DS0801 - Innovations

Module mobile de mesure de gaz azotés pour la qualité de l’air urbain, l’élevage, et l’agriculture – M3GA

M3GA : Module de Mesure Mobile de Gaz azotés dans l'Air pour la surveillance des émissions et la gestion de la ventilation

L’objectif du projet M3GA est de développer un outil miniaturisé pour mesurer les traces de d’oxyde nitreux (N2O) et d’ammoniac (NH3). Il est conçu pour être utilisable pour les mesures de gaz dans l'air ambiant (en ville ou sur des sites industriels), pour la surveillance et la gestion de la ventilation dans les bâtiments d'élevage ou pour la surveillance des émissions provenant <br />de champs cultivés.

Enjeux et objectifs

Le contrôle des émissions de N2O et de NH3 provenant de l'agriculture devient un grand défi pour les prochaines années: en France, l'agriculture et la sylviculture représentent plus de 90% des émissions de N2O et de NH3. Cependant, même si le secteur de la R & D agricole demande <br />actuellement des outils de mesure plus adaptés, la détection de ces espèces en traces peut répondre aux exigences de plusieurs autres domaines d’application, du contrôle de la qualité de l’air intérieur et extérieur à la surveillance des émissions industrielles. <br />Les conditions d’utilisation étant très diverses, l’unité de mesure nécessite la mise au point d’un capteur multi-gaz permettant de détecter des concentrations allant de 0,1 à 3 ppmv pour le N2O et de 1 ppbv à 35 ppmv pour le NH3. Les solutions existantes (capteur électrochimique ou semi-conducteur) peuvent répondre aux critères de compacité et de portabilité mais présentent le désavantage d'être sensibles à d'autres polluants tels que les agents oxydants (ozone, monoxyde d'azote, ...) et donc peu sélectives notamment au N2O.

Pour répondre aux exigences de sélectivité et de résolution, la technologie choisie dans ce projet est une source laser à système de spectroscopie QCL (Quantum Cascade Lasers) émettant dans la bande spectrale dans l’infrarouge moyen (c’est-à-dire 4 à 10 µm). La mesure du N2O nécessite le développement d’une source de QCL dans les bandes spectrales de 4,5 à 4,6 µm ou de 7,5 à 8 µm, tandis que la mesure de NH3 nécessite le développement d’une source de QCL dans la bande spectrale de 9 à 10 µm. Aujourd'hui, pour surveiller ces produits
chimiques, plusieurs outils commerciaux basés sur la détection optique sont disponibles, mais
lorsque les outils peuvent répondre aux exigences de performances, leurs coûts sont prohibitifs et leur taille inadéquate pour certaines des applications mentionnées ci-dessous (en particulier pour le déploiement sur le terrain).
Dans le projet M3GA, il sera possible de réduire considérablement la taille et les coûts en miniaturisant certains composants clés, tels que l’assemblage optique: en effet, il pourrait combiner les faisceaux de lasers ou la chambre de détection directement sur un substrat plan
à l’aide des technologies MEMS / IC. En outre, si l’utilisation de ces technologies entraîne la miniaturisation et la réduction des coûts de fabrication, elle peut également conférer une robustesse supérieure, à la fois pendant le montage et pendant la durée de vie du produit.

MirSense a étudié, conçu et réalisé des barrettes de lasers à Cascade Quantique par des étapes de micro technologie sur substrats InP (Indium Phosphide). Les longueurs d’onde d’émission de la barrette sont proches de 9µm (Nombre d’onde ~ 1111cm-1), avec une plage accordable validée expérimentalement de 54cm-1. Ce qui permet de couvrir la gamme spectrale d’absorption de l’ammoniac (NH3) et du protoxyde d’azote (N2O).
- La conception du capteur initialement imaginé comme une microcavité creuse où la lumière infra-rouge devait être guidée et absorbée par les gaz a conduit à une impasse de réalisation pour cause de pertes de propagation trop importantes de l’ordre de 7dB/cm. Un nouveau design de capteur à partir de guides segmentés, où l’interaction lumière gaz est décuplée par le fractionnement du guide, a permis d’abaisser les pertes
de propagation à 1dB/cm. La fabrication des capteurs sur substrats silicium par des étapes de micro technologie a été réalisée, mais n’a pas produit de composants fonctionnels pour l’injection de lumière et la détection de gaz.
- En parallèle la conception et la fabrication d’un multiplexeur en longueur d’onde sur substrat silicium a été réalisée. Les performances optiques ont été atteintes et qualifiées pour permettre l’intégration avec le laser à QCL et le multiplexage de 67 longueurs d’onde dans un seul capteur multi gaz (35 utiles pour le laser).

Bien que le projet n’ait pas permis la réalisation de prototypes pour évaluer la mesure de gaz dans des milieux agricoles (champ ou bâtiments d’élevage) son intérêt demeure pour faciliter la traçabilité des gaz polluants tels que N2O et NH3 et permettre d’ajuster les conditions de
production ou les moyens préventifs pour réduire leurs productions. Ce qui pour l’élevage permettrait d’améliorer le confort animal et pour l’agriculture en plein champ de réduire l’apport d’intrant et son impact sur l’environnement.

es articles publiés relatifs aux multiplexeurs en longueur d’onde (AWG) pour le moyen infra rouge, montrent les dernières performances des AWG Ge/SiGe20% pour la gamme de longueur d’onde du projet M3GA. Les limitations de performances dues au matériau sont montrées par les courbes de caractérisation des AWG qui fléchissent à grandes longueurs d’onde.

L'objectif de projet M3GA est le développement d'un nouvel outil miniaturisé pour mesurer les concentrations des traces d'oxyde nitreux (N2O ) et l'ammoniac (NH3 ) dans l'air à être utilisé pour surveiller et gérer la ventilation dans les bâtiments d'élevage ou pour surveiller les émissions provenant de l'agriculture. Le contrôle des émissions de N2O et de NH3 provenant de l'agriculture sera un défi majeur pour les années à venir: en France l'agriculture et l’élevage sont responsable de 90 % des émissions de N2O et de NH3. Si le monitoring des gaz nitreux est de plus en plus important pour l'agriculture, la détection de ces espèces en traces peut répondre aux exigences de plusieurs autres domaines d'application comme le contrôle de la qualité de l'air intérieur et extérieur à la surveillance des émissions industrielles.
L'unité de mesure nécessite la mise au point d'un détecteur multi- gaz pour détecter des concentrations allant de 0.1 à 3 ppmv pour le N2O et 1 ppbv à 35 ppmv de NH3. Les solutions existantes (capteurs électrochimique ou semi-conducteurs) peuvent satisfaire aux critères de compacité et portabilité, mais ils ont l'inconvénient d'être sensible à d'autres polluants tels agents oxydants (ozone, le monoxyde d'azote, ... ) et donc être peu sélective en particulier pour le N2O.
Pour répondre aux critères de sélectivité et sensibilité demandées, la technologie choisie est la spectroscopie laser a base QCL (Quantum Cascade Lasers) source laser émettant dans la bande spectrale de l'infrarouge moyen (soit 4 à 10 µm). La mesure de N2O nécessite le développement d'une source QCL dans les bandes spectrales [4.5 - 4.6 µm] ou de [7.5 – 8 µm] alors que la mesure du NH3 nécessite de développer une source QCL dans la bande spectrale [9 - 10 µm]. Aujourd'hui plusieurs outils commerciaux basés sur la détection optique sont disponibles pour détecter ces espèces chimiques, mais, lorsque ces systèmes répondent sont suffisamment performants, leurs coûts sont prohibitifs et l’encombrement telles que le déploiement sur le terrain est difficulteux.
Le projet M3GA vise la réduction des coûts e de l’encombrement via la miniaturisation des composants clés, tels que le système optique permettant de combiner les faisceaux lasers ou la chambre de détection, directement sur un substrat planaire en utilisant les technologies MEMS/IC. Si d’une part l'utilisation de ces technologies permettra la miniaturisation et la réduction des coûts, cette technique de fabrication conférer également robustesse pendant la durée de vie du produit.
Ces dispositifs miniaturisés seront assemblés avec une électronique adaptée et des interconnexions fluidiques, dans un système munis d’un driver hardware et software pour gérer l'ensemble de la mesure. Ce système est conçu et réalisé pour être compact et portable, mais également il est équipé d'une unité de stockage données et de la communication autonome. Ces caractéristiques de portabilité sont nécessaires pour la cartographie de la qualité de l'air sur de grandes surfaces - par exemple champs cultivés - ou le déploiement sur site – bâtiments d’élevage.
Pour optimiser les paramètres opérationnels et évaluer les performances du système, une première série de tests reproduisant des conditions réels d’utilisation sera effectuée en laboratoire.
Le fonctionnement du système de détection sera enfin évaluée dans deux scénarios d'application différents: fonctionnement extérieur (champs cultivés ou élevage volailles en plein air) et fonctionnement intérieure (élevage volailles en bâtiment). Durant cette phase de validation les performances de ce prototype seront comparées à ceux des méthodes de mesure classiques pour les deux types d'environnements.

Coordination du projet

Christophe CONSTANCIAS (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

INRA-EGC INRA CENTRE VERSAILLES GRIGNON
CEA/LETI Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
INRA-EGC INRA UMR Environnement et Grandes Cultures
CETIOM Centre Technique Interprofesionnel des Oléagineux et du Chanvre Industriel
ITAVI Institut Technique de l'Aviculture
Environnement SA Environnement SA
AZIMUT AZIMUT Monitoring
MIRSENSE

Aide de l'ANR 387 680 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2014 - 36 Mois

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