Une méthode plus rapide et plus simple pour mesurer le carbone dans le sol

Mesurer rapidement et efficacement le carbone organique du sol est primordial dans la lutte contre les changements climatiques. Un article paru dans une publication scientifique démontre que LaserAg^MC constitue le bon outil pour y arriver. Basé sur la technologie du laser, la physique du plasma et l’intelligence artificielle, cet instrument inventé par Logiag détermine le carbone plus rapidement et plus écologiquement que les méthodes traditionnelles.

L’aliment de base des végétaux, le dioxyde de carbone (CO₂), est aussi un des plus importants gaz à effet de serre. Grâce à l’énergie solaire, les plantes retirent le carbone présent dans le CO₂ et le transforment en tiges, en feuilles et en racines. Ce carbone est ensuite transmis au sol, où il contribue à améliorer la vie souterraine, à retenir l’eau et… à lutter contre les changements climatiques.

Le carbone présent sous nos pieds, ou carbone organique du sol (COS), est donc un atout à préserver. Le quantifier est aussi important pour évaluer les réductions du CO₂ atmosphérique, entre autres. Or, les méthodes chimiques actuelles pour mesurer le COS sont lentes et coûteuses, tandis qu’elles engendrent des déchets.

LaserAg^MC brise le moule : basé sur la technologie du laser, la physique du plasma et l’intelligence artificielle, cet instrument inventé par Logiag analyse le COS plus rapidement, plus écologiquement et à meilleur marché que les autres méthodes. La parution d’un article sur LaserAg^MC dans la revue Scientific Reports – une publication appartenant au portefeuille de Nature – démontre que cet outil représente une véritable avancée dans la technologie du laser et des analyses du sol.

La combustion sèche : précise, mais chère

Actuellement, la combustion sèche est la méthode la plus courante pour déterminer la concentration de COS dans le sol. Cette méthode brûle entièrement l’échantillon de sol à l’aide d’un gaz, puis quantifie quelques-uns des éléments résultant de cette combustion, dont le carbone.

Si la combustion sèche donne des résultats très précis, elle ne peut pas répondre à la demande croissante pour des analyses de COS. D’abord, elle est trop lente : il lui faut entre 5 et 10 minutes pour analyser un seul échantillon, alors qu’il faut 40 échantillons pour bien analyser à peine 100 hectares! De plus, cette méthode est dispendieuse, notamment à cause des gaz qu’elle requiert pour la combustion.

La puissance de la technique LIBS

Dans les années 1980, une autre technologie apparaît dans les laboratoires : la spectroscopie d’émission de plasma induit par laser ou laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). LaserAg^MC a été le premier instrument vendu commercialement qui utilise cette technologie pour analyser le COS.

Malgré les défis inhérents au LIBS, le jeu en vaut la chandelle. Comparativement à la combustion sèche, il permet d’analyser simultanément plusieurs éléments, et ce, quatre fois plus vite et à moindre coût, avec une manipulation minimale des échantillons et une absence totale de sous-produits.

Comme la combustion sèche, LaserAg^MC exige des échantillons de sol séchés, broyés et homogénéisés. Ensuite, LaserAg^MC ajoute une étape : la presse LaserAg^MC applique aux échantillons une pression de 1,6 t par cm². Cela durcit, homogénéise et densifie leur surface, ce qui améliore la performance du laser.

Les échantillons prennent alors place dans la machine LaserAg Quantum 14 à la fois. L’un après l’autre, ils reçoivent à 12 reprises une succession de 200 coups de laser. En moins d’une minute, l’opération transforme tous ces points d’impact en plasma, c’est-à-dire en un gaz d’environ 10 000 ⁰C! À cette chaleur, tous ces bouts d’échantillons sont désintégrés : ils ne contiennent plus de molécules, mais seulement des atomes comme le calcium, le magnésium, le fer… et le carbone.

La physique quantique à la rescousse

Par la suite, la mesure de la concentration du carbone et des autres atomes s’appuie sur la physique quantique. Celle-ci nous apprend que les électrons des atomes absorbent l’énergie du laser, ce qui les excite. Elle nous apprend aussi que, une fois le laser éteint, les électrons reviennent à leur état normal en réémettant l’énergie reçue. Enfin, la physique quantique nous dit que l’énergie venue des électrons (transmise en longueurs d’onde) permet d’identifier à la fois l’atome auquel ils appartiennent et leur intensité.

Concrètement, le spectromètre de la machine LaserAg Quantum convertit ces longueurs d’onde en un spectre, c’est-à-dire une série de pics, chaque pic correspondant à un atome spécifique. Mais le travail est alors loin d’être terminé.

Le défi tient aux spectres eux-mêmes, qui ne traduisent pas toujours les vraies concentrations atomiques. « C’est dû à la texture et à la composition du sol, qui influencent considérablement les signaux mesurés », explique Carla Pereira de Morais, autrice principale de l’article dans Scientific Reports et Cheffe d’équipe, R&D chez Logiag. « Par exemple, même lorsqu’ils contiennent la même quantité de carbone, des sols de textures différentes peuvent présenter des pics de carbone de différentes intensités. ».

Pour s’assurer d’obtenir des résultats fiables, LaserAg^MC utilise donc deux stratégies additionnelles : l’étalonnage et l’intelligence artificielle.

L’étalonnage ou se comparer avec la combustion sèche

L’étalonnage consiste à utiliser la combustion sèche, puis la machine LaserAg Quantum, pour analyser environ 1000 échantillons de sol présentant différentes textures et concentrations de carbone. « Ce processus permet de déterminer quelle valeur réelle de carbone est associée à quel spectre », explique Carla Pereira de Morais, qui a complété un doctorat sur la technologie LIBS.

Il reste alors l’étape de l’intelligence artificielle. Celle-ci sert à entraîner un modèle mathématique pour qu’il relie les résultats de l’étalonnage, c’est-à-dire le spectre d’un échantillon donné avec sa concentration de carbone. Au fil du temps, le modèle peut interpréter le spectre de nouveaux échantillons et déterminer par lui-même la concentration de carbone à lui associer.

Une fois le modèle bien entraîné, il reste encore à le valider! En gros, l’équipe de LaserAg^MC utilise la machine pour analyser des échantillons dont elle connaît déjà la concentration de carbone – et elle vérifie les résultats! Aujourd’hui, 90 % des résultats de LaserAg^MC sont semblables à ceux de la combustion sèche dans une proportion d’au moins 70 %. « Cet excellent résultat nous a permis de publier dans Scientific Reports! », se félicite Mme Pereira de Morais.

Un modèle en évolution

Quatre machines LaserAg Quantum opèrent déjà à travers la planète, dont une dans les laboratoires longueuillois d’Eurofins EnvironeX et deux en Afrique. Les résultats qu’ils obtiennent continuent à améliorer l’algorithme de LaserAg^MC. En effet, LaserAg^MC comprend un outil qui détecte les résultats hors normes, c’est-à-dire avec une concentration de carbone en dessous de 0,75 % ou au-dessus de 10 %. « Les échantillons qui affichent de telles concentrations sont envoyés à la combustion sèche, et les résultats de cette deuxième analyse sont corrélés au spectre initial, puis réintroduits dans l’algorithme, ce qui permet d’améliorer encore la fiabilité et la précision de LaserAg^MC », explique la chercheuse.

Enfin, mentionnons que LaserAg^MC présente de nombreux autres avantages, tels qu’une application mobile et des logiciels associés à la machine qui facilitent la prise d’échantillon sur le terrain et leur traçabilité tout au long de la chaîne d’analyse. Ajoutez à cela la technique LIBS, l’intelligence artificielle et la physique quantique et vous avez tout en main pour révolutionner les analyses de sol.