Réduire la pollution atmosphérique grâce à de nouveaux capteurs photoniques
Les zones urbaines sont confrontées à divers polluants atmosphériques qui nuisent à la santé et à l’environnement. Le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄), deux gaz à effet de serre, sont impliqués dans le réchauffement planétaire, les oxydes d’azote (NOx) sont nocifs pour les systèmes respiratoires et cardiovasculaires, le monoxyde de carbone (CO) interfère avec le transport de l’oxygène dans le sang, et le noir de carbone (CB) est lié à diverses maladies cardiovasculaires et respiratoires et contribue au changement climatique. Bien que des systèmes de surveillance de haute précision de l’air peuvent mesurer ces polluants, ils sont généralement volumineux et fixes, leur entretien est coûteux et ils doivent être fréquemment étalonnés. Selon Liam O’Faolain, coordinateur du projet PASSEPARTOUT financé par l’UE: «Le défi consiste à concevoir des capteurs photoniques plus petits et moins coûteux, mais suffisamment performants pour répondre aux exigences réglementaires et scientifiques, et pouvant être utilisés par les autorités publiques.» PASSEPARTOUT a développé une nouvelle génération de capteurs optiques miniatures, qui ne requièrent aucun étalonnage, sont sensibles et sélectifs, et capables de détecter les principaux polluants dans une large gamme spectrale, à des niveaux extrêmement faibles.
Cartographie haute résolution de la pollution
L’équipe a tout d’abord développé divers capteurs miniatures hautement performants utilisant la spectroscopie photoacoustique à résonateur à quartz(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (QEPAS) pour la détection des gaz et l’interferométrie phototermique(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (PTI) pour la détection du carbone noir (BC). Ces capteurs utilisent des technologies laser avancées telles que les lasers à cascade interbandes(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (ICL), les lasers à cascade quantique(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (QCL) et les lasers à diode pour permettre la détection dans une large gamme d’infrarouges moyens. «Les longueurs d’onde auxquelles un gaz absorbe la lumière étant constantes et prévisibles, les lasers peuvent être utilisés pour la détection, ce qui signifie que le système ne doit pas constamment être réétalonné», souligne Liam O’Faolain de l’université technologique de Munster(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), l’hôte du projet. Les composants des capteurs ont été intégrés dans des unités d’analyse compactes, qui seront déployées comme analyseurs fixes sur des infrastructures telles que des lampadaires, comme analyseurs mobiles montés véhicule et comme analyseurs aériens sur des drones pour la cartographie en 3D. Les données des capteurs sont transmises sans fil à des serveurs en nuage via des réseaux étendus à faible consommation ou des connexions de données mobiles. Le système fait ensuite appel à un logiciel piloté par l’IA et à des analyses de données, développés par l’équipe, afin de modéliser la dispersion de la pollution dans l’espace et dans le temps, d’identifier les points chauds et les tendances de pollution, et d’établir des prévisions. En complément, l’application AIRTOWN(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) a été développée pour diffuser des alertes, des visualisations et formuler des recommandations aux utilisateurs.
Des essais sur site concluants
Après des essais en laboratoire, PASSEPARTOUT a mené des essais sur le terrain autour d’écoles à Cork (Irlande), ainsi qu’en Italie près du port de Gênes et d’un parking de Bari. «Les mesures en temps réel et de haute sensibilité fournies à la fois par les analyseurs multigaz QEPAS et les capteurs photothermiques de carbone noir ont démontré leur potentiel, marquant une avancée majeure des technologies de détection environnementale accessibles», déclare Liam O’Faolain. En outre, les lasers à cascade interbande à fibre optique intégrée du partenaire du projet Nanoplus, qui éliminent la nécessité d’un alignement optique complexe et permettent une utilisation plug-and-play, suscitent déjà de l’intérêt. Le tout premier circuit intégré photonique (PIC) de PASSEPARTOUT destiné à la spectroscopie photothermique pour la détection de gaz et l’interférométrie photothermique pour le carbone noir présente lui aussi un fort potentiel. «L’intégration de plusieurs sources lumineuses et guides d’ondes sur une seule puce pour la détection précise des gaz représente une fusion de pointe de la nanophotonique et de la science environnementale», ajoute Liam O’Faolain.
Soutenir l’élaboration de politiques fondées sur la science
PASSEPARTOUT s’inscrit dans plusieurs politiques et stratégies clés de l’Union européenne, notamment le pacte vert pour l’Europe(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), le plan d’action zéro pollution(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et les missions de l’UE «villes neutres pour le climat et intelligentes». «Notre solution permettra de déployer les réseaux de surveillance nécessaires pour générer des données locales et en temps réel sur la pollution, essentielles pour évaluer l’impact des interventions et procéder à des ajustements», explique Liam O’Faolain. Les chercheurs concentrent à présent leurs efforts sur le déploiement d’un réseau dense d’analyseurs dans des zones urbaines sélectionnées afin de recueillir des données sur la pollution hyperlocale (l’échelle de la rue), accompagné d’essais d’interventions ciblées sur la circulation, telles que des zones à faibles émissions.
