taille de la chambre pour optimiser son rapport entre la surface et le volume. Mais c’est aussi le fait qu’Hélios puisse être directement irradiée par rayonnement solaire qui la distingue des autres chambres de simulation existantes en France et lui confère sa singularité technique. La plupart des infrastructures existantes sont en effet uniquement irradiées à l’aide de lumières artificielles. « Or, avec la lumière directe du soleil, nous avons un spectre lumineux plus large, qui nous permet d’élargir le champ de nos expérimentations », détaille Véronique Daële.
Éclairage artificiel et éclairage naturel
Pour laisser la lumière solaire pénétrer efficacement dans la chambre, le choix des matériaux a été déterminant. La sphère est principalement constituée d’un fin film en Téflon qui lui assure sa transparence et le rend inerte au point de vue chimique. Son épaisseur de 250 μm garantit une bonne irradiation et un juste milieu entre solidité et performance. Sa finesse a cependant nécessité la réalisation de pas moins de 28 soudures. Pour protéger ce mince film en cas d’intempéries, une structure en métal assise sur rails enveloppe la sphère lorsqu’Hélios n’est pas en fonctionnement. La structure protectrice se rétracte en moins de deux minutes, ce qui offre une certaine flexibilité pour les expériences, tout en assurant la précision des mesures.
Depuis 2023, Hélios bénéficie en outre d’un éclairage artificiel à l’aide de 49 lampes émettant dans le rayonnement ultraviolet, avec un pic autour de 350 nm. Hélios est ainsi la seule chambre au monde à cumuler les deux irradiations et les scientifiques envisagent de pouvoir comparer des expériences en double irradiation naturelle et artificielle. « Hélios a vocation à être ouverte à la communauté scientifique dans le cadre de projets de recherche. Nous avons pu accueillir jusqu'à quatorze équipes en même temps. Ces expériences impliquant autant de personnes nécessitent d'être programmées longtemps à l'avance, or la météo ne l'est pas. Les lampes nous assurent donc d'irradier lorsque la météo n'est pas favorable », complète la scientifique. Afin d’obtenir une irradiation la plus homogène et intense possible à l’intérieur de la chambre, chaque lampe dispose en outre d’un réflecteur individuel et des panneaux réfléchissants ont été positionnés juste au-dessus de la sphère.
Un défi architectural
La chambre est également reliée à tout un complexe en sous-sol de 150 m². Ce hall d’expérience abrite un important parc analytique avec des instruments de pointe dont certains, uniques, ont été développés au CNRS. « Construire cet ensemble a été un véritable défi et un travail colossal, faisant intervenir plusieurs corps de métiers différents en plus d’un architecte et un maître d’œuvre », se remémore Véronique Daële.
« La recherche, c’est un continuum au sein duquel on avance par sauts. Hélios a permis de franchir un de ces sauts dans notre discipline », affirme Nabiha Chaumeix, directrice d’Icare. « En mutualisant les outils, les compétences et les points de vue de scientifiques internationaux, ce lieu nous donne accès à une certaine excellence scientifique », renchérit Fabien Godeferd, directeur adjoint scientifique de CNRS Ingénierie, l’un des dix instituts du CNRS auquel est rattaché le laboratoire. Des équipes scientifiques de France et d’autres pays viennent d’ailleurs régulièrement utiliser la chambre de simulation pour leurs besoins expérimentaux et cette dernière est intégrée à l’infrastructure de recherche européenne ACTRIS dédiée à l’observation et à l’exploration des aérosols, des nuages et des gaz réactifs et de leurs interactions. Une initiative de mutualisation des moyens de recherche et qui compte entre autres parmi ses partenaires le CNRS, le CEA ou encore l’֤École normale supérieure.
Des PFAS à l’ammoniac
Les projets de recherche à venir sur Hélios ne manquent d’ailleurs pas. L’un d’eux concerne la recherche sur les substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées, plus connues sous le nom « PFAS ». En injectant ces composés chimiques dans l’enceinte, les scientifiques vont tenter de comprendre comment ils pourraient se détériorer dans l’atmosphère et si ces processus en phase gazeuse sont applicables dans l’eau. Un projet interdisciplinaire qui vient se greffer à un autre projet de recherche qui vise à mieux connaître les mécanismes de décomposition de ces composés chimiques dans l’eau. À terme, ce projet de recherche ambitionne de mieux comprendre comment faciliter la destruction chimique de ces molécules réputées dangereuses une fois absorbées dans l’organisme.
Un autre projet régional s’intéresse à la décomposition de l’ammoniac et à son devenir une fois dans l’atmosphère. Sa décomposition et à son devenir une fois dans l’atmosphère seront aussi étudiés dans Hélios. Ce composé chimique, déjà utilisé dans le domaine agricole, est actuellement de plus en plus utilisé pour le transport ou la production de l’hydrogène dans le domaine industriel, en particulier dans le secteur des énergies vertes. « Le devenir de l’ammoniac dans l’atmosphère est relativement bien connu. Toutefois, la décomposition de l’ammoniac génère des polluants secondaires et le devenir de ces coproduits est beaucoup moins connu sur le plan scientifique », précise Véronique Daële.