FRAME : « Réfractomètres à fibre pour la détection in situ du méthane aquatique »

(Oct.2021-Sept.2025)

Contact : Jean-René Poirier

En réponse au besoin critique de mieux connaitre le cycle du CH4, 2ème gaz à effet de serre (GES) après le CO2, dans les milieux aquatiques, FRAME vise à développer un capteur réfractométrique fibré innovant intégrant deux technologies à base de fibres multimode et à cristaux photoniques. Une résolution de 5 nmol/L de CH4 dissous sur une plage de 10 nmol/L à 100 µmol/L avec une réponse relativement rapide de moins de 2 minutes dans l’environnement naturel est envisagée en exploitant la performance combinée des capteurs MMF et PCF, conçus avec l’aide de l’IA et de méthodes numériques accélératrices innovantes.

Le capteur proposé fonctionnera sur 3 zones d’indice de réfraction (RI) spécifiques grâce à trois mécanismes optiques: (1) Zone 1: ondes évanescentes (EWs), pour détecter la limite inférieure extrême de CH4, (2) Zone 2: EWs combinées à la perte des modes, pour les traces de CH4 allant de sub-nmol/L à 2000 nmol/L, et (3) Zone 3: réflexion totale interne ou de Fresnel externe (TIR externe), pour une concentration supérieure à 2000 nmol/L. Pour détecter sélectivement le CH4, les fibres de détection incorporeront des films sensibilisés au cryptophane dont le RI global varie proportionnellement avec la concentration de CH4, entrainant ainsi une variation de la puissance optique. Une nouvelle microstructure de PCF sera spécifiquement conçue grâce aux outils numériques aidés par IA pour améliorer le TIR externe afin d’étendre la gamme de la Zone 3 jusqu’à 100 µmol/L, tout en maintenant une résolution de 5 nmol/L. Une configuration différentielle, couplée à une détection synchrone, sera mise en œuvre afin de réduire les bruits de mode commun provenant des variations de (1) puissance optique, (2) température et pression, et (3) des vibrations mécaniques (<5 nmol/L de plancher de bruit) et donc d’améliorer le rapport signal/bruit et la sensibilité ainsi que d’augmenter significativement leur réponse, répétabilité et stabilité. Dans le capteur à PCF, une microstructure innovante à double cœur sera aussi conçue pour obtenir une détection différentielle intrinsèque.

Une autre nouveauté majeure est l’interchangeabilité de la sonde du capteur qui sera conçue pour être facilement remplaçable afin d’anticiper l’usure et les dommages aux fibres de détection, et pour assurer le reset du capteur (e.g. pendant la maintenance). Il comprendra également un système anti-biofouling UV pour irradier et décomposer périodiquement les dépôts bio-organiques accumulées sur la surface du film sensibilisé.

Ce projet pourrait contribuer aux efforts de détection et de surveillance du CH4, l’un des principaux GES, dans le cadre des stratégies environnementales nationales et du 13ème Sustainable Development Goal de l’ONU. Les résultats envisagés (niveau TRL4-5) devraient être transférables à l’industrie tout en profitant aux Partenaires du projet (recherche transdisciplinaire de pointe sur le développement de capteurs environnementaux).

Enfin, sans aucune perte de généralité, la nature polyvalente du capteur proposé dans FRAME peut également ouvrir des voies futures pour détecter d’autres espèces de gaz mais aussi des molécules complexes présentes à faible concentration dans l’eau et reconnues comme polluant aquatiques (eaux usées, molécule endocrinienne pesticides, etc) en ayant recours aux techniques de polymères à empreintes moléculaires. Identifier, observer et localiser ces entités toxiques peuvent donc avoir un fort impact pour assurer l’accès sécurisé à de l’eau saine dans un contexte plus large de développement durable.

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