UVolution, PROCESS et AMINO : la chimie se place sur orbite...

Par Hervé Cottin

Depuis quelques années, le LISA coordonne la préparation de trois expériences spatiales consacrées à la photochimie de molécules d’intérêts exobiologiques et planétologiques. Ces expériences se dérouleront soit dans le module BIOPAN de la capsule automatique russe FOTON (expérience UVolution), soit dans les deux instruments EXPOSE (E et R) qui seront prochainement implantés sur la Station Spatiale Internationale (expériences PROCESS et AMINO).

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La capsule FOTON et la Station Spatiale Internationale.

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Ces trois expériences d’astrochimie sont soutenues par le CNES depuis qu’elles ont été sélectionnées par l’ESA (agence spatiale européenne).

UVolution, PROCESS et AMINO consistent à exposer au rayonnement Solaire des molécules solides ou des mélanges gazeux d’intérêt soit cométaire, soit météoritique, soit concernant la chimie organique de Titan, ou encore la chimie organique dans l’environnement Martien. Ces molécules sont contenues dans des cellules d’exposition spécialement développées pour ces expériences. Notre objectif est de mieux appréhender la nature et l’évolution de la matière organique présente dans les environnements extraterrestres et leurs potentielles implications exobiologiques. De nombreux programmes expérimentaux au sol sont consacrés à l’étude de la photochimie de molécules en phase solide tout comme en phase gazeuse. Néanmoins, la validité de tels travaux et leur extrapolation aux environnements extraterrestres peuvent être mis en cause tant qu’ils n’ont pas été confrontés à des expériences similaires menées dans l’espace, avec exposition au spectre solaire étendu, tout particulièrement dans le domaine des courtes longueurs d’onde (difficilement reproductible en laboratoire). Nous nous attachons plus particulièrement à l’étude de molécules d’intérêt soit cométaire (dans le cadre de la préparation à l’interprétation des résultats de la mission ROSETTA) soit concernant la chimie de Titan (mission CASSINI-HUYGENS), soit encore la chimie organique dans l’environnement Martien (futures missions américaines et européennes comprenant des rovers). La partie concernant les météorites est traitée par l’équipe du Centre de Biophysique Moléculaire du CNRS d’Orléans (Frances Westall et André Brack). Pour l’expérience AMINO, une contribution biologique sera apportée par l’institut Jacques Monod (Paris 6) grâce à l’équipe de Marie-Christine Maurel, qui exposera des ribozymes au rayonnement UV Solaire.

Les comètes comptent parmi les corps du Système Solaire les plus riches en matière organique. Bien que plus d’une vingtaine de composés volatils puissent être observés dans les atmosphères cométaires, il n’existe à ce jour aucune indication directe concernant la composition moléculaire de leurs noyaux. Des expériences de simulation en laboratoire laissent penser que des molécules beaucoup plus complexes sont susceptibles d’être synthétisées dans les glaces cométaires à partir des molécules légères déjà observées. Parmi ces molécules : le polyoxyméthylène (POM : (-CH2-O-)n) l’héxaméthylènetétramine (HMT : C6N4H12) ou encore les polymères de HCN). Mises en présence d’eau à l’état liquide, ces molécules peuvent avoir des implications exobiologiques majeures une fois importées sur Terre lors d’impacts ou par sédimentation de micrométéorites d’origine cométaire dans l’atmosphère (synthèse de sucres à partir du formaldéhyde libéré par le POM, et d’acides aminés par hydrolyse des polymères de HCN). Nous cherchons d’une part à déterminer si ces molécules peuvent survivre dans l’espace sur des grains cométaires après éjection du noyau, avant une importation éventuelle sur Terre (exposition de la molécule pure, ou en matrice minérale ou organique dans des cellules ouvertes), et si la dégradation de ces molécules (et de leur matrice dans le cas d’une matrice organique) peut être à l’origine des sources étendues observées dans les comètes (H2CO, CN, CO…).

Pour ce qui concerne la chimie de Titan, nous exposerons des tholins (analogues de laboratoires des aérosols organiques présents dans l’atmosphère de Titan) afin de déterminer l’évolution de leurs structures et propriétés optiques. Des tholins seront aussi synthétisés dans l’espace par exposition de cellules scellées contenant un mélange N2/CH4 analogue à la composition de l’atmosphère de Titan. Enfin, dans le cadre de la chimie martienne, nous chercherons à évaluer dans quelle mesure des molécules organiques pourraient être détectées à la surface de la planète par les futures missions d’exploration (acides aminés, hopanes, hopanoïdes et molécules dérivées de l’acide benzoïque).

Compte tenu du calendrier de la Station Spatiale, le planning des expériences prévues est actuellement le suivant :

Expérience	Support	Lancement	Durée de l’expérience
UV-olution	BIOPAN/capsule FOTON	14 Septembre 2007	12 jours
PROCESS	EXPOSE-Eutef/Station Spatiale Internationale/Module Européen Colombus	Février 2008	1.5 an
AMINO	EXPOSE-R/Station Spatiale Internationale/Module Russe	Mars 2009	1.5 an

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Les instruments EXPOSE et BIOPAN sont présentés sur les figures 1a et 1b respectivement :

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Figure 1a : A gauche, module Expose (3 rangées de 4 supports) et à droite, un support pour les cellules (sur chaque support, 20 alvéoles pouvant chacune accueillir une cellule ouverte ou fermée). PROCESS et AMINO occupent chacune 2 supports.

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Figure 1b : BIOPAN avant le vol, couvercle ouvert et BIOPAN après retour sur Terre (couvercle fermé). L’expérience est protégée par un bouclier thermique pour éviter l’échauffement des expériences lors de la réentrée dans l’atmosphère.

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Le dispositif 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 fenêtre en MgF2 ou en quartz (fig 2a). 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 société COMAT Aerospace (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 (Figure 2b). Ces études de développement ont été entreprises dans le cadre de la préparation de l’expérience AMINO en 2002, et ont été généralisées pour aux trois expériences. De même, un outil original de remplissage et soutirage des gaz a été réalisé (Figure 3).

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Figure 2a : Cellules ouvertes d’exposition, pouvant s’adapter sur les supports des instruments EXPOSE et BIOPAN. Les fenêtres en MgF2 sont remplacées par des fenêtres en quartz pour les expériences martiennes.

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Figure 2b : Cellules fermées d’exposition, pouvant s’adapter sur les supports des instruments EXPOSE et BIOPAN. A gauche : photo des parties mâle et femelle d’une cellule fermée au premier plan et cellule assemblée au second plan. A droite : schéma de principe d’une cellule fermée. Deux fenêtres en MgF2 de part et d’autre de la cellule permettent une analyse in situ des composés par spectroscopie. Les fenêtres en MgF2 sont remplacées par des fenêtres en quartz pour les expériences martiennes.

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Pour toutes les expériences, l’analyse des échantillons après retour sur Terre sera 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.

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Figure 3 : Outil de remplissage et de soutirage des gaz pour les cellules fermées. Deux fenêtres spectroscopiques supplémentaires permettent l’analyse in situ des gaz détendus dans l’outil, sur un domaine de longueur d’onde plus large, et un trajet optique plus long, que les fenêtres en MgF2 de la cellule elle-même.

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Afin de préparer nos échantillons, nous avons choisi d’utiliser une méthode de dépôts par sublimation dans un réacteur conçu spécialement pour notre application par la société Méca 2000 (Figure 4). L’épaisseur des films est mesurée par interférométrie. Les résultats sont reproductibles et les films obtenus sont homogènes. Leur épaisseur est de l’ordre de quelques dixièmes de micron. Ce réacteur est opérationnel depuis début 2007. Les dates de livraison à l’ESA des différentes expériences sont :

• Fin Juin 2007 pour PROCESS
• Début Septembre 2007 pour UVolution
• Début Mai 2008 pour AMINO

Environ 450 cellules doivent donc être préparées au cours de l’année 2007

Les années 2008 à 2011 seront consacrées aux analyses des échantillons lors de leur retour sur Terre, et à des expériences de photolyse d’accompagnement au sol.

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Figure 4 : Réacteur de sublimation pour réalisation de dépôts de molécules organiques sous vide. La température du four peut être fixée entre 50 et 800°C. Les molécules solides placées dans le creuset du four subliment et se déposent sur les fenêtres des cellules placées en vis-à-vis. L’épaisseur du film est mesurée tout au long du dépôt par interférométrie. Des mesures absolues pour calibrer la méthode d’interférométrie sont effectuées par profilométrie et microscopie AFM (épaisseur de l’ordre de quelques dixièmes de micron)

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EXPERIENCES DE SUPPORT AU SOL Ces expériences embarquées doivent être accompagnées d’expériences de préparation et de validation au sol. Le LISA bénéficie d’une longue expérience en matière de photolyse de composés organiques qui nous permet de tester en laboratoire la stabilité photochimique des composés étudiés.

PARTICIPANTS AU PROJET H. Cottin(a), P. Coll(a), D. Coscia(a), Y.Y. Guan(a), F. Macari(a), F. Raulin(a), F. Stalport(a), C. Szopa(b), D. Chaput(c), M. Viso(d), M. Bertrand(e), A. Chabin(e), L. Thirkell(f), F. Westall(e) and A. Brack(e)

• a LISA, Université Paris 12 & Paris 7, UMR 7583 CNRS, Avenue du Général de Gaulle, 94010 CRETEIL cedex, France
• b Service d’aéronomie, UMR 7620 CNRS, Réduit de Verrières – BP 3, Route des Gatines, 91371 Verrières le Buisson Cedex, France, France
• c CNES, Centre spatial de Toulouse,18 avenue Edouard Belin, 31401 TOULOUSE Cedex 9, FRANCE
• d CNES, 2 place Maurice Quentin, 75039 PARIS Cedex 01, France
• e CBM, CNRS, Rue Charles-Sadron, 45071 ORLEANS Cedex 2, France
• f LPCE, CNRS, Avenue de la Recherche Scientifique, 45071 ORLEANS Cedex 2, France

André BRACK, PI historique de l’expérience AMINO, a confié la responsabilité de son expérience à H. Cottin début 2007

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Photo : Frédérique Macari (CDD AI CNES), Yuan Guan (Thèse Paris 12) et Didier Chaput (CNES)

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RÉFÉRENCES

• Barbier B., Chabin A., Chaput D., and Brack A. (1998) Photochemical processing of amino acids in Earth orbit. Planetary and Space Science 46(4), 391-398.

• Barbier B., Henin O., Boillot F., Chabin A., Chaput D., and Brack A. (2002) Exposure of amino acids and derivatives in the Earth orbit. Planetary and Space Science 50, 353-359.

• Boillot F., Chabin A., Buré C., Venet M., Belsky A., Bertrand-Urbaniak M., Delmas A., Brack A., and Barbier B. (2002) The Perseus Exobiology Mission on MIR : Behaviour of Amino Acids and Peptides in Earth Orbit. Origins of Life and Evolution of the Biosphere 32, 359-385.

• Cottin H., P. Coll, D. Coscia, N. Fray, Y. Y. Guan, F. Macari, F. Raulin, C. Rivron, F. Stalport, C. Szopa, D. Chaput, M. Viso, M. Bertrand, A. Chabin, L. Thirkell, F. Westall, and A. Brack, Heterogeneous solid/gas chemistry of organic compounds related to comets, meteorites, Titan and Mars : in laboratory and in lower Earth orbit experiments, soumis, Adv. Space Research

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