Les expériences d'exposition d'échantillons de molécules dans l'espace nécessitent de concevoir des cellules d'exposition spécifiques.

 

CELLULES OUVERTES

 

Les cellules ouvertes sont un héritage des expériences d'exposition qui se sont déroulées en orbite terrestre dans les années 1990 et le début des années 2000.

 

Dans une cellule ouverte, la matière organique que nous cherchons à analyser est déposée sur la face intérieure de la fenêtre de la cellule sous forme solide. Cette fenêtre est en MgF2 (fluorure de magnésium), un matériau qui a une bonne transmission dans le domaine UV lointain (transparent pour les UV>115nm) difficile à simuler en laboratoire. Ces rayonnements UV vont photolyser le composé solide et des produits de dégradation volatils peuvent être formés. Ces produits gazeux sont évacués par des systèmes de ventilation vers le vide spatial. Ils ne sont donc pas analysables, mais ils n'interfèrent pas avec le composé étudié non plus. En revanche, nous pouvons réaliser une étude de cinétique de réaction photochimique en connaissant la quantité de composé disparue et le temps d'exposition aux UV solaires.

 

Il existe deux sortes de cellules ouvertes. La première, utilisée pour les projets UVolution et PROCESS, consiste en un cylindre dont une extrémité est ouverte et l'autre est la fenêtre de MgF2 (Figure 1). On vient visser cette cellule sur le support, les produits gazeux peuvent s'échapper vers l'espace. Dans la deuxième génération de cellule, utilisée pour AMINO et PSS, le hublot de MgF2 est autonome. Une fois recouvert du dépôt d'échantillon sur une face, on l'insère directement dans le porte échantillons (Figure 2).

 

Figure 1 : Cellule ouverte composée d'un rebord cylindrique en
aluminium et d'une fenêtre en MgF2 collée sur le cylindre

 

Figure 2 : Schémas de cellule ouverte de dernière génération

 

DEPOT DE L'ECHANTILLON DANS UNE CELLULE OUVERTE

 

Les cellules ouvertes sont préparées dans un réacteur spécialement prévu à cet effet, appelé réacteur de sublimation (Figure 3). On introduit le composé à déposer dans un four placé en face d'une série de hublots de MgF2. En faisant le vide dans le réacteur, le composé se sublime et se redépose dans tout le réacteur, notamment sur le hublot placé juste en face. Un laser couplé à une photodiode permet de mesurer la croissance de l'épaisseur du film organique à la surface de la fenêtre par interférométrie. Une fois l'épaisseur souhaitée atteinte, on peut passer à la préparation d'une autre cellule. Un système de carrousel, relié à une manivelle externe au réacteur permet d'exposer en face du four uniquement la cellule que l'on souhaite préparer. Il est ainsi possible de préparer plusieurs cellules à la suite, sans avoir à casser puis refaire le vide (opération qui peut prendre du temps) et en contrôlant l'épaisseur de tous les films.

 

Figure 3 : Schéma du réacteur de sublimation

 

CELLULES FERMEES

 

Les cellules fermées ont été développées pour répondre spécifiquement aux besoins de nos expériences concernant l'analyse des phases gazeuses et les simulations d'atmosphère. Elles ont fait l'objet d'une phase de développement en partenariat avec la société COMAT Aerospace (Toulouse), puis d'une phase d'optimisation avec la Division des Techniques Avancées de la société Air Liquide (Grenoble). Le financement de ce développement original a été assuré par le CNES.

 

Les cellules fermées peuvent être utilisées pour étudier la photolyse d'un mélange gazeux (simulation d'une atmosphère) ou la photolyse d'une molécule solide en interaction avec une atmosphère simulée (par exemple une molécule à la surface de Mars), ou encore analyser d'éventuels produits gazeux issus de la photodissociation d'une molécule organique solide. Contrairement aux cellules ouvertes, elles ne laissent pas s'échapper les espèces gazeuses. Dans le cas de la simulation d'une atmosphère, on peut ajouter un filtre KBr sous la fenêtre de MgF2, ou la remplacer par du quartz, afin de simuler la transmission du rayonnement UV dans l'atmosphère martienne.

 

Si le concept n'a pas changé, le processus de fabrication a considérablement été modifié depuis leur première utilisation dans UVolution et PROCESS en 2007. La première génération de cellules fermées était composée de deux cylindres d'aluminium (une partie mâle et une partie femelle) qui se vissent l'un dans l'autre (Figure 4). Une fenêtre (MgF2 ou quartz) est collée à chaque extrémité de la cellule, ce qui permet l'analyse des échantillons à l'intérieur de la cellule par spectroscopie. L'étanchéité est assurée par un joint entre les deux parties. Il a été démontré que le niveau de fuite est suffisant pour ne pas perturber des expériences de courte durée comme UVolution (14 jours dans l'espace, et à peu près un mois entre la préparation des échantillons et leur analyse après le retour), mais insuffisant pour assurer des expériences de plus longue durée telles que PROCESS (18 mois) ou AMINO (24 mois). Certaines des cellules fermées utilisées pour l'expérience PROCESS sont revenue sur Terre en étant presque vides.

 

Une nouvelle génération de cellules fermées a été fabriquée pour l'expérience AMINO, par Air Liquide (Grenoble, France). Cette fois, le corps de la cellule est fait en inox, les fenêtres sont brasées, et l'étanchéité entre les deux parties des cellules est assurée par une soudure laser. Les résultats de tests de fuite (<10-10 atm.L.s-1) montrent que cette nouvelle conception est compatible avec les expériences de longue durée en orbite (perte <10% pendant 2 ans dans l'espace).

 

Figure 4 : Schémas des nouvelles cellules fermées

 

REMPLISSAGE DES CELLULES FERMEES

 

 Une cellule de remplissage a été développée spécialement pour ces projets, à la fois pour le remplissage et la réouverture des cellules fermées. Elle est constituée essentiellement de deux parties en inox, à l'intérieur desquelles les deux demi-cellules fermées (mâle et femelle) sont montées séparément. Les deux parties de la cellule de remplissage sont ensuite ajustées et scellées avec un joint : le mélange gazeux de l'expérience peut alors y être introduit. Enfin, les deux demi-cellules fermées peuvent être vissées l'une dans l'autre, à l'aide d'une vis reliant l'intérieur à l'extérieur de la cellule de remplissage. Ainsi, le gaz est emprisonné à l'intérieur la cellule fermée. (Figure 5).

 

Figure 5 : Conception de la cellule de remplissage