MOMIE (Mars Organic Matter Irradiation & Evolution)

 

Objectifs : Simulation de l’interface sol-atmosphère sur Mars

Contact LISA : F. Stalport (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

PI: F. Stalport

 

Depuis le début des années 2000 une forte collaboration entre le LISA (responsable F. Stalport) et le LATMOS (responsable C. Szopa) s’est développée autour de la recherche de structures moléculaires organiques dans la surface/sous-surface de Mars. Il nous est rapidement apparu qu’il était nécessaire de pouvoir discriminer les origines des molécules organiques potentiellement détectées à la surface de Mars (sources exogènes comme les météorites ou les micro-météorites, ou sources endogènes, depuis les synthèses atmosphériques jusqu’à une potentielle activité biotique - objectif I) et d’investiguer quelles cibles prioritaires étaient à rechercher par les sondes spatiales d’explorations de Mars (objectif II).

 

Objectif I : il est encore aujourd’hui clairement apparu que les bilans de matière organique à la surface de Mars sont très controversés, en premier lieu en terme de sources mais également en terme de puits. Les familles de molécules organiques détectées in situ à ce jour dans des échantillons de surface sur Mars sont très restreintes et sont sous la forme d’hydrocarbures chlorés (linéaires et aromatiques ont été détectés sur les deux sites d’atterrissage de Vikings ainsi que dans le cratère de Gale avec Mars Science Laboratory), d’hydrocarbures soufrés, essentiellement sous forme de thiophènes et d’hydrocarbure oxygéné (acide benzoïque). Cette faible diversité moléculaire ne reflète pas celle attendue, a minima en considérant les sources de matière organique exogène en provenance du milieu interplanétaire, et surtout ces molécules détectées ne présentent pas de lien direct avec les molécules attendues sur Mars.

 

Objectif II : mieux comprendre les schémas d’évolution chimique à la surface de Mars, et notamment ceux relatifs à des puits de matière organique, permet de restreindre le champ des cibles à rechercher in situ (pourquoi rechercher une molécule instable dans l’environnement martien ? est-il plus pertinent de rechercher les produits de l’évolution chimique d’un composé cible ?). La détection des molécules organiques sur Mars, citées précédemment, sans lien direct avec la matière organique attendue sur Mars, incite à comprendre comment celle-ci évolue chimique dans l’environnement martien.

 

INSTRUMENTATION

Afin de comprendre la philosophie des expériences en laboratoire de l’environnement martien, le plus simple est peut-être de décrire une expérience de simulation dans sa version la plus complexe : après avoir déposé une fine couche de minéraux ou de sels puis de molécules organiques sur une fenêtre optique à l’aide d’un réacteur de sublimation développé au LISA, l’échantillon est placé dans un réacteur (Figure 1). On ferme le réacteur et on refroidit la fenêtre optique jusqu’à ce qu’elle atteigne environ -50°C (température moyenne de la surface de Mars). On introduit diverses atmosphères selon les objectifs scientifiques fixés (mélange gazeux contenant de la vapeur d’eau et de la vapeur de H2O2, CO2, N2). La température de la fenêtre doit être constante jusqu’à la fin de l’expérience. On peut ensuite mettre en œuvre le rayonnement UV. L’évolution du dépôt peut être suivie en temps réel par spectroscopie IR. Cette expérience illustre la simulation la plus complexe possible des processus physico-chimiques d’évolution de la matière organique à la surface/sous-surface de Mars par MOMIE. Des études de processus plus élémentaires seront bien évidemment également possibles avec MOMIE (diffusion de H2O2 dans le régolithe simulé, irradiation UV d’organique « enfoui » dans une matrice minérale…).

 

Ce projet est de surcroît développé en synergie avec différentes missions d’exposition d’échantillons en orbite basse, afin de bénéficier de l’irradiation solaire réelle (EXPOSE, IRCOASTER), où nous étudions également l’évolution de molécules organiques et de minéraux dans un environnement martien simulé.

 

Figure 1: après avoir déposé une fine couche de minéraux et/ou de molécules organiques sur une fenêtre optique à l’aide d’un réacteur de sublimation développé au LISA, l’échantillon est placé dans un réacteur. Les échantillons sont irradiés par la source UV et le réacteur est refroidi par le système cryogénique. Le suivi des échantillons est effectué par spectroscopie IR.

 

 

DEVELOPPEMENTS ACTUELS ET FUTURS

Ce dispositif, depuis sa mise en place, a permis d’étudier plusieurs familles de molécules organiques d’intérêts pour la recherche de matière organique à la surface de Mars. Les études réalisées ont permis d’estimer des temps de demi-vie de plusieurs acides carboxyliques : acide oxalique, benzoïque, phtalique et mellitique ainsi qu’un sel azoté, l’acétate d’ammonium. Les résultats ont montré que ces acides carboxyliques possèdent des temps de demi-vie de l’ordre de quelques heures à quelques centaines d’heures. Seule exception : l’acide mellitique qui a produit un composé photorésistant. D’autres molécules organiques d’intérêt pour Mars tels que des acides aminés (AIB, sérine, glycine), des HAP (chrysène, pyrène), l’urée, des bases azotées (adénine, uracile, cytosine, thymine) et le trianhydride d’acide mellitique (en tant que potentiel produit d’évolution l’acide mellitique) ont été étudiés. Les résultats montrent que l’effet du rayonnement UV peut être différent d’une molécule à l’autre et d’une famille chimique à l’autre. Pour la plupart des molécules étudiées, des temps de demi-vie et des rendements de photodissociation ont pu être calculés afin d’estimer leur photostabilité dans l’environnement martien. Globalement, il a été conclu de ces travaux que les molécules organiques, seules, sont dans la plupart des cas décomposées sous l’effet des UV sur des échelles de temps très courtes (temps de demi-vie avec des limites hautes de 101 à 103 heures). En plus de l’acide mellitique, deux molécules ont fait exception en formant des photoproduits stables durant les simulations : l’adénine et l’uracile.

 

La seconde étape du projet « MOMIE » a consisté à évaluer l’interaction du rayonnement UV simulé à la surface de Mars avec l’interaction de composés oxydants synthétisés directement ou par voie catalytique à l’interface sol/atmosphère de la planète (ces différentes voies de processus d’oxydation étant mal connues). La présence notamment de sels de perchlorates est en cours de test pour comprendre la synergie entre rayonnement UV et ces sels.

 

Quelques publications

- Chaouche-Mechidal N., Stalport F., Caupos E., Mebold E., Azémard C., Szopa C., Coll P., Cottin H.: Effects of UV and calcium perchlorates on uracil deposited on strontium fluoride substrates at Mars pressure and temperature ASTROBIOLOGY Volume 23, Issue 9, p.959-978
 
- Rouquette, L., Stalport, F., Cottin, H., Colas, C., Georgelin, T., Chaouche-Mechidal, N., Lasne, J., Mahfouf, S., Selliez, L., Szopa, C., Coll, P.:  Dimerization of uracil in a simulated Mars-like UV radiation environment (2020) ASTROBIOLOGY Astrobiology, Volume 20, Issue 11, p.1363-1376

- Stalport, F; Rouquette, L; Poch, O; Dequaire, T; Chaouche-Mechidal, N; Payart, S; Szopa, C; Coll, P; Chaput, D; Jaber, M; Raulin, F ; Cottin, H : The Photochemistry on Space Station (PSS) Experiment: Organic Matter under Mars-like Surface UV Radiation Conditions in Low Earth Orbit (2019) ASTROBIOLOGY Volume: 19 Issue: 8 Pages: 1037-1052 DOI: 10.1089/ast.2018.2001

- Poch, O; Jaber, M; Stalport, F; Nowak, S; Georgelin, T; Lambert, JF; Szopa, C; Coll, P: Effect of Nontronite Smectite Clay on the Chemical Evolution of Several Organic Molecules under Simulated Martian Surface Ultraviolet Radiation Conditions (2015) ASTROBIOLOGY Volume: 15 Issue: 3 Pages: 221-237