Un vélo électrique qui se recharge grâce à un panneau solaire intégré et permet d’effectuer une cinquantaine de kilomètres par jour. Telle est la promesse du Solar Commuter. Science & Vie est allé découvrir cette innovation et ses créateurs à Sophia Antipolis.
A Sophia Antipolis, il n’y a pas de pétrole mais (beaucoup) d’idées et du Soleil ! La technopole des Alpes Maritimes, que l’on surnomme volontiers la « Silicon Valley française », réunit de très grandes entreprises aux côtés de jeunes pousses prometteuses. C’est dans ce creuset de l’innovation que Science & Vie a pu découvrir le projet Solar Commuter de l’entreprise Moving Power Lab.
Il s’agit d’un vélo électrique muni d’un panneau solaire inclinable et d’un système de gestion intelligent brevetés qui permettent une recharge optimale sans effort particulier. La seule chose à faire est de stationner le deux-roues à un emplacement bien ensoleillé et de relever le panneau photovoltaïque installé sur le porte-bagage dans la position idéale qui est indiquée par un système de voyants. C’est tout !
Le Solar Commuter se destine aux trajets quotidiens
Le vélo va alors se recharger pendant que l’on passe sa journée au bureau ou vaquer à d’autres occupations. Simple et efficace. L’objectif est de proposer une solution de mobilité durable pour les trajets quotidiens, notamment domicile-travail, en s’adressant aux entreprises et collectivités qui souhaitent mettre à disposition de leurs usagers des flottes de vélos électriques solaires.
« Notre idée de départ était de créer le premier vélo électrique solaire grand public, autonome et simple à utiliser », nous explique Eric Gignoux, le fondateur et président de Moving Power Lab. Créée en février 2022, cette start-up a bénéficié d’un partenariat avec Polytech Nice Sophia. C’est sur le campus de cette école d’ingénieurs, plus précisément au FabLab qu’elle héberge, que nous avons pu découvrir le Solar Commuter.
C’est dans ce lieu prisé des makers et adeptes du DIY qu’Eric Gignoux a développé ce vélo solaire en compagnie de Xavier Lebreton et Sébastien Rothhut*. Selon les concepteurs, le Solar Commuter lève les trois principaux freins à l’adoption du vélo électrique : la contrainte liée à la recharge de la batterie, la peur du vol et les inquiétudes liées à la sécurité.
En ce qui concerne l’autonomie, la batterie de 630 Wh consomme 10 watts-heure par kilomètre sur un terrain légèrement vallonné, selon l’entreprise. Elle peut être rechargée à 72 % en une journée dans des conditions d’ensoleillement optimales. « L’autonomie est de 50 km avec une assistance raisonnable et le profil très vallonné de Sophia Antipolis», annonce Eric Gignoux. Sur terrain plat, il assure que l’on peut pousser jusqu’à 100 km d’utilisation.
La protection contre le vol est assurée par un cadenas connecté fabriqué par un partenaire. Il vient bloquer la roue arrière du vélo et se contrôle avec une application mobile.
Quant aux craintes liées à la sécurité, elles sont adressées par le panneau solaire lui-même. « Il donne l’impression que le vélo est plus large, ce qui incite les automobilistes à garder une plus grande distance. Pourtant, il n’est pas plus large que le guidon ou deux sacoches pleines », explique Xavier Lebreton. En outre, le Solar Commuter est équipé de feux clignotants et de position. « Cela permet aux cyclistes de mieux communiquer leurs intentions aux automobilistes, ce qui améliore la sécurité de tous », souligne Sébastien Rothhut.
D’après Moving Power Lab, ce vélo électrique solaire peut fonctionner « quatre saisons sur quatre autour de l’arc méditerranéen et trois saisons sur quatre dans le reste de l’Europe. » Les trois membres de l’entreprise utilisent chacun le Solar Commuter au quotidien pour leurs déplacements. L’un d’eux parcourt 34 km aller-retour entre son domicile et son lieu de travail. « Je ne sais même plus où j’ai rangé le chargeur d’origine du vélo », s’amuse Eric Gignoux.
Un vélo conçu avec le souci de l’impact environnemental
D’après ses concepteurs, le vélo est conçu pour durer au moins dix ans. L’une des clés de cette longévité est la vitesse de recharge qui préserve la batterie. « Un chargeur de vélo fonctionne entre 2 et 4 ampères tandis que notre chargeur est à environ un ampère », explique Xavier Lebreton. « Nous rechargeons plus lentement mais aussi plus doucement et donc notre batterie va mieux vieillir ».
Soucieux de l’impact environnemental, les concepteurs du Solar Commuter privilégient au maximum un sourcing local et des matériaux durables pour la fabrication de leur vélo. Ainsi, la structure qui accueille le panneau solaire orientable et le boîtier de contrôle utilise du filament à base de plastique recyclé pour la partie fabriquée par impression 3D et du bois issu de forêts éco-gérées.
Le vélo est assemblé en France
La batterie est assemblée en France à partir de cellules importées et Moving Power Lab s’intéresse également aux filières de recyclage de cellules qui se développent dans l’Hexagone. Les panneaux solaires sont composés de cellules photovoltaïques fabriquées en Chine et sont assemblés en Allemagne. Quant au cadre, il est actuellement produit en Asie mais l’assemblage du Solar Commuter est fait à Lyon par la scoop L’Usine à Vélo. A terme, l’entreprise aimerait pouvoir le faire fabriquer en France.
Le prix de vente prévu est de 3 600 euros hors taxes et Moving Power Lab étudie également une solution de location longue durée (LLD) avec un partenaire. La commercialisation du vélo solaire est en cours de développement, avec une stratégie en plusieurs étapes. Une présérie de 50 Solar Commuter sera commercialisée dans le courant de l’année auprès d’entreprises et de collectivités locales de la région. Moving Power Lab évoque de nombreuses marques d’intérêt et « plusieurs pistes » prometteuses.
« L’objectif est de tester le marché, de recueillir les retours des utilisateurs et d’améliorer le design avant de passer à une production à plus grande échelle ». La société a scellé un partenariat avec un prestataire spécialisé dans l’entretien de vélos électriques sur site afin de faire de la maintenance préventive et d’assurer la meilleure expérience possible. La vente directe aux particuliers n’est pas envisagée à l’heure actuelle.
Une fois intégrés les ajustements issus de cette phase initiale, Moving Power Lab prévoit de monter en cadence à partir de l’année prochaine en produisant 500 vélos pour étendre la commercialisation à travers la France et, à moyen terme, en Europe.
Un projet innovant et porteur de valeurs fortes auquel nous souhaitons toute la réussite possible.
* Xavier Lebreton est directeur associé recherche et développement, Sébastien Rothhut est directeur associé opérations
L’arrivée sur Terre le 24 septembre dernier de la capsule contenant des échantillons collectés sur l’astéroïde primitif Bennu a marqué l’épilogue d’une aventure extraordinaire entamée en 2016. Avec la mission OSIRIS-REx, la Nasa a réussi la plus importante récolte de matière extraterrestre qui va alimenter la recherche pendant plusieurs décennies. Un exploit technologique qui deviendra un héritage scientifique majeur pour les générations futures. Des chercheurs qui ne sont pas encore nés travailleront un jour sur les échantillons de Bennu.
Mais pour l’heure, ce sont les scientifiques impliqués dans OSIRIS-REx qui vont s’atteler à un travail de détective. Ils vont sonder ces fragments de roches et ces poussières à la recherche d’indices et de réponses sur la formation du système solaire et l’apparition de la vie sur Terre. Une connaissance intime de la matière à laquelle vont contribuer des chercheurs français.
Un laboratoire français propose une technique d’analyse inédite
En effet, l’Observatoire de la Côte d’Azur à Nice fait partie des huit laboratoires à travers le monde qui ont été désignés pour conduire les premières analyses. Avec le Centre de Recherches sur l’HétéroEpitaxie et ses Applications (CRHEA), il propose une technique d’analyse inédite et prometteuse : la cathodoluminescence.
Guy Libourel, cosmochimiste, professeur au laboratoire Lagrange de l’Observatoire de la Côte d’Azur et Marc Portail, ingénieur de recherche au CRHEA, sont tous deux co-investigateurs de la mission OSIRIS-REx en charge de ces analyses. Pour Science et Vie, ils expliquent en détail en quoi consiste leur mission.
Comment l’Observatoire de la Côte d’Azur s’est-il retrouvé impliqué dans la mission OSIRIS-REx?
Guy Libourel : Les collègues de la mission OSIRIS-REx, et notamment le principal investigateur Dante Lauretta, sont des connaissances de longue date. Nous sommes tous des cosmochimistes. Il se trouve que nous avons développé en France, et plus particulièrement à l’Observatoire de la Côte d’Azur de Nice et au CRHEA de Sophia Antipolis, des outils de caractérisation qui apportent une nouvelle dimension à l’étude des météorites. En effet, notre outil de cathodoluminescence monté sur un microscope à balayage électronique permet d’obtenir une résolution à la fois chimique et structurale très intéressante pour mieux comprendre comment les minéraux se sont formés. C’est cet apport de la cathodoluminescence, dont nos collègues de la mission OSIRIS-REx avaient connaissance, qui nous a amené à cette collaboration.
Qu’est-ce qu’un cosmochimiste ?
Guy Libourel : Un cosmochimiste étudie les météorites et essaie de remonter le temps par l’étude de ces objets. Je me consacre aux météorites les plus primitives, que l’on appelle les chondrites, qui nous permettent d’aborder le tout début de la formation de notre Système Solaire, il y a près de 4,6 milliards d’années. Les astrophysiciens observent les objets célestes à distance, tandis que nous, grâce aux météorites, en analysons les propriétés chimiques et minéralogiques en détail.
100 milligrammes de poussière arrivent en France
Vous êtes responsable des échantillons de Bennu pour l’Europe. Quelle quantité et quel type de prélèvement allez-vous recevoir ?
Guy Libourel : La cueillette sur Bennu a été plus riche que prévu. Nous allons dépasser les 60 grammes initialement prévus. Nous figurons parmi les huit premiers laboratoires qui vont participer aux analyses initiales. Il y a quatre labos aux Etats-Unis, un en Australie, un au Japon, un au Royaume-Uni et le nôtre en France.
Dans un premier temps, nous allons recevoir 100 milligrammes de poussière pour travailler sur la minéralogie et la chimie de Bennu. Les plus grosses particules que nous recevrons seront de taille millimétrique, les plus fines de quelques microns.
Dans un deuxième temps, la Nasa nous enverra deux à trois lames minces, taillées ensuite dans des cailloutis de deux à trois centimètres de diamètre. Nous pourrons plonger au cœur de cette matière pour identifier les phases associées qui nous renseigneront sur la formation de ces chondrites. Pour l’ensemble de la caractérisation effectuée pendant ces premières années (2023-2025), on exploitera seulement une ou deux dizaines de grammes des échantillons. Tout le reste, 75% de masse, sera préservé pour les générations futures, en anticipant des développements technologiques, analytiques et même conceptuels qui permettront d’aller beaucoup plus loin qu’aujourd’hui.
Une méthode collaborative
On trouve cette volonté de transmission au cœur du protocole d’analyse collaborative mis en place pour OSIRIS-REx. Pouvez-vous nous en dire plus ?
Guy Libourel : Plusieurs laboratoires sont chargés de cette caractérisation initiale. L’idée était de les connecter quasiment en temps réel pour croiser les infos. On mettra en commun toutes les données récoltées sur un serveur en ligne. Sur les lames minces, chaque échantillon sera divisé en zones cardinales (Est-Ouest-Nord-Sud) avec un carroyage (quadrillage topographique, ndlr). Chaque zone sera identifiée par un code et contiendra toutes les informations acquises par les différents labos qui auront travaillé dessus. L’idée est de cumuler les informations zone par zone afin d’avoir une lecture beaucoup plus statistique sur l’homogénéité, l’hétérogénéité, la minéralogie, la chimie, les signatures isotopiques des échantillons de Bennu. Cette méthode collaborative préfigure probablement ce que feront les chercheurs de demain. C’est du temps gagné et de la détérioration des échantillons en moins.
Les échantillons vont aussi partir à Nancy et Grenoble
Prévovez-vous une collaboration avec d’autres laboratoires français ?
Guy Libourel : Mon équipe et celle du CRHEA vont analyser préférentiellement la minéralogie et la chimie des échantillons de Bennu. Un laboratoire de Nancy (le Centre de recherches pétrographiques et géochimiques, CRPG) va se concentrer sur l’analyse isotopique de ces mêmes échantillons. L’analyse des compositions isotopiques des minéraux apportera des informations complémentaires, car elle permet de distinguer des minéraux qui ont des compositions chimiques et minéralogiques identiques mais qui se sont formés dans des environnements différents.
Les échantillons iront aussi à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) de Grenoble pour une analyse au Synchrotron. Grâce à la puissance des rayons X, nous allons pouvoir analyser l’intérieur de grains sans les casser et obtenir une vue en 3D des éléments chimiques et de leur agencement. Cela va permettre d’avoir des informations non seulement sur la chimie et la minéralogie, mais aussi bon nombre d’éléments lourds de la classification périodique. Tout cet inventaire nous permettra d’écrire l’histoire des processus chimiques à l’œuvre sur Bennu.
Guy Libourel nous a expliqué que la cathodoluminescence est une technique d’analyse inédite pour ce type d’étude dont le CRHEAest un spécialiste en France. En quoi consiste-t-elle ?
Marc Portail : Pour commencer, il faut savoir que le CRHEA n’est pas un laboratoire de cosmochimie. Il s’oriente vers les semiconducteurs, et plus particulièrement l’épitaxie, c’est-à-dire la fabrication de matériaux semiconducteurs en couches fines sur un substrat. Nos travaux se destinent aux applications industrielles, pour la microélectronique à base de nitrure de gallium, utilisée notamment pour la fabrication de composants de puissance, les diodes électroluminescentes, les capteurs de rayonnements, etc.
La cathodoluminescence est une technique de premier plan pour caractériser les couches semiconductrices, mais aussi isolantes, et évaluer la qualité du matériau créé. Elle est particulièrement importante au CRHEA pour analyser nos matériaux. Il s’agit d’une technique mise en œuvre dans un microscope électronique qui consiste à produire de la luminescence en excitant la matière avec des électrons très rapides, accélérés au-delà du kilovolt. Lorsque les électrons viennent frapper une surface, il peut se produire une émission de lumière, caractéristique des semi-conducteurs ou des matériaux isolants analysés. L’analyse de cette luminescence permet d’apporter quantité d’informations sur les propriétés optiques et physiques du matériau.
Des approches complémentaires
Mais en quoi cette technique dédiée aux semiconducteurs est-elle novatrice pour l’analyse des échantillons de Bennu ?
Marc Portail : C’est une technique à la fois de microscopie et de spectroscopie qui peut remonter une information très riche sur les propriétés optiques et physiques du matériau. On peut faire de la cartographie de luminescence et la coupler avec une analyse spectroscopique locale. Cela permet de voir à l’échelle micrométrique sub-micrométrique qui émet quoi afin de savoir ce qui produit cette luminescence : un défaut, un dopant, une impureté… Cette approche couplant morphologie et spectroscopie est inédite pour les cosmochimistes. Nos deux approches sont très complémentaires.
Guy Libourel nous a contactés en 2015. Il voulait comprendre ce que notre système permettait de voir sur les minéraux des météorites primitives. Nous utilisons un microscope électronique à effet de champ qui apporte une résolution très élevée. Sur les minéraux, nous descendons à une échelle micrométrique beaucoup plus fine que les outils habituels. Convaincu par les avantages de la cathodoluminescence, Guy Libourel a fait rentrer ce procédé dans le groupe de travail d’OSIRIS-REx.
Les poudres de Bennu conservées dans une atmosphère d’azote
Comment vont se dérouler les analyses au CRHEA ?
Marc Portail : Nous allons commencer par travailler sur les poudres de Bennu. Nous sommes en train de faire des tests et d’établir un protocole pour la réception et la manipulation de ces échantillons. Notre but est de les conserver le plus longtemps possible dans un environnement contrôlé, sous une atmosphère d’azote. Nous allons travailler dans une boite à gant sous azote dans un premier temps pour prélever quelques grains, scotchés ensuite sur un scotch carbone conducteur afin qu’il n’y ait pas d’effet de charge durant les analyses dans le microscope électronique, dans lequel ils seront sous vide. La présence de matière carbonée (carbonates) confirmée par les premières analyses, nous rend confiant dans le fait que la matière récoltée sur Bennu pourra être analysée par cathodoluminescence.
Les premières analyses de la Nasa ont révélé une teneur élevée en carbone et en eau dans les minéraux ainsi que la présence de sulfure et d’oxyde de fer. Bennu peut-il être l’un des précurseurs de la vie sur Terre ?
Guy Libourel : Du point de vue des éléments chimiques tels que le silicium, l’aluminium, le calcium, l’oxygène, et le fer, la composition de Bennu ne correspond pas à celle de la Terre et donc ne peut l’avoir formée. Cependant on peut en discuter pour l’eau et la matière organique.
La question à laquelle nous cherchons à répondre est : est-ce que des corps comme Bennu ont pu être il y a très longtemps ceux qui, impactant la Terre, ont apporté l’eau, les acides aminés ou les macromolécules qui ont servi à fabriquer la vie sur Terre ? Nous savons que les chondrites carbonées, avec leur composantes organiques et riches en eau, peuvent être les progéniteurs de l’eau ou de la vie sur Terre. D’où cet intérêt pour des corps comme Bennu et le message dont ils sont porteurs. L’enjeu pour nous sera d’établir la signature isotopique de Bennu, afin de déterminer si elle correspond ou pas à ce que l’on connaît de nos météorites carbonées.
Un voyage dans l’espace et le temps
Jusqu’où pensez-vous pouvoir remonter dans l’histoire de la formation de Bennu ?
Guy Libourel : La forme actuelle de Bennu, ce chaos de blocs, est relativement « récente » par rapport à la formation du corps parent. Nos analyses vont permettre de savoir quand est-ce que la première roche, le corps parent de Bennu, s’est formée et dans quelles conditions. Lors de son déplacement dans le système solaire selon la balistique céleste, l’astéroïde a fait des rencontres (collisions). Il a pu être cassé, mélangé avec d’autre corps et ainsi de suite à plusieurs reprises. Ce que nous voyons de Bennu aujourd’hui, c’est le résultat de cette histoire très complexe. La vision intime de la matière que vont permettre nos analyses va nous donner les stades les plus anciens, les plus primitifs. Est-ce que ce sera le T0, le moment où le système solaire s’est formé ? Sûrement pas. Mais nous aurons accès à des stades très primordiaux.
« Une aventure scientifique incroyable »
Chacun, à vos niveaux respectifs, comment percevez-vous votre mission ?
Guy Libourel : Être une cheville ouvrière parmi d’autres, mais avec une spécificité. Chacun a des techniques analytiques ou des approches scientifiques particulières. Pour nous ici à Nice, c’est la cathodoluminescence. Nous voulons montrer que la séparation entre la cosmochimie, l’astrophysique et les sciences des matériaux est artificielle. La science peut se nourrir de l’interdisciplinarité si celle-ci est bien menée. Cela donne lieu à des discussions très riches et, dans le cas présent, à une aventure scientifique incroyable.
Marc Portail : La cathodoluminescence est une approche originale non exploitée par le passé. Cela permet de mettre en doute certains modèles, d’apporter de nouveaux éléments. Elle est très complémentaire de toutes les autres techniques mises en œuvre. Osiris-REx est un superbe exemple de pluridisciplinarité.
Situé au cœur de Sophia Antipolis (Alpes Maritimes), la Silicon Valley française, le laboratoire du CRHEA (Centre de Recherches sur l’HétéroEpitaxie et ses Applications) est le dépositaire d’un trésor scientifique : 100 milligrammes de poudres et cailloutis provenant de l’astéroïde Bennu.
Ces échantillons ont été rapportés sur Terre par la sonde Osiris-REx de la Nasa le 24 septembre 2023. Le CRHEA collabore avec l’Observatoire de la Côte d’Azur à Nice qui fait partie des huit laboratoires à travers le monde désignés pour conduire les premières analyses.
Les secrets chimiques de l’astéroïde Bennu
Le mois dernier, Science et Vie vous a proposé un entretien passionnant avec Guy Libourel, cosmochimiste, professeur au laboratoire Lagrange de l’Observatoire de la Côte d’Azur et Marc Portail, ingénieur de recherche au CRHEA. Tous deux sont co-investigateurs de la mission OSIRIS-REx.
A l’époque, les deux scientifiques se préparaient à recevoir les échantillons de Bennu pour les examiner avec une technique de pointe : la cathodoluminescence. Réalisée avec un microscope à balayage électronique qui bombarde sa cible d’électrons, elle permet de réaliser une caractérisation chimique et structurale très pointue des minéraux présents au cœur des minuscules fragments de l’astéroïde Bennu.
Des « petits cailloux » pour l’histoire !
Quelques semaines plus tard, nous retrouvons Guy Libourel et Marc Portail. Ils nous ont ouvert les portes de leur laboratoire au CRHEA. Avec Vincent Guigoz, chercheur post doctorant spécialisé en science des matériaux et microscopie électronique, ils ont entamé un long travail de caractérisation de ces échantillons.
Nous avons pu suivre pas à pas cette incroyable plongée au cœur de la matière cosmique. Les « petits cailloux » que vous allez découvrir appartiennent à l’histoire primitive de notre système solaire, qui a débuté il y a 4,6 milliards d’années.
Tout commence dans une cloche de verre
Du moment où la sonde OSIRIS-REx a touché la surface de l’astéroïde Bennu pour en prélever un peu de matière jusqu’à l’arrivée des échantillons sur Terre et leur distribution aux chercheurs, des conditions strictes ont été observées pour maintenir la primitivité de ce véritable trésor scientifique.
Les 100 milligrammes d’échantillons confiés à l’équipe de Guy Libourel et Marc Portail ont été envoyés par la Nasa dans un conteneur sous atmosphère d’azote. Le CRHEA le conserve dans un dessiccateur qui est une cloche en verre sous vide. Les prélèvements sont effectués dans une boîte à gants sous atmosphère d’azote. « La lame mère reste en permanence sous azote et le conteneur lui-même est stocké sous vide. C’est une double sécurité », explique Marc Portail.
« Cet objet a été échantillonné à 308 millions de kilomètres de la Terre. La sonde OSIRIS-REx a parcouru sept milliards de kilomètres pour ramener ces prélèvements », s’enthousiasme Guy Libourel, qui dit sa fierté de participer à cette mission hors du commun. « Il faut savoir que ces grains infimes que nous avons sous les yeux sont arrivés jusqu’à nous grâce au travail de 1 000 personnes qui œuvrent sur OSIRIS-REx depuis plus de 20 ans », tient-il à souligner.
Direction la salle blanche du CRHEA pour la première étape de l’analyse. Il s’agit d’une zone du laboratoire dont l’atmosphère est contrôlée avec « un système de filtration et une densité de poussière par centimètre cube relativement faible, de l’ordre de 10 000 particules par cm3 », explique Marc Portail. Pour y accéder, nous devons revêtir une combinaison intégrale, des surchaussures ainsi que des gants afin d’éviter toute contamination extérieure.
C’est là que débute le travail de préparation et d’analyse. Vincent Guigoz nous montre un prélèvement qu’il est allé chercher dans la capsule envoyée par la Nasa. Premier contact visuel et émotion de découvrir ces objets rarissimes. Les fragments minuscules sont placés sur une lame en verre puis glissés sous le microscope binoculaire.
Ce qui, à l’œil nu, s’apparente à une poussière noirâtre assez quelconque prend alors une tout autre dimension. Sur l’écran de contrôle, ces morceaux infimes de Bennu apparaissent tels des cailloux gros comme le poing. Pourtant, les plus grands ne mesurent pas plus de deux millimètres ! « Pour nous, un millimètre c’est énorme, car nous avons une résolution inférieure au micron », nous glisse Guy Libourel.
Ausculté au microscope, l’un des grains à l’aspect sombre et uniforme se révèle bien plus complexe (photo ci-dessous). On y voit des zones de réflexion qui témoignent de la présence de sulfures ou d’oxydes, nous explique Guy Libourel. « Tout ce qui est noir correspond à la partie silicatée riche en matière organique carbone qui lui donne cette couleurassez particulière », poursuit le cosmochimiste.
Un minéral à la teinte blanche attire notre attention. « Il peut s’agir de quartz, de feldspath, de mica. Là, ce n’est vraisemblablement aucun des minéraux que je viens de citer. Il y a plus de chance que ce soient des carbonates. La vérification se fera au microscope », nous répond Guy Libourel.
Mais l’heure n’est pas encore à l’interprétation. Débute alors un travail de tri particulièrement minutieux. Sur les indications de Guy Libourel, Vincent Guigoz isole des grains « intéressants » à l’aide d’un pinceau ultra fin. Ils sont numérisés puis mesurés un par un. Le plus grand caillou ne mesure pas plus de 1,5 millimètre. Le chercheur va ensuite délicatement prélever puis déposer chaque grain sur un plot revêtu d’un adhésif carbone spécial. Défense de trembler ou de faire le moindre geste brusque !
Lors de cette session, l’objectif était de réunir plusieurs grains de dimensions proches afin de pouvoir ensuite les polir de façon égale en conservant l’intégralité du prélèvement. Mission accomplie, avec neuf grains alignés sur ce plot. L’échantillon est désormais prêt pour une première observation au microscope électronique afin de déterminer les objets susceptibles de produire une réaction lors de la cathodoluminescence.
Puis, il va partir au polissage. Il s’agit d’une étape cruciale pour la qualité de l’analyse par cathodoluminescence. « Le Crhea travaille sur des objets minuscules et possède un savoir-faire spécifique, avec des tables à polir prévues à cet effet. On utilise des feuilles diamantées de granulométries différentes. On commence à polir à 15 microns, puis à 9 microns, 6 microns, 3 microns, etc. », détaille Guy Libourel.
« Pendant le polissage, nous contrôlons l’état des grains au microscope optique pour voir à quelle profondeur nous sommes entrés et s’il est intéressant ou non de poursuivre le polissage pour avoir un peu plus de surface d’analyse », ajoute Vincent Guigoz. Un polissage complet nécessite 48 heures d’un travail de haute précision.
Cette étape achevée, les grains subissent une métallisation, afin de devenir conducteurs et éviter les effets de charge pour permettre l’imagerie sous faisceau d’électrons et par cathodoluminescence. « On va déposer une couche de carbone autour de la particule pour conduire les électrons et pouvoir faire des images », explique Vincent Guigoz. Ce traitement dure deux à trois minutes.
L’analyse par cathodoluminescence
Nous rejoignons la salle où se trouve le microscope à balayage électronique avec lequel les chercheurs vont réaliser une série d’analyses avant de terminer par la fameuse cathodoluminescence. Il s’agit d’un équipement très imposant qui ne ressemble pas du tout aux microscopes que nous connaissons.
La première partie du travail consiste à obtenir une information sur la minéralogie et la chimie de chaque grain, grâce à une technique de rétrodiffusion des électrons. « Les électrons interagissent et rebondissent sur la matière et livrent une information chimique», commente Guy Libourel, tout en observant l’image qui vient d’apparaître à l’écran. Elle révèle une topographie avec la répartition des éléments lourds comme le fer, le sodium, le magnésium et les éléments légers comme le carbone.
La résolution très élevée du microscope à balayage électronique produit un niveau de détail époustouflant. A l’image, on a l’impression d’observer au plus près un astéroïde dans ses moindres anfractuosités alors qu’il s’agit d’un grain de moins de 2 millimètres ! Des formes géométriques se détachent, des reliefs dessinent des canyons, des textures, des teintes brossent un portrait complexe de l’intimité de cette matière. « On voit des grains qui sont à un dixième de micron, peut-être même un centième pour les plus petits », nous explique Guy Libourel.
Il est à la fois émouvant et incroyable de réaliser que de cette plongée dans l’infiniment petit, au cœur de la matière, l’équipe va extraire des informations qui vont nous parler des débuts du système solaire et de la formation des planètes, dont la nôtre ! « Dans ces minéraux, nous allons faire le tri entre ceux qui se sont formés à un moment donné, ceux qui sont antérieurs et ceux qui sont postérieurs. Ces grains renferment plusieurs histoires », poursuit le cosmochimiste.
Nouveau zoom sur une portion du grain. Soudain, apparaît une zone composée d’étranges « boules à facettes » agglutinées telles une grappe de raisin. « Il s’agit de framboids », réagit Guy Libourel. « C’est assez typique. Ce sont des magnétites, de petits oxydes de fer ».
L’analyse se poursuit en pointant le microscope sur l’un de ces framboids dont les chercheurs veulent quantifier la composition chimique. Le microscope émet des photons dans ce qu’il est en train de balayer pour réaliser une analyse spectrale. « Cela permet de totalement discriminer les composants chimiques qui se trouvent sur une phase minérale donnée », précise Marc Portail.
A l’image, on découvre un histogramme dont chaque pic correspond à un élément chimique qui réagit de façon précise et spécifique aux photons. Nous sommes en présence d’oxyde de fer, analyse Guy Libourel. Changement de grain et c’est une autre composition qui se révèle, faite d’aluminium, de magnésium et de soufre.
Ce sont toutes ces informations minéralogiques et chimiques qui vont nourrir le travail d’interprétation des chercheurs pour les prochains mois et années. Ils vont tenter de percer les secrets de l’origine de Bennu et par là même le rôle que cet astéroïde et ses congénères ont joué dans l’histoire du système solaire.
« Notre métier consiste à faire parler cette composition pour remonter aux conditions de formation », confirme Guy Libourel. « On a des objets très primitifs, qui contiennent de la matière organique ou des phases hydratées qui pourraient être les progéniteurs ou les porteurs d’eau et de macromolécules sur Terre », ajoute-t-il.
Un bombardement d’électrons
Vient enfin l’étape de la cathodoluminescence. Marc Portail intervient sur le microscope pour retirer le détecteur de chimie et le remplacer par le détecteur de cathodoluminescence positionné au-dessus de l’échantillon. Ce dernier va être bombardé avec un faisceau d’électrons très rapides qui, au contact de la surface, produisent une émission de lumière.
Celle-ci est enregistrée par un photomultiplicateur et une caméra CCD. Les chercheurs obtiennent alors deux images : une image de microscopie électronique qui met en évidence les propriétés physiques du matériau ; une image de luminescence formée des photons qui révèle les propriétés optiques.
« L’image de luminescence se forme uniquement avec des photons de basse énergie », annonce le chercheur du CRHEA. « Certains des minéraux que nous venons d’analyser ne vont pas réagir. Par exemple, les oxydes framboids que nous avons vus ne sont pas luminescents. En revanche, certains silicates devraient être bien luminescents », prédit notre interlocuteur.
« L’originalité de notre apport à la mission OSIRIS-REx, c’est de documenter la cathodoluminescence de ces objets », complète Guy Libourel. « On peut faire soit des cartes soit acquérir un spectre électromagnétique dans le visible, entre 200 et 800 nanomètres, des ultraviolets jusqu’à l’infrarouge ». Le gros atout de la cathodoluminescence est sa capacité à « voir » des variations très faibles de concentration d’éléments chimiques sur une très petite échelle.
Très haute sensibilité à de faibles variations
Grâce à cette technique que maîtrise le CRHEA, il est possible de suivre très finement l’évolution d’un élément dans son environnement et d’en déduire les phases par lesquelles il est passé. « Ces petites variations vont nous donner une information sur l’histoire de la cristallisation, la manière dont un grain a cru. C’est quelque chose que les autres techniques ne peuvent pas faire », argumente Guy Libourel.
C’est ainsi que les chercheurs espèrent remonter à la formation de l’astéroïde pour trouver ce que Guy Libourel appelle le « progéniteur de Bennu ». Ce corps est-il advenu au moment de la formation du système solaire ou quelques millions d’années plus tard ? Telle est l’une des nombreuses questions auxquelles OSIRIS-REX veut répondre.
La France peut être fière de sa Recherche
« Chaque grain peut à lui seul faire l’objet de plusieurs jours d’analyse afin d’en caractériser toutes les phases minérales qu’il renferme. Nous sommes en présence d’une quantité de matière vraiment très riche », précise Marc Portail.
Guy Libourel tient à souligner l’importance du travail d’équipe accompli ici au CRHEA ainsi que « l’interactivité » avec ses collègues astrophysiciens. « Le cosmochimiste travaille sur les météorites. Mais d’où viennent ces astéroïdes qui ont une histoire céleste ? Il est intéressant de confronter ces deux histoires, à la petite et à la grande échelle. »
Notre visite touche à sa fin. Nous repartons impressionnés par ces hommes de science qui apportent leur contribution à la quête de nos origines avec une abnégation qui force le respect.
La cathodoluminescence est une technique de premier plan pour caractériser les couches semiconductrices, mais aussi isolantes, et évaluer la qualité du matériau créé. Elle est particulièrement importante au CRHEA pour analyser nos matériaux. Il s’agit d’une technique mise en œuvre dans un microscope électronique qui consiste à produire de la luminescence en excitant la matière avec des électrons très rapides, accélérés au-delà du kilovolt. Lorsque les électrons viennent frapper une surface, il peut se produire une émission de lumière, caractéristique des semi-conducteurs ou des matériaux isolants analysés. L’analyse de cette luminescence permet d’apporter quantité d’informations sur les propriétés optiques et physiques du matériau.
