Doctorat (H/F) - Mesurer les profils verticaux atmosphériques d’H2 à partir de matériaux micro-structur

Sujet de thèse :
Depuis 150 ans, les niveaux d’hydrogène (H2) dans l'atmosphère ont augmenté de 70%, passant de 330 ppbv à 550 ppbv (Patterson et al. 2020), en raison principalement de l'activité humaine et des fuites liées à l'extraction des combustibles fossiles. La mise en place d'une économie de l'hydrogène à l'échelle mondiale pourrait donc accélérer cette tendance. Les feux de forêt constituent également une importante source d’émissions d’hydrogène, contribuant à hauteur de 20% aux émissions globales, au même niveau que les émissions anthropiques. Ainsi la multiplication des méga-feux va accroître les injections d’hydrogène à haute altitude. Ces émissions auront pour effet de refroidir la stratosphère, en augmentant la concentration de vapeur d'eau et en ralentissant la reconstitution de la couche d'ozone (Ocko et al., 2022).
L’observation d’évènements extrêmes comme les méga-feux nécessite une très grande réactivité dans l’organisation des campagnes de mesures. De plus, les ballons sont les seuls vecteurs permettant d’obtenir des observations dans ces panaches entre 10 et 30 kilomètres. Le développement d’instruments légers sous petit ballon est à l’heure actuelle la seule solution technique pouvant répondre à ce défi scientifique. Les ballons sont également la seule solution pour évaluer l’impact de la nouvelle transition énergétique hydrogène sur la chimie stratosphérique. La mesure de l’hydrogène ne peut pas être réalisée à bord de satellites actuellement. Seules des mesures in situ ou via des systèmes d'échantillonnage peuvent fournir des concentrations d’hydrogène dans la stratosphère.
Le LPC2E, dans le cadre du projet CNES ARCHE, en collaboration avec les laboratoires ICARE et CEMHTI (Orléans), développe actuellement un instrument capable de mesurer en temps réel H2 sous ballon stratosphérique. Cet instrument utilisera des matériaux poreux innovants de type MOF (Metal Organic Framework) possédant des propriétés électriques sensibles à la présence de H2 (Karuppasamy et al., 2023). Ces matériaux permettent d’analyser une concentration en H2 de 100 ppbv, c’est-à-dire 5 fois inférieure aux valeurs attendues dans la stratosphère. La thèse débutera donc avec un fort héritage instrumental. L’instrument sera construit et testé au LPC2E via des vols ballons organisés sur le site d’Orléans. De tels vols sont déjà réalisés en routine dans le cadre de la validation du satellite européen EarthCare (ESA).
Les MOF peuvent être utilisés pour quantifier d’autres gaz dans l’atmosphère. Des capteurs de CO contenant des MOF ont déjà été testés avec un seuil de détection autour de la ppm (Montoro et al., 2024, Xie et al., 2024). Malheureusement ces études ont été réalisées à haute température (350°C) et la sélectivité des mesures est à réévaluer en condition atmosphérique. De même, le seuil de détection de ces capteurs est encore trop élevé d’un ordre de grandeur pour pouvoir être utilisé en conditi
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