La lumière est un formidable messager pour celui qui sait la faire parler. Il suffit de la faire interagir avec la matière pour qu’elle se manifeste et qu’elle nous raconte son histoire. Sans cela, elle reste invisible. Le LATMOS s’emploie depuis plusieurs décennies à exploiter et déchiffrer les secrets que la lumière nous véhicule, afin de :
– comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant les atmosphères planétaires ;
– étudier la formation des planètes et des petits corps du système solaire ;
– analyser la physique de l’héliosphère.
Laboratoire à très forte composante instrumentale, le LATMOS a fait de l’instrumentation optique l’un de ses cœurs de métier. Afin de répondre aux différents besoins scientifiques, le laboratoire développe, conçoit et réalise des instruments optiques déployés soit depuis le sol, soit depuis des ballons, des avions ou des satellites.
Intégré au département technique du laboratoire, le service optique compte aujourd’hui cinq ingénieurs opticiens et instrumentalistes aux compétences complémentaires et dispose d’un ensemble conséquent de moyens de mesures et d’étalonnages dédiés à la spectrométrie, l’interférométrie et l’instrumentation lidar.
« Le savoir est la seule matière qui s’accroît quand on la partage. »
Socrate
Pour mener à bien ces missions, le service optique dispose d’un savoir-faire qui couvre un large panel de compétences :
Grâce à une équipe d’ingénieurs hautement qualifiés dans le calcul et la conception optique, le service optique du LATMOS est capable de fournir les meilleures solutions aux projets les plus ambitieux. Grâce à des outils logiciels adaptés comme Zemax™ (dimensionnement et tolérancement optique) et Matlab (simulations physiques, calculs de performances), les ingénieurs conçoivent des systèmes optiques adaptés aux différents besoins scientifiques.
En fonction de l’environnement dans lequel le système optique sera utilisé (satellite, avion, station sol), et des performances attendues, les ingénieurs du service optique rédigent le cahier des charges optomécanique afin de fournir au bureau d’étude mécanique les spécifications d’ensemble et de sous-ensembles en terme de :
Les ingénieurs réalisent également la mise en plan des éléments optiques (lentilles, miroirs) suivant la norme 10 110 et travaillent avec le logiciel CATIA V5 pour la conception des pièces mécaniques de maintien.
La mission du service optique est de répondre aux besoins scientifiques émergents du laboratoire par la conception, la réalisation, l’intégration et la qualification de systèmes optiques innovants. Le service optique assure également le suivi et la mise à jour des instruments déployés sur plusieurs sites géophysiques à travers le monde, afin de garantir leur fonctionnement quasi quotidien.
La préparation des futurs projets s’accompagne presque systématiquement d’une recherche prospective permettant de réaliser des avancées technologiques ou d’améliorer la maturité des technologies existantes. Porté par cette volonté d’innovation, le service optique s’implique dans les activités de « Recherche et Technologie » proposées par le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) ainsi que lors des appels à projet de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR).
En complément des différents projets spatiaux et sols sur lesquels il est impliqué, le service optique assure une veille technologique active en ce qui concerne les nouvelles techniques et les composants optoélectroniques les plus récents disponibles sur le marché. Cette veille technologique s’alimente grâce à une très bonne connaissance du tissu industriel des fournisseurs et des fabricants de composants optoélectroniques, ainsi que par un état de l’art régulier de l’environnement scientifique et technique.
Soucieux d’assurer la pérennité des actions et du capital-mémoire pour pallier la perte du savoir acquis, le service optique accorde une grande place à la transmission de son héritage technique et à la pérennisation du savoir faire.
Les ingénieurs du service optique sont en mesure d’intégrer des systèmes optomécaniques complexes destinés à des applications terrestres ou spatiales. Grâce aux installations de la Plateforme Intégration et Tests (PIT) de l’OVSQ, disponibles sur site, les équipes disposent notamment de 150 m2 de salles blanches (ISO 5 et ISO 7) elles-mêmes équipées des derniers équipements de pointe en termes de contrôles et de mesures tridimensionnels, bancs optiques et stockage de composants. Les phases d’étalonnages et de validation des performances sont des étapes fondamentales lors de la réalisation d’un instrument optique. Les étalonnages permettent d’évaluer la réponse de l’instrument en termes de fonction de transfert ; ils apportent une signification physique aux mesures fournies par celui-ci et valident les performances prédites par la modélisation.
Spécialiste entre autre de la spectrométrie UV, les ingénieurs du LATMOS travaillent aux limites du spectre ultra-violet, à des longueurs d’ondes pouvant atteindre 30 nm ! Or, pour les longueurs d’ondes inférieures à 200 nm (cf. classification du spectre électromagnétique), l’atmosphère n’est plus assez transparent pour que la lumière se propage. Les ingénieurs doivent alors placer leurs expériences dans des enceintes sous vide, à des pressions de quelques 10-6 mbar.
Pour satisfaire à ses besoins, le LATMOS a développé des moyens instrumentaux permettant d’effectuer des mesures optiques, sous vide, dans la gamme spectrale : 30 nm – 200 nm. L’ensemble du dispositif, placé en espace propre (iso7), permet de réaliser les étalonnages spectraux et radiométriques des instruments ainsi que de caractériser la réflectivité et la transmission de composants optiques (miroirs, réseaux de diffraction filtres, fenêtres).Cet équipement a permis notamment la qualification du modèle de vol de l’instrument PHEBUS embarqué sur la mission spatiale ESA-BepiColombo, ainsi que la caractérisation en réflectivité de matériaux et traitements optiques tels que le silicium, l’aluminium, le carbure de silicium, le platine, etc.
Le LATMOS regroupe 6 filières technologiques dont la filière hyperfréquences pouvant être également nommée filière micro-ondes.
Les objectifs de cette filière sont la documentation des milieux atmosphériques (nuages, précipitations, vapeur d’eau, turbulences, brouillard…) des surfaces continentales (rugosité, humidité) et océaniques (vent, vagues, …), des sous-sols peu profonds, et des interactions entre ces milieux, de l’échelle microscopique à l’échelle régionale.
L’équipe impliquée regroupe des chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs et techniciens. Elle conçoit et développe des instruments de télédétection (radars polarimétriques et Doppler) et les met en œuvre à travers des campagnes dédiées (sol, aéroporté, spatial).
Les principales thématiques scientifiques du LATMOS relatives aux hyperfréquences sont :
La filière technologique Hyperférquences regroupe des personnels des équipes scientifiques SPACE et IMPEC et des départements techniques ELECTRONIQUE, MECATOP et INFOPROJ.
Contacts : Valérie CIARLETTI, Julien DELANOË, Christophe LE GAC
Le LATMOS s’est équipé des outils nécessaires pour remplir ses missions à la fois en amont des projets (outils d’aide à la conception, simulation) et pour pouvoir valider et tester ses développements électroniques aussi bien analogiques que numériques.
| Instrument de mesure | Référence | Fréquences | Option |
|---|---|---|---|
| Analyseurs de spectre | Rhode&Schwarz FSU | 26.5 GHz | 18 dBm - générateur poursuite 40 GHz |
| Analyseurs de spectre | HP E4407B | 26.5 GHz | générateur poursuite 3 GHz |
| Analyseurs de spectre | HP 8561B | 6.5 GHz | |
| Analyseurs de réseau | HP | 1.6 GHz | (vectoriel) |
| Analyseurs de réseau | Rhode&Schwarz ZVL6 | 6 GHz | (vectoriel) |
| Synthétiseurs de fréquence | Rhode&Schwarz SWM05 | 18 GHz | |
| Synthétiseurs de fréquence | Rhode&Schwarz SMF 100A | 22 GHz | 17 dBm |
| Synthétiseurs de fréquence | Agilent E8257D | 20 GHz |
| Instrument de mesure | Référence | Fréquences | Option |
|---|---|---|---|
| Analyseurs de spectre | Rhode&Schwarz FSU | 26.5 GHz | 18 dBm - générateur poursuite 40 GHz |
| Analyseurs de spectre | HP E4407B | 26.5 GHz | générateur poursuite 3 GHz |
| Analyseurs de spectre | HP 8561B | 6.5 GHz | |
| Analyseurs de réseau | HP | 1.6 GHz | (vectoriel) |
| Analyseurs de réseau | Rhode&Schwarz ZVL6 | 6 GHz | (vectoriel) |
| Synthétiseurs de fréquence | Rhode&Schwarz SWM05 | 18 GHz | |
| Synthétiseurs de fréquence | Rhode&Schwarz SMF 100A | 22 GHz | 17 dBm |
| Synthétiseurs de fréquence | Agilent E8257D | 20 GHz |
Le LATMOS développe des instruments de télédétection active reposant sur des technologies innovantes.
Ces instruments servent à la réalisation d’études sur les milieux atmosphériques, les surfaces continentales et océaniques et les sous-sols peu profonds. Ils permettent également de valider des missions spatiales (en cours ou futures).
Certains instruments du LATMOS sont intégrés sur des plateformes pour pouvoir mettre à profit les synergies avec d’autres instruments.
Des campagnes de mesure terrain permettent de valider le fonctionnement et les performances des instruments développés au LATMOS.
EXAEDRE (ROXI, BASTA) 2018
AMMA
EXAEDRE (ROXI, BASTA) 2018
ICE-GENESIS (ROXI, BASTA) 2021
Megha-Tropiques I (RASTA) 2010
Megha-Tropiques II (RASTA) 2011
HyMex (RASTA) 2014
HAIC (RASTA) 2013 et 2015
EXAEDRE (RASTA) 2018
ICE-GENESIS (RASTA) 2021
Le LATMOS développe des instruments scientifiques, est doté d’équipements de pointe, et possède une expertise scientifique et technique dans le domaine de l’analyse physico-chimique au travers de 3 approches expérimentales principales :
L’objectif des réacteurs expérimentaux est de reproduire et d’étudier en laboratoire la réactivité des hautes atmosphères planétaires. Soumises à des rayonnements solaires intenses dans le lointain ultra-violet (domaine VUV : longueurs d’ondes inférieures à 200 nm) les hautes atmosphères planétaires sont le siège de systèmes réactionnels mal connus et potentiellement responsables de la formation de molécules complexes.
L’équipe étudie principalement l’atmosphère de Titan, satellite de Saturne, pour lequel la mission spatiale Cassini a révélé une chimie intense produisant des aérosols solides à plus de 1000 km d’altitude. Ces aérosols sont de nature organique et constituent des matériaux extraterrestres d’intérêt exobiologique.
Exemples de travaux en cours au LATMOS :
L’équipe Spectrométrie pour le spatial participe à plusieurs développements de spectromètre de masse pour des missions spatiales (instrument CAPS/CASSINI – Saturne, instrument IAP/DEMETER – La Terre, PICAM/Bepi-Colombo – Mercure, ROSINA/ROSETTA – Comète 67P) ou dans le cadre de programme de Recherche et Développement (projet CosmOrbitrap et NIMEIS).
Le développement d’instruments spatialisables impose des contraintes de ressources très fortes. Les conceptions de tel instrument doivent donc limiter le poids, la consommation, le volume et la quantité d’informations produites, tout en préservant des performances de mesure optimales et garantir un fonctionnement dans un environnement radiatif, thermique et mécanique très contraignant.
Exemples de travaux en cours au LATMOS :
La chromatographie en phase gazeuse est utilisée au LATMOS pour étudier la composition chimique d’environnements planétaires ou terrestre, et caractériser des analogues planétaires (naturels ou de synthèse) ou des échantillons de sols prélevés par des sondes spatiales. Le caractère « embarqué » de cette instrumentation, que ce soit à bord de sondes spatiales ou de plateformes de mesures terrestres, fait la spécificité des instruments qui sont développés. Le LATMOS possède une expérience depuis plus de 30 ans dans ce domaine à travers les missions spatiales Cassini-Huygens, Rosetta, Phobos-Grunt, Mars Science Laboratory, ExoMars et Dragonfly.
L’expertise du LATMOS dans le domaine de la chromatographie gazeuse et notamment dans le développement instrumental pour les missions spatiales nous a permis de concevoir et de développer des chromatographes portatifs et miniaturisés tel que l’instrument MAVERIC (Miniaturized Autonomous and VERsatIle gas Chromatograph). Les performances de cet analyseur en termes de répétabilité et de sensibilité permettront son déploiement pour la mesure des concentrations de composés organiques volatils (COV) en air ambiant sur sites industriels, des sites d’observations en zones urbaine, péri-urbaine, rurale et des sites en milieux extrêmes. Le LATMOS est également porteur d’un projet innovant de développement de chromatographe ultra-miniaturisé à base de composants NEMS et MEMS (Nano/Micro Electro Mechanical System).
Dans le cadre de ces projets, le LATMOS est en collaboration avec des partenaire académiques et des sociétés françaises (APIX Analytics, ESIEE Paris) et européennes (GL Sciences) pour le développement des composants clés de tels instruments : systèmes d’injection de gaz et de liquide, système de séparation à base de colonne chromatographique et système de détection.
Parmi les travaux de développement de chromatographes en phase gazeuse au LATMOS, nous citons :
La plateforme d’analyse Physico-chimique du laboratoire est dotée d’une instrumentation principalement développée en interne, permettant d’interpréter et de reproduire en laboratoire les mesures recueillies par les missions spatiale qui ont pour vocation l’étude des corps du système solaire dans leur composante solide et gazeuse, telle que l’atmosphère et la structure des corps des planètes telluriques (Mars, Vénus, Titan) et des objets primitifs (comètes et astéroïdes). La chimie complexe observée est reproduite en laboratoire et la matière organique et inorganique est analysée afin de mieux comprendre le processus pouvant mener à l’apparition de la vie et à son évolution (exobiologie). La recherche d’éventuels processus présidant à l’évolution de la matière organique simple vers des structures plus complexes est également investiguée.
L’expertise se base sur la réalisation de dispositifs expérimentaux permettant la production d’aérosols organiques produits dans une enceinte à plasma et leur étude par spectroscopie IR, par spectroscopie de masse des neutres et des ions, par spectroscopie d’émission et par désorption laser (L2DI).De plus, nous avons développé une expertise dans le domaine de l’étude de la photochimie des atmosphères planétaires dans le domaine du VUV d’une part en développant des sources VUV de laboratoire et d’autre part en se couplant sur les lignes VUV d’un synchrotron.
L’expertise se base sur la réalisation de dispositifs expérimentaux permettant la production d’aérosols organiques produits dans une enceinte à plasma et leur étude par spectroscopie IR, par spectroscopie de masse des neutres et des ions, par spectroscopie d’émission et par désorption laser (L2DI).De plus, nous avons développé une expertise dans le domaine de l’étude de la photochimie des atmosphères planétaires dans le domaine du VUV d’une part en développant des sources VUV de laboratoire et d’autre part en se couplant sur les lignes VUV d’un synchrotron.
La spectrométrie de masse des atmosphères terrestre et planétaires développée au LATMOS a pour objectif principal la caractérisation des atmosphères planétaires et terrestre avec des techniques de mesure in situ innovante basée sur des designs électrostatiques originaux et des technologies nouvelles (nano-tubes de carbone).
L’instrumentation liée à ce domaine est basée principalement sur le développement de spectromètres de masse spatiaux et le développement de source d’ionisation innovante.
I. Développements de spectromètre de masse pour des missions spatiales (instrument CAPS/CASSINI – Saturne, instrument IAP/DEMETER – La Terre, PICAM/Bepi-Colombo – Mercure, ROSINA/ROSETTA – Comète 67P) ou dans le cadre de programme de Recherche et Développement (projet CosmOrbitrap et NIMEIS) :
Le développement d’instruments spatialisables impose des contraintes de ressources très fortes. Les conceptions de tel instrument doivent donc limiter le poids, la consommation, le volume et la quantité d’informations produites, tout en préservant des performances de mesure optimales et garantir un fonctionnement dans un environnement radiatif, thermique et mécanique très contraignant. Test d’une optique électrostatique originale compacte (NIMEIS) permettant une optimisation de l’analyse en masse et en énergie du milieu sondé tout en limitant les ressources nécessaires (poids, volume et puissance consommés).
II. Développement de d’ionisation pour la spectrométrie de masse:
un des axes de recherche et développement se concentre sur le développement d’émetteurs d’électrons utilisant des nano-tubes de carbone de basse consommation (moins de la dizaine de mWatt), froid (opérant sans chauffage) et ayant des bonnes performances (en termes de courant d’électrons émis).
En appui à ces recherches expérimentales une activité importante du laboratoire est menée autour de travaux de modélisation et de simulation numériques. Ces travaux permettent de remettre les données acquises dans un contexte global, mais également d’en déduire des informations complémentaires par extrapolation. Ils sont basés sur le développement de codes numériques « informatiques » qui s’appuient sur le formalisme physique et chimique (physique et chimie de l’atmosphère, interactions entre ondes électromagnétiques et milieu naturel, simulation numérique des processus physiques dans les plasmas du système solaire, etc.), ainsi que sur des données d’entrées (analyses in situ, observations, données de laboratoire par exemple).
Les activités de recherche du LATMOS portent sur l’étude des processus physico-chimiques fondamentaux régissant les atmosphères terrestre et planétaires et leurs interfaces avec la surface, l’océan, et le milieu interplanétaire. Dans ce cadre, les observations ont un rôle important pour faire avancer les connaissances. Le laboratoire est fortement impliqué dans la fourniture d’instrumentations scientifiques générant une quantité importante de données. Certaines équipes du LATMOS participent également au traitement et à la distribution de données d’instruments non fournis par le laboratoire mais nécessaires pour les études scientifiques menées au LATMOS.
Ces activités et responsabilités impliquent la prise en charge technique (conception, développement, exploitation, maintenance) d’applications logicielles variées pour l’exploitation des expériences et de leurs données, de codes numériques, ainsi qu’une expertise sur les méthodes mathématiques et statistiques et sur le calcul scientifique intensif afin de concevoir ou d’optimiser des algorithmes de traitement de données d’observation (satellitaires et in-situ) et d’assimilation de ces données dans des modèles.
Certains projets nécessitent une production de données « opérationnelle » qui repose sur l’expertise des ingénieurs du LATMOS en conception des plans d’observation des diverses expériences scientifiques auxquelles participe le laboratoire (instruments au sol ou missions spatiales), récupération des données, exécution des chaînes de traitement des données et validation en temps différé des mesures des expériences, organisation des données et suivi de leur exploitation jusqu’à leur visualisation, archivage et mise à disposition des données vers nos partenaires français ou internationaux (autres laboratoires ou agences spatiales), soit par des sites webs dédiés hébergés dans l’unité, soit par l’intermédiaire de centres d’archivage gérés par les agences spatiales (CNES, ESA, NASA, …) ou d’observatoires virtuels (VOSCAT par exemple).
Le LATMOS a ainsi développé :
une activité et expertise reconnues dans le domaine de l’analyse d’observations de la Terre, des planètes et de l’héliosphère depuis l’espace (implication dans des missions spatiales telles au ENVISAT/GOMOS, ENVISAT/SAR, METOP/IASI, TRMM, CLOUDSAT/CALIPSO, MEGHA-TROPIQUES/MADRAS, SMOS, PICARD, COLOMBUS/SOLSPEC, SOHO/SWAN, MARS EXPRESS/SPICAM, VENUS EXPRESS/SPICAV, MSL/SAM… à venir CFOSAT/SWIM, BEPI-COLOMBO/PHEBUS, EXOMARS/WISDOM…);
une activité fondée sur les réseaux ou systèmes d’observations au sol (réseaux internationaux de mesures, notamment réseau NDACC de surveillance de la composition atmosphérique de la haute atmosphère, projet européen GEOMON);
une participation active aux campagnes internationales de terrain (AMMA, SCOUT-O3, POLARCAT, …) par la mise en oeuvre d’instrumentation au sol et aéroportée;
des études en chambre de simulation des atmosphères planétaires (PAMPRE).
