L’imagerie du sol à l’aide de neutrons peut donner un aperçu rapide et détaillé de la quantité et de la distribution du carbone (et de certains autres éléments importants) dans le sol sans perturber le sol ou les racines des plantes. Crédit : Berkeley Lab
Les scientifiques développent une nouvelle méthode de recensement du carbone présent dans le sol sous nos pieds – un outil crucial pour la gestion du changement climatique.
Des physiciens et des spécialistes des sols du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’énergie se sont associés pour mettre au point une nouvelle méthode de recensement du carbone stocké dans le sol par les plantes et les microbes. Contrairement à toutes les méthodes précédentes, cette nouvelle technique permet de voir le carbone dans la terre sans avoir à creuser des trous ou à prélever des échantillons de sol, comme une radiographie du sol. Cette nouvelle méthode de mesure du carbone extrait de l’air promet d’être un outil important pour lutter contre le changement climatique et développer des formes d’agriculture plus respectueuses de l’environnement.
“Ce que cet instrument permet vraiment, ce sont des mesures répétées dans le temps”, a déclaré Arun Persaud, un physicien du Berkeley Lab et l’un des responsables de l’équipe. “Avec notre instrument, vous pouvez obtenir une mesure très précise et rapide du carbone total dans un acre de terre, sans perturber le sol ou nuire aux organismes qui y vivent.”
Une plante transfère du carbone dans le sol dans le cadre naturel de son cycle de vie. Les plantes respirent du dioxyde de carbone et expirent de l’oxygène (que nous, les animaux, respirons ensuite). Le carbone reste dans la plante, utilisé pour construire les molécules et les cellules dont elle a besoin pour vivre. Une grande partie de ce carbone finit par pénétrer dans le sol par les racines de la plante. Les microbes du sol prennent alors ce carbone et le transforment en matière organique qui peut persister pendant des décennies, des siècles ou plus.
Les plantes et les microbes du sol jouent un rôle clé dans le cycle du carbone de la Terre, un cycle que l’homme a radicalement modifié. La combustion de combustibles fossiles réchauffe rapidement la planète. L’utilisation des terres par l’homme pour l’agriculture a appauvri la matière organique du sol, entraînant un énorme déficit de carbone dans le sol qui contribue également au changement climatique.
L’extraction de grandes quantités de carbone de l’atmosphère est un élément essentiel de presque tous les plans visant à limiter le réchauffement de la planète à 2 degrés. Celsius ou moins. Cette nécessité est à l’origine de l’initiative “Carbon Negative” du Berkeley Lab, qui vise à développer des technologies permettant de capturer, de séquestrer et d’utiliser le dioxyde de carbone. Les plantes et les microbes sont des experts de l’extraction du carbone de l’atmosphère – ils le font depuis des milliards d’années. Mais avant de pouvoir les exploiter pour aider à gérer le carbone atmosphérique, nous devons mesurer avec précision la quantité de carbone déjà piégée dans le sol grâce aux interactions entre les plantes et les microbes, ou à d’autres stratégies de gestion. Malheureusement, les techniques existantes pour tester la teneur en carbone du sol sont assez destructives et sujettes à des erreurs à grande échelle.
“Nous avons une limitation majeure dans la compréhension et la quantification de la façon dont le carbone entre et persiste dans le sol en raison de la façon dont nous le mesurons”, a déclaré Eoin Brodie, un scientifique du Berkeley Lab. “En général, nous prélevons une carotte de sol à un endroit donné dans un champ et la ramenons au laboratoire. Ensuite, nous le brûlons et mesurons le carbone libéré. C’est extrêmement laborieux et coûteux de faire cela, et on ne sait même pas à quel point ces carottes sont représentatives.”
Will Larsen et Arun Persaud dans l’installation de test neutronique du programme de science de la fusion et de technologie des faisceaux d’ions de la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée, configurant le détecteur de particules alpha. Le détecteur alpha permet de mesurer la distribution des atomes de carbone dans le sol. Crédit : Berkeley Lab
Brodie est directeur adjoint de la division des sciences du climat et des écosystèmes du Berkeley Lab et l’un des responsables du programme EcoSENSE, une composante du Biological & ; Environmental Program Integration Center (BioEPIC) actuellement en cours de développement. EcoSENSE vise à créer des suites de capteurs pour surveiller l’impact du climat et de la météo sur le fonctionnement des écosystèmes, et Brodie et ses collègues voulaient trouver un meilleur moyen de mesurer le carbone dans le sol. La vaste expertise scientifique disponible au Berkeley Lab, ainsi qu’un appel à propositions opportun sur les technologies de capteurs souterrains lancé par l’Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) du DOE, ont conduit Brodie, Persaud et leurs collègues à faire équipe sur ce projet. “Ce qu’il a fallu, c’est une communication entre des programmes très différents au Berkeley Lab”, a déclaré Brodie. “Nous avons pris connaissance de cette technologie potentiellement utile dans le programme Accelerator Technology & ; AppliedPhysics (ATAP) Division, et nous avons uni nos forces”. En fin de compte, l’équipe interdisciplinaire a obtenu une subvention du programme ARPA-E’s Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration (ROOTS), qui a permis ce travail.
La nouvelle méthode de mesure développée par l’équipe du Berkeley Lab élimine la nécessité de creuser le sol. Au lieu de cela, l’appareil, qui n’a pas encore de nom, balaie le sol avec un faisceau de neutrons. Ensuite, un détecteur capte la faible réponse du carbone et des autres éléments du sol aux neutrons, ce qui lui permet de cartographier la distribution des différents éléments dans le sol avec une résolution d’environ cinq centimètres. Tout cela se passe au-dessus du sol, sans trous, sans carottes et sans brûlure. “C’est comme donner au sol une IRM”, a déclaré M. Persaud, qui est un scientifique de l’ATAP. “Nous obtenons une image tridimensionnelle du sol et de la répartition du carbone dans celui-ci, ainsi que d’autres éléments comme le fer, le silicium, l’oxygène et l’aluminium, qui sont tous importants pour comprendre la persistance du carbone dans le sol.”
“Ce qui m’enthousiasme vraiment dans cette approche d’imagerie neutronique, c’est qu’elle nous permet d’imager efficacement et précisément les distributions de carbone dans les sols aux échelles auxquelles la comptabilisation du carbone doit se faire”, ajoute Brodie. “Et nous pouvons le faire à plusieurs reprises au cours des saisons de croissance, pour voir comment cela évolue en fonction des différents climats et pratiques de gestion des terres. À terme, nous pourrions utiliser ces données pour identifier les pratiques spécifiques de gestion des terres qui permettent d’extraire plus efficacement le carbone de l’atmosphère et de le stocker dans le sol.”
“Cette nouvelle méthode de détection du carbone est un exemple de réflexion hors des sentiers battus et de rassemblement de chercheurs de divers horizons, ici les sciences physiques et les sciences de la terre, pour créer une nouvelle technologie répondant aux défis du changement climatique”, a déclaré Cameron Geddes, directeur de l’ATAP.
Pour l’instant, le projet sort tout juste du laboratoire, et Persaud, Brodie et leurs collègues sont sur le point de le tester sur des sols réels dans un système extérieur. “Nous sommes vraiment impatients de le tester sur le sol ici au Berkeley Lab après la saison des pluies”, a déclaré Persaud.
“L’étape suivante consiste à rendre ce processus déployable sur le terrain et plus automatisé, afin qu’il puisse être incorporé à des choses comme les moissonneuses-batteuses et les tracteurs, de sorte qu’il fasse partie des capacités de détection que l’on trouve dans les fermes et dans les forêts”, a ajouté Brodie. “Il y a vraiment un énorme, énorme potentiel dans ce domaine”.
Référence : “Un système d’imagerie de particules associées entièrement numérique pour la détermination 3D des distributions isotopiques” par Mauricio Ayllon Unzuetaa, Bernhard Ludewigt, Brian Mak, Tanay Tak et Arun Persaud, 14 juin 2021, Revue des instruments scientifiques.
DOI : 10.1063/5.0030499
Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, le Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 14 prix Nobel. Aujourd’hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l’informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l’univers. Des scientifiques du monde entier s’appuient sur les installations du Berkeley Lab pour leurs propres découvertes scientifiques. Le Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l’Université de Californie pour l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie.
L’Office of Science du DOE est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus pressants de notre époque.
