Vers une analyse de la pollution atmosphérique plus abordable

Satoshi Takahama et Nikunj Dudani, deux chercheurs du Laboratoire des processus atmosphériques et de leurs impacts (LAPI) de l'EPFL, ont mis au point un système innovant qui pourrait remplacer l'ensemble des instruments habituellement utilisés pour mesurer la qualité de l'air par un seul appareil suffisamment petit pour tenir dans un bagage à main.

Innosuisse vient de leur octroyer une bourse de 250 000 CHF pour soutenir le fort potentiel commercial de leur invention. Ces fonds leur permettront de mettre au point un prototype viable de la technologie et de créer une startup pour déployer leur appareil à grande échelle, y compris dans les pays en développement. Leur projet a également reçu les encouragements des représentants du réseau de la qualité de l'air aux États-Unis et en Europe (ACTRIS).

Atteindre un objectif ambitieux

Les scientifiques spécialisés dans la qualité de l'air utilisent actuellement de nombreux instruments pour mesurer la composition des particules fines. Toutefois, de nombreux types de composés restent insaisissables pour plusieurs méthodes d’analyse. Avec le dispositif proposé, les scientifiques disposeront d'un seul instrument pour mesurer et analyser automatiquement non seulement la composition des particules, mais aussi d'autres propriétés utiles, et qui permettra de transmettre les données en toute simplicité.

La méthode proposée par les chercheurs de l’EPFL consiste à projeter de la lumière sur les particules pour mesurer leurs propriétés optiques, révélant ainsi des informations importantes sur leur composition, leur origine et d'autres caractéristiques. Le nouveau système offre une plus grande portabilité et une plus grande robustesse, car il ne nécessite pas de pompes encombrantes. Leur projet se base sur la spectroscopie infrarouge (IR) pour identifier les différents composés présents dans les particules fines, et ce pour une fraction du coût des instruments actuels. Son faible coût est comparable à celui du fonctionnement des installations de surveillance de l'air, mais sans ses inconvénients.

Le prototype que les chercheurs comptent perfectionner ces prochains mois. © Alain Herzog / EPFL

La spectroscopie IR est déjà largement utilisée dans les études pharmaceutiques, l'analyse de la qualité des aliments et l'industrie du bâtiment. «Comme notre méthode analyse la composition des particules en ligne, il n'est pas nécessaire de stocker et d'expédier des filtres – ce qui peut entraîner des erreurs de mesure», explique Satoshi Takahama, le chercheur à la tête du projet. «La spectroscopie IR permet également d'analyser les particules de manière non destructive, sans nécessiter d'étapes supplémentaires de transformation des échantillons.» Athanasios Nenes, professeur à l'EPFL et directeur du LAPI, ajoute: «Le nouveau système est conçu pour permettre aux ingénieurs d’identifier la composition des particules de manière non destructive et rentable. C'est un objectif ambitieux, et pour la première fois, il est désormais à portée de main.»

Analyse des données incorporées

Le nouveau système comprendra un logiciel d'analyse des données afin d'offrir aux clients une solution clé en main. «Nous voulions standardiser et automatiser l'étape d'analyse des données, car les instruments existants nécessitent un grand savoir-faire spécialisé pour être utilisés correctement», explique Dudani, ancien étudiant en doctorat de Takahama. «L'objectif est d'utiliser ce dispositif compact dans les expériences de laboratoire, les mesures sur le terrain, les systèmes de surveillance gouvernementaux et non gouvernementaux, les usines de fabrication et de nombreux autres environnements intérieurs et extérieurs. Il pourrait être installé à côté des systèmes de ventilation des bâtiments, par exemple, ou acheté par les fabricants dont les activités génèrent de grandes quantités de particules fines.

Les scientifiques du LAPI voient un potentiel considérable pour leur appareil et sont impatients de le mettre en œuvre dans des applications concrètes : «Les ingénieurs en charge de la qualité de l'air étudient les utilisations de la spectroscopie infrarouge depuis les années 1950. Nous sommes fiers de disposer enfin des bonnes personnes, de la bonne approche et du bon financement pour concrétiser notre idée», déclare M. Takahama, qui travaille sur ce concept depuis près de dix ans à l'EPFL.

Les nombreuses origines des particules fines

En Suisse, environ 40% de la population est exposée à des niveaux excessifs de particules fines. Une grande partie de ces particules est générée par l'oxydation de composés émis par les activités humaines et la biosphère. Dans les villes, les particules sont émises par les moteurs diesel, les appareils de chauffage au bois et les foyers ouverts. Parmi les autres sources se trouvent les freins des voitures, les pneus et le revêtement des routes lorsqu'ils sont usés, ainsi que la poussière soulevée par les carrières, les gravières et les chantiers de construction. Lorsque nous respirons ces particules, les plus fines peuvent pénétrer profondément dans nos poumons et induire un stress oxydatif dans tout l'organisme, entraînant à terme des maladies cardiovasculaires, des accidents vasculaires cérébraux et d'autres effets néfastes sur la santé. L'exposition à la pollution atmosphérique et aux particules fines est responsable de plus de 3700 décès prématurés en Suisse chaque année, selon un rapport 2020 publié par l'Office fédéral de l'environnement.