Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un instrument de laboratoire qui peut mesurer la quantité de carbone dans de nombreux matériaux contenant du carbone provenant de combustibles fossiles. Cela ouvrira la voie à de nouvelles méthodes dans les industries des biocarburants et des bioplastiques, dans la recherche scientifique, et la surveillance de l'environnement. Entre autres, il permettra aux scientifiques de mesurer la quantité de dioxyde de carbone (CO 2 ) dans l'atmosphère provenait de la combustion de combustibles fossiles, et pour estimer les émissions de combustibles fossiles dans une zone aussi petite qu'une ville ou aussi grande qu'un continent.

Ceci est possible parce que les atomes de carbone se présentent sous des formes lourdes et légères, ou des isotopes, et mesurer les quantités relatives de chacun peut révéler la source du carbone. L'utilisation des isotopes du carbone de cette manière n'est pas une idée nouvelle, mais elle nécessite des mesures extrêmement précises et coûteuses. Le nouvel instrument, développé par les chimistes du NIST Adam Fleisher et David Long et basé sur une technologie appelée spectroscopie annulaire de cavité (CRDS), promet de réduire considérablement le coût de ces mesures. Ils ont décrit les performances de l'instrument dans le Journal des lettres de chimie physique .

« La mesure des isotopes du carbone est une technique extrêmement utile, mais jusqu'à maintenant, il a trouvé une utilisation limitée en raison du coût, " a déclaré Long. " La baisse des coûts ouvrira la voie à de nouvelles applications, en particulier ceux qui nécessitent de tester un grand nombre d'échantillons."

La clé de ces mesures est le carbone-14, isotope radioactif (mais inoffensif) du carbone qui se forme dans la haute atmosphère. Ce carbone 14 se retrouve dans tous les êtres vivants. Contrairement au carbone ordinaire, le carbone 14 est instable, avec une demi-vie de 5, 730 ans. Quand les êtres vivants meurent, ils cessent d'incorporer du carbone dans leur corps, et leur carbone-14 commence à se désintégrer.

Les scientifiques peuvent calculer depuis combien de temps quelque chose est mort en mesurant la quantité de carbone 14 dans ses restes. Cette technique est appelée datation au carbone, et les scientifiques l'utilisent pour dater des choses comme les os de Néandertal et les fibres végétales anciennes.

Les combustibles fossiles sont aussi les restes d'êtres vivants, principalement des plantes mortes il y a des centaines de millions d'années. Pratiquement tout leur carbone 14 s'est décomposé il y a des éons, donc tout ce qui en dérive est marqué par l'absence de quantités mesurables de carbone-14.

Mais le carbone-14 est extrêmement rare, et de l'utiliser pour identifier les combustibles fossiles, les scientifiques doivent pouvoir le mesurer à des concentrations aussi faibles que 1 partie sur 10 000 milliards. C'est l'équivalent d'un seul grain de sable dans 60 camions à benne pleine de ces trucs.

Pour mesurer des concentrations aussi faibles, vous avez besoin d'une technique de mesure extrêmement sensible, et une telle technique existe déjà. Les archéologues s'y fient depuis des décennies. Mais cette technique nécessite un accélérateur de particules pour séparer les isotopes (le carbone 14 le plus lourd accélère plus lentement que le carbone 12 ordinaire), ainsi qu'une installation pour l'héberger et une équipe de docteurs pour l'exécuter.

L'instrument CRDS que Fleisher et Long ont développé peut s'asseoir sur une paillasse de laboratoire et est relativement peu coûteux à utiliser.

Les instruments CRDS analysent les gaz en détectant les longueurs d'onde de la lumière qu'ils absorbent. Par exemple, CO 2 qui contient du carbone-14 - dit CO lourd 2 -absorbe une longueur d'onde légèrement différente de celle du CO ordinaire 2 .

Pour mesurer combien de CO lourd 2 tu as dans un CO 2 échantillon, vous injectez d'abord l'échantillon dans la cavité de mesure de l'instrument (le "C" en CRDS), qui est un tube avec des miroirs à l'intérieur à chaque extrémité. Vous accordez ensuite un laser à la longueur d'onde exacte que seul le CO lourd 2 absorbe et en tire une rafale dans la cavité. Lorsque la lumière laser rebondit entre les miroirs, une partie de son énergie est absorbée par le gaz. Plus l'absorption est grande, plus la concentration de CO lourd est élevée 2 .

Pour atteindre la sensibilité requise, Fleisher et Long ont amélioré la technologie CRDS existante en concevant un système qui refroidit la cavité à une température uniforme de moins 55 degrés Celsius et minimise les fluctuations de température qui perturberaient la mesure. Rendre la cavité très froide permet à leur instrument de détecter de très faibles signaux d'absorption lumineuse, de la même manière que vous pourriez entendre une mouche voler si vous rendiez une pièce extrêmement silencieuse.

Cette amélioration et d'autres ont suffisamment augmenté la sensibilité de l'instrument pour une datation au carbone précise.

Pour tester les biocarburants et les bioplastiques, vous brûleriez d'abord ces matériaux, puis récupérer le CO résultant 2 pour l'analyse. Cela vous permettrait de tester un mélange de carburant pour déterminer quelle fraction de celui-ci est du biocarburant. Dans l'industrie du transport aérien, par exemple, cela serait utile car certains pays exigent que les carburants d'aviation incluent un pourcentage spécifique de biocarburant. De tels tests pourraient également être utilisés pour vérifier que les bioplastiques, qui se vendent à prime, ne contiennent pas de composés dérivés du pétrole.

Pour estimer les émissions de combustibles fossiles dans une zone géographique, vous recueilleriez de nombreux échantillons d'air dans cette zone et analyseriez le CO atmosphérique 2 dans ces échantillons. Zones à fortes émissions de combustibles fossiles, comme les villes et les zones industrielles, aura des concentrations inférieures à la normale de CO lourd 2 .

"Les émissions de combustibles fossiles diluent la concentration de CO lourd 2 dans l'air, " a déclaré Fleisher. " Si nous pouvons mesurer avec précision cette concentration après qu'elle ait été diluée, nous pouvons calculer la quantité d'émissions de combustibles fossiles dans le mélange."

Un rapport de l'Académie nationale des sciences a estimé que 10, 000 échantillons par an, collectés dans des endroits soigneusement choisis aux États-Unis, serait suffisant pour estimer les émissions nationales de combustibles fossiles à moins de 10 pour cent de la valeur réelle. Un tel système de mesures peut accroître la fiabilité des estimations nationales des émissions. Cela serait particulièrement utile dans les régions du monde où des données d'émissions de haute qualité ne sont pas facilement disponibles.

« Il existe un besoin pour ce type de mesure dans de nombreuses industries, " Fleisher a déclaré. "Nous avons démontré un moyen de répondre à ce besoin d'une manière rentable."