Mise en service du nouveau synchrotron «Extremely Brilliant Source» à l’ESRF de Grenoble

L’installation européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble a fêté en août 2020 l’inauguration du synchrotron «Extremely Brilliant Source», le premier synchrotron à haute énergie de quatrième génération au monde. C’est un excellent exemple montrant la réussite d’une coopération scientifique européenne entre 22 pays. Après 20 mois de transformation et un investissement de 150 millions d’euros, cette nouvelle infrastructure offre à la communauté scientifique un instrument hors norme qui permet des applications dans des domaines de recherche jusqu’alors inaccessibles.

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Photo 1: Le nouvel anneau de stockage de l’EBS-ESRF est construit suivant une structure de grille innovante inventée par le directeur de la division Accélérateur de l’ESRF, Pantaleo Raimondi.
Photo: © ESRF

L’installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF pour European Synchrotron Radiation Facility) est l’une des sources de rayons X les plus puissantes au monde. Elle a été créée en 1988 et depuis, ne cesse de faire avancer la recherche synchrotron à l’échelle internationale. La source de lumière extrêmement brillante (EBS pour Extremely Brilliant Source) de l’ESRF ouvre la voie à des possibilités uniques de recherche sur les biomolécules, les nanomatériaux, les catalyseurs, les fossiles ou les biens culturels précieux.

La Suisse finance l’exploitation de cet instrument à hauteur d’environ cinq millions de francs par année, qu’elle verse à l’ESRF, garantissant ainsi l’accès des chercheurs suisses aux lignes de lumière de l’institution pour leurs études et expériences. Le Secrétariat d’État à la formation, à la recherche et à l’innovation est responsable de la participation suisse à l’EBS.

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Photo 2: Vue du rayonnement synchrotron tel que produit par l’installation précédente (en haut) et par l’EBS (en bas). La brillance et la cohérence du faisceau de rayons X ont été améliorées d’un facteur 100.
Photo: © ESRF

Défis technologiques et scientifiques

En respectant le budget prévu et en assurant la mise en œuvre du projet EBS dans les délais, les 22 pays partenaires ont établi une nouvelle norme en termes de coopération internationale. L’élément principal de l’EBS est un anneau de stockage d’un nouveau genre (photo 1) dans lequel circule un faisceau d’électrons sous forme de bande, haut de 2 micromètres et large de 20 micromètres, soit 30 fois plus resserré que le faisceau précédent (photo 2). Une configuration inédite de plus de 1000 aimants dans un tunnel circulaire de près de 850 mètres de long dirige et concentre les électrons, produisant un rayonnement synchrotron 100 fois plus brillant et cohérent qu’auparavant.

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Photo 3: scanner du poumon d’un homme de 54 ans décédé du COVID-19, afin de détecter les vaisseaux obstrués. La structure cellulaire est analysée graduellement, les globules rouges sont également imagés (flèches rouges).
Photo: © ESRF

La lumière synchrotron ainsi générée passe par des lignes de lumière optimisées et atteint les installations expérimentales, où le rayonnement est dirigé vers les échantillons à étudier et où des images sont prises avec de nouveaux détecteurs puissants. La sensibilité et la dynamique de l’imagerie à l’échelle nanométrique permettent même de capturer les processus macromoléculaires et les réactions chimiques. Des ordinateurs à haute performance sont nécessaires afin d’exploiter et d’analyser l’immense flux de données et d’enregistrer les images et les vidéos. Des options de commande à distance automatisées et des robots intelligents sont à disposition pour chaque ligne de lumière et chaque installation expérimentale.

Une nouvelle ère dans la recherche sur les organismes et les matériaux
Des mesures et des observations d’une précision jusqu’alors inconcevable sont maintenant devenues réalité grâce à l’ESRF-EBS. Il est notamment possible de scanner entièrement un organe humain, en 3D, avec une résolution au micromètre, par exemple pour mieux comprendre les phénomènes d’infection. Il est par ailleurs possible de cartographier le cerveau humain jusqu’au niveau des synapses et de réaliser ainsi des découvertes importantes pour ce qui est des maladies neurodégénératives. Grâce à cet instrument, la traque des atomes de lithium lors d’un cycle de batterie permet d’augmenter l’efficacité de la charge des batteries et l’observation des oxydes d’azote dans les moteurs diesel, d’améliorer les processus de combustion.

Ces nouvelles possibilités qu’ouvre l’ESRF-EBS, et bien d’autres encore, contribueront de manière significative à la maîtrise de questions globales et à une meilleure compréhension de la complexité des matériaux et de la matière vivante à l’échelle nanométrique. Il sera ainsi plus aisé de faire face aux défis auxquels le monde est confronté en matière de santé, d’environnement, d’énergie et de nouveaux matériaux industriels.

Contributions dans la lutte contre la pandémie de COVID-19
Début avril, les scientifiques ont commencé à utiliser l’ESRF-EBS dans le cadre de cinq projets de recherche sur le virus SARS-COV-2. Ils sont parvenus à caractériser le virus originel et ses mutations. D’autres projets utilisent les lignes de lumière de biologie structurale et un faisceau de bio-imagerie pour étudier les effets du virus sur les organes une fois qu’ils sont infectés.

Depuis peu, la technique synchrotron de l’ESRF-EBS est également mise à profit pour restituer un poumon humain dans son ensemble et pouvoir ainsi mieux observer les dégâts causés par le virus. Le poumon d’un homme de 54 ans décédé du COVID-19 a été entièrement scanné afin de détecter les vaisseaux obstrués (photo 3). Lors d’un zoom maximal, la résolution est 100 fois supérieure à celle obtenue par la tomographie clinique. Les découvertes faites grâce à cet instrument contribuent massivement à une meilleure compréhension de ce virus d’un nouveau type et de ses effets sur l’humain.

Informations complémentaires

Martin Steinacher, SEFRI
Conseiller scientifique, unité Organisations internationales de recherche

www.sbfi.admin.ch/ifo_esrf_f

https://www.sbfi.admin.ch/content/sbfi/fr/home/services/publications/base-de-donnees-des-publications/s-n-2021-3/s-n-2021-3c.html