Les analyses des gaz de l'environnement qui nécessitaient auparavant des mois de travail en laboratoire peuvent désormais être réalisées rapidement sur le terrain. Un groupe de scientifiques de l'Eawag a développé un spectromètre de masse portable permettant des mesures sur site - et une entreprise dérivée a été créée pour commercialiser le nouveau système.

Quels sont les effets des gaz volcaniques qui s'accumulent dans le lac Kivu en Afrique centrale ? Comment fonctionne la nappe phréatique du Rhin près de Pratteln ? Quelle est la meilleure façon de contrôler les émissions de gaz à effet de serre d'une décharge du nord-est de la Suisse? Les réponses à de telles questions peuvent être fournies par un spectromètre de masse portable récemment développé - par les chercheurs nommé "miniRuedi" - qui permet d'analyser des échantillons de gaz et d'eau sur place et en temps réel. Par exemple, les concentrations de différents gaz ont été déterminées dans une décharge au cours d'une campagne de mesure d'une journée. Cette étude soutient les mesures d'optimisation pour aérer la décharge afin de réduire la formation de méthane, un puissant gaz à effet de serre.

Système dans une valise

Matthias Brennwald, physicien de l'environnement de l'Eawag, qui a développé le spectromètre de masse portable, explique :« Notre instrument, pesant 13 kilogrammes et monté dans une valise à roulettes, peuvent être emmenés dans les endroits les plus reculés. Une fois installé sur le site, le Mini-Ruedi peut mesurer immédiatement et efficacement les gaz en utilisant de très petits échantillons, il n'interfère donc pas avec la dynamique naturelle de l'environnement." Le système, qui peut fonctionner de manière autonome, fournit des mesures en continu d'une large gamme de gaz. Les sites et les moments les plus appropriés pour l'échantillonnage peuvent ainsi être identifiés immédiatement. Un fonctionnement à long terme est également possible. Comme le souligne Brennwald, "Des analyses qui, dans le passé, auraient été inconcevables - en partie pour des raisons financières, car ils auraient nécessité des mois de travail en laboratoire - sont maintenant soudainement possibles."

Deux semaines au lieu de six ans

Par exemple, en utilisant le Mini-Ruedi, l'équipe de l'Eawag n'a eu besoin que de deux semaines pour mener à bien un projet d'analyse des eaux souterraines en Australie. Avec des méthodes et instruments conventionnels, estimations de Brennwald, l'équipe aurait eu besoin d'environ six ans en laboratoire. Néanmoins, la précision des mesures du nouveau système est remarquable, avec une incertitude analytique de un à trois pour cent (contre un à un et demi pour cent pour un spectromètre de laboratoire). D'autres avantages offerts par le système sont sa faible consommation d'énergie (50 watts, pas plus qu'une ampoule traditionnelle) et un fonctionnement sans entretien. Brennwald souligne que « pour les personnes habituées à travailler avec des instruments de mesure, cela ne prend qu'une journée pour apprendre à manipuler le système portable."

Composants sur étagère

Bien que le spectromètre de masse portable puisse sembler complexe à première vue, il se compose en fait de quatre éléments principaux (Fig. 1). Le gaz entrant traverse lentement un tube capillaire de dix mètres de long, rappelant la trompe d'un éléphant (d'où le nom du système, "Ruedi Rüssel" étant une chaîne de stations-service bien connue en Suisse). Deux pompes génèrent le vide nécessaire dans la chambre où sont mesurées la composition du mélange gazeux et les abondances des différents gaz. Le "cerveau" électronique du système est contrôlé par un logiciel développé par Brennwald lui-même. D'ici, les résultats sont transférés sur un ordinateur.

Si des gaz doivent être analysés dans des échantillons d'eau (par exemple des lacs), une membrane est utilisée pour séparer les gaz de l'eau, les composants délicats du système ne sont donc pas exposés à l'humidité.

Création de la spin-off Gasometrix

Deux ans seulement après le premier déploiement du Mini-Ruedi dans un projet, huit autres instruments sont maintenant utilisés – un total de cinq à l'Eawag et quatre aux universités de Genève et de Tübingen et au laboratoire souterrain du Mont Terri. Matthias Brennwald ayant reçu de nombreuses demandes (non liées aux projets de l'Eawag) concernant l'achat du système, il a décidé – en concertation avec l'Eawag – de créer une spin-off. Depuis avril, il a développé les systèmes portables sous le nom de Gasometrix; en tant que fidèle employé de l'Eawag, il ajoute, ce n'est qu'un accessoire. Le premier client acquis pour sa propre entreprise est l'Université d'Oxford.

Applications Mini-Ruedi partout dans le monde

Le Mini-Ruedi permet de quantifier de nombreux gaz – dont actuellement l'hélium, argon, krypton, azote, oxygène, dioxyde de carbone et méthane – dans les systèmes environnementaux. Les mesures de gaz spécifiques peuvent aider les chercheurs à comprendre les processus sous-jacents de la formation de gaz. Comme ce système compact (60 cm x 40 cm x 14 cm; 13 kg) peut analyser divers gaz en moins d'une minute et peut être déployé sur des sites distants, il est déjà largement utilisé (pour des exemples d'applications dans les projets de recherche de l'Eawag dans le monde, voir :gasometrix.com/map/). Il a été utilisé, par exemple, pour les analyses de l'eau afin d'évaluer les systèmes d'eaux souterraines ou d'étudier les effets anthropiques sur les plans d'eau. Dans un projet récent en République tchèque, des échantillons de sol ont été analysés pour étudier les exhalations de gaz des sources. Des analyses sont également prévues pour une société pétrolière et gazière en Norvège :ici, les flux de gaz doivent être surveillés afin de détecter les fuites de méthane ou de dioxyde de carbone.