Expériences
Expériences PROCESS et AMINO
Ces deux expériences d'astrochimie sont soutenues par le CNES et consistent à étudier la dégradation de molécules organiques d'intérêts planétologiques et exobiologiques, lorsqu'elles sont exposées aux UV solaires. Pour la première fois, des cellules scellées sont utilisées dans l'espace. Elles permettent de collecter les résidus volatils issus de la dégradation de molécules réfractaires, ou encore d'irradier des mélanges gazeux. Ces cellules sont conçues et réalisées avec le soutien du CNES.
De façon générale, l'objectif de ces expériences est de mesurer les constantes cinétiques de photolyse des produits exposés, et ainsi évaluer leur temps de vie photochimique quand elles sont exposées au rayonnement solaire.
Le dispositif initial prévu par l'ESA prévoit l'utilisation de cellules ouvertes, purgées par le vide spatial, ce qui entraîne la perte des produits volatils issus de la dégradation des composés organiques solides déposés sur des fenêtres en MgF2 ou en quartz. Notre objectif étant en partie l'étude des produits de dégradation gazeux, ou encore l'étude de l'évolution de mélanges de gaz, nous avons fait concevoir par la COMAT (Toulouse) avec le soutien du CNES des cellules scellées, permettant de conserver et rapporter sur Terre à des fins d'analyse la phase solide et la phase gazeuse après photolyse. Les tests d'étanchéité effectués début 2007 sur ces cellules fermées ont montré que si elles étaient suffisantes pour des expériences de quelques semaines du type de UVolution, elles ne sont pas adaptées aux longues durées exposition des expériences PROCESS et AMINO. Le CNES a donc confié à la direction des techniques avancées d'Air Liquide la réalisation de nouvelles cellules ultra-étanches qui ont été utilisées en 2008 pour l'expérience AMINO.
Cellule d'exposition ouverte
Cellule d'exposition fermée
Préparation des échantillons :
Les dépôts organiques solides dans les cellules ouvertes ou fermées sont effectués soit par sublimation (LISA) soit par évaporation de solution contenant les molécules étudiées solubilisées (CBM et ANBioPhy) ou en suspension pour les molécules insolubles et dont la température de pyrolyse est inférieure à la celle de sublimation (LISA et CBM).
Analyse des échantillons :
Pour toutes les expériences, l'analyse des échantillons après retour sur Terre est effectuée par spectroscopie infrarouge au travers des fenêtres des cellules (ouvertes ou fermées), puis par chromatographie gazeuse ou HPLC. Une analyse par spectrométrie de masse directe est aussi systématiquement effectuée au cours des irradiations sol des molécules cibles.
Une méthode de fonctionnalisation chirale des acides aminés a aussi été développée au CBM afin de mesurer la racémisation des acides aminés dans les différents échantillons. Elle a donné lieu à publication (Bertrand et al. 2008). D'autres méthodes d'analyse des acides aminés et des dipeptides par chromatographie gazeuse ont été mises en œuvre. Elles ont été utilisées pour l'analyse des expériences d'irradiation au sol. Elles seront aussi utilisées pour l'analyse des échantillons des expériences Process et Amino à leur retour.
Concernant les échantillons d'ARN, les analyses sont réalisées par gel d'électrophorèse, chromatographie et analyses Raman
Exemples de résultats
Les expériences actuellement effectuées à l'extérieur de la station spatiale ont été précédées par une expérience plus courte (UVolution) qui a été placée en orbite sur le module BIOPAN en septembre 2007 pendant 12 jours. Au cours de cette période, la durée effective d'exposition au rayonnement UV solaire a été d'environ 29 heures. Au retour des échantillons au LISA, toutes les cellules étaient intactes, et les cellules fermées étaient remplies de gaz. En ce qui concerne les analyses par spectroscopie infrarouge la durée d'exposition n'a pas été suffisante pour mettre en évidence une photolyse dans les mélanges gazeux et pour certaines des molécules déposées sous forme de films solides. Les résultats ont par contre été concluants pour plusieurs molécules comme la glycine (voir ci-dessous).
Spectres infrarouges de films de glycine (NH2CH2CO2H).
Haut : cellule ouverte exposée avant et après le vol.
Milieu : Cellule de contrôle en vol (non exposée) avant et après le vol.
Expériences de support au sol :
Les expériences embarquées sont accompagnées d'expériences de préparation et de validation au sol. Le LISA bénéficie d'une longue expérience en matière de photolyse de composés organiques (expériences SEMAPhOrE Cométaire et SETUP). Le principe du moyen d'essais sol est présenté ci-dessous.
Dispositif expérimental de support au sol des expériences d'irradiation dans l'espace
(sur le modèle de l'expérience SEMAPhOrE cométaire).
La molécule solide peut être irradiée à une température
donnée en étant déposées directement au fond du réacteur,
ou bien dans une cellule fermée déposée au fond du réacteur.
La lampe peut être une lampe fermée comme celle présentée sur la figure,
ou encore une lampe à flux.
Chambre d'irradiation du CBM (figures suivantes) :
Une chambre d'irradiation a aussi été créée et assemblée au CBM afin d'irradier des échantillons entre 112 et 370 nm dans des conditions proches de celles de l'espace. Les résultats obtenus grâce à cette enceinte permettent de préparer les analyses pour le retour des expériences Process et Amino et permettra de comparer les résultats obtenus au sol et dans l'espace. Elle permettra aussi d'étudier la photochimie de composés différents de ceux qui auront été envoyés dans l'espace et de tester différents composés d'intérêt, avant exposition en orbite.
Schéma de la chambre d'irradiation du CBM
L'irradiation est effectuée grâce à une lampe deuterium cathodeon F05 (112-370 nm). Au cours des derniers mois, une photodiode AXUV (116-254 nm) a été installée au dessus du porte-échantillons. Cette photodiode permet de mesurer le flux de photons reçu par les échantillons.
Schéma du dispositif d'exposition des molécules à l'intérieur de la chambre d'irradiation du CBM.
