Thèse Aerosols Secondaires Origine et Devenir dans l'Atmosphère des Émissions Aéronautiques H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes École doctorale : Sciences Mécaniques Energétiques et MAtériaux pour l'InGénierie Laboratoire de recherche : ONERA-DMPE Département Multi-Physique pour l'Energétique Direction de la thèse : Ismael ORTEGA COLOMER ORCID 0000000292992013 Début de la thèse : 2027-01-01 Date limite de candidature : 2026-11-15T23:59:59 Actuellement, le secteur aéronautique se concentre sur la réduction de ses émissions et de son impact sur la qualité de l'air et le climat. Le développement de nouvelles technologies pour les chambres de combustion et de carburants durables a entraîné une diminution significative des émissions de suies. En revanche, les émissions en termes de particules totales restent similaires. Cela semble être dû au fait que la réduction des émissions de suies a entraîné une augmentation de la formation de particules volatiles à partir des gaz de combustion, d'autres mécanismes entrent donc en jeu. Jusqu'à présent, la formation de ces particules volatiles était liée à la concentration en soufre dans le carburant. Mais des études récentes utilisant des carburants sans soufre ont montré que des particules volatiles continuent de se former. Aujourd'hui, le mécanisme de formation de ces particules est inconnu. Les principaux candidats pour expliquer ce phénomène sont les composés organiques émis par l'avion (les imbrûlés), l'acide nitrique formé par l'oxydation des NOx ou les émissions liées à l'huile de lubrification. Il faut ajouter également l'effet potentiel de la charge électrique de certains composés présents dans les émissions. Dans ce cadre, le travail de thèse proposé s'appuie sur l'expérience acquise dans d'autres projets tels que VOLCAN (DGAC), UNREAL (ANR), ALTERNATE (H2020). Il vise à déterminer les mécanismes de formation de particules volatiles autres que celles actuellement considérées qui sont liées au soufre. Parmi les paramètres étudiés, nous évaluerons l'influence de la nature de la composition chimique de surface des particules et de leur état de charge électrique (Kirkby et al. 2011).
Le brûleur CAST (Combustion Aerosol STandard) disponible dans notre laboratoire sera mis en oeuvre pour étudier différents carburants durables. Ce dispositif permet de générer des suies représentatives sur certains aspects des suies aéronautiques produites par un turboréacteur. Il a été comparé à d'autres sources de combustion, depuis une chambre de combustion fonctionnant en conditions réelles jusqu'à un groupe auxiliaire de puissance. L'impact de la composition du carburant sur la taille ainsi que la concentration en nombre et en masse des suies produites est identique à celui observé pour les autres sources (Barrellon-Vernay et al. 2021). Les émissions produites par la combustion de ces biocarburants, c'est-à-dire les suies et les gaz, seront ensuite vieillies de manière contrôlée dans un réacteur d'oxydation à flux PAM-OFR (Potential Aerosol Mass Oxidation Flow Reactor) pour simuler les interactions avec l'atmosphère. Ce système permet de contrôler la température, l'humidité relative et la quantité de radicaux hydroxyles. Différentes techniques de mesure disponibles au laboratoire seront utilisées pour caractériser les émissions et l'effet de l'interaction avec l'atmosphère (Delhaye et al. 2017) et notamment la caractérisation de la concentration en nombre et de la distribution en taille des particules formées et le prélèvement d'échantillons pour la caractérisation chimique avec les techniques disponibles dans notre laboratoire telles que la chromatographie en phase gazeuse. De manière complémentaire, les techniques de caractérisation disponibles au laboratoire CINAM, comme la microscopie électronique en transmission, ou bien encore des analyses chimiques par dispersion des rayons-X (EDX) seront également utilisées. En plus des expérimentations en laboratoire, il est également prévu de réaliser des mesures lors des campagnes prévues dans différents projets, tel que PAREMPI (Horizon Europe) en collaboration avec la Finlande.

L'utilisation de SAF conduit à la réduction des suies (Moore et al 2017) mais pas à une réduction du nombre total de particules (Barrellon-Vernay et al. 2022), l'usage des SAF pourrait donc ne pas diminuer de façon satisfaisante l'impact sur la qualité de l'air et l'impact environnemental.

Si les processus dans l'atmosphère sont de mieux en mieux connus, la connaissance de l'interaction entre les émissions d'un turboréacteur et l'atmosphère reste parcellaire. La majorité des modélisations sont basées sur la chimie du soufre (Khou et al 2017), or il y a de plus en plus besoin d'introduire d'autres mécanismes pour expliquer et comprendre les observations expérimentales. La prise en compte de ces mécanismes chimiques et l'effet des charges électriques (Kirkby et al. 2011) nécessitent leur identification dans le contexte d'un turboréacteur.
Trois objectifs à moyen terme existent. Le premier est l'identification des mécanismes et des précurseurs d'aérosols secondaires afin de consolider les connaissances (expérimentale et modélisation) pour avoir une vision globale et claire sur les conséquences de l'utilisation des SAF. Le second est d'identifier s'il est possible d'agir sur ces aérosols secondaires afin de limiter leur impact et de contribuer à la future mise en place d'une réglementation les encadrant. Enfin le dernier apport de la thèse serait de consolider notre savoir-faire afin d'évaluer les conséquences de la combustion d'hydrogène dans un turboréacteur. En effet, à l'heure actuelle nous ne savons pas clairement quels seront les effluents d'une telle combustion. Des travaux sur la combustion d'hydrogène à haute température ont mis en évidence la présence de composés issus de la chimie de l'azote mais aussi d'hydrocarbures imbrûlés liés au craquage du CO2.
A travers ces 3 objectifs, un quatrième se dessine. Celui-ci consiste en l'identification des leviers éventuels pour limiter les traînées de condensation (ex : changement de l'état de charge des particules).