Muodim : la « radiographie », version XXL…

Produits au sommet de l’atmosphère, les muons se propagent naturellement vers le sol. L’une de leurs particularités réside dans leur capacité à traverser la matière tout en n’étant que très peu absorbés. À la manière des rayons X utilisés en radiographie, ces particules peuvent donc être utilisées pour imager de grandes structures telles que des cavités souterraines ou des équipements industriels. Pour cela, Jacques Marteau, directeur-adjoint de l’Institut de physique des 2 infinis de Lyon, a mis au point avec ses collaborateurs un système permettant, à partir de la détection de muons, de reconstituer l’image d’un objet-cible. Directeur scientifique de Muodim, Jacques Marteau nous présente l’entreprise qu’il a co-fondée et nous en dit plus sur la technologie qu’elle met en œuvre.

Techniques de l’Ingénieur : Muodim est issue de l’Institut de physique des 2 infinis de Lyon¹. Comment a-t-elle vu le jour exactement ?

Jacques Marteau : La start-up Muodim tient en effet ses racines de l’activité de mon laboratoire. En 2008, j’ai reçu des sollicitations de la part de collègues géophysiciens, de laboratoires de Rennes et de Paris, pour développer un système qui permettrait de détecter des particules élémentaires que l’on appelle des muons – je reviendrai en détails ensuite sur le principe – sur des terrains de type volcan. La première cible, à l’époque, était l’étude des caractéristiques du dôme de La Soufrière de Guadeloupe. Leur premier objectif était donc de pouvoir imager cette structure géologique.

Pour remonter un cran en arrière, il se trouve que nous avions développé depuis le début des années 2000, une chaîne de détection pour une expérience de physique des particules, qui consistait à détecter une autre particule élémentaire, le neutrino. La rencontre des besoins et des compétences à un instant T a donc fait que nous avons développé des détecteurs de terrain pour aller sur des dômes de volcans actifs. Cela remonte donc aux environs de 2008.

Nous avons ainsi établi, grâce à cette collaboration, un fort lien interdisciplinaire entre la physique des particules, qui est mon domaine de spécialité, et les géosciences.

Après les volcans, nous nous sommes intéressés à ce qui se passait dans les couches géologiques situées au-dessus d’un laboratoire sous-terrain. Nous avons suivi un parcours académique classique : monté des projets, obtenu des financements, fait des publications… Et puis, de fil en aiguille, à partir des années 2015, et plus encore en 2017, j’ai commencé à recevoir des demandes de la part d’industriels et d’autres acteurs privés pour essayer d’évaluer les performances de notre technologie pour les grandes structures industrielles, par exemple pour les hauts-fourneaux, les centrales nucléaires, ou encore les fours de production de verre. Ces grandes structures industrielles cherchaient une solution d’imagerie pour des problématiques variées, qui allaient de l’identification d’un contenu, jusqu’à des problématiques d’encrassement de tuyaux d’écoulement, en passant par des phénomènes d’usure de parois.

Nous avons donc commencé à établir nos premiers contrats de prestation pour de grands groupes industriels, et puis la demande s’est intensifiée à tel point que, en discutant avec nos tutelles, on nous a conseillé de créer une structure adéquate.

Il a fallu près de trois ans pour monter la start-up, afin notamment de trouver la bonne équipe : le bon investisseur, les bons conseillers scientifiques… Je me suis appuyé sur le réseau académique que j’avais tissé, composé d’anciens étudiants, d’anciens doctorants ou post-doctorants, d’anciens collègues ingénieurs avec qui j’avais développé des projets académiques. Et puis une rencontre s’est faite et a été un peu l’élément déclencheur. Une rencontre post-Covid… J’ai rencontré mon associé actuel Christophe Pichol-Thievend, entrepreneur depuis 25 ans, travaillant dans le domaine du conseil technique et de l’audit dans le milieu industriel.

Les choses se sont ainsi accélérées début 2021. La machine s’est mise en route : nous avons posé les statuts de la start-up à l’été 2021. Nous avons ainsi signé nos premiers contrats dans le cadre du projet du Grand Paris Express, qui utilise notre technique d’imagerie embarquée sur les tunneliers pour faire de la reconnaissance à l’avancement. Cela permet de prévenir les risques liés au creusement et évite ainsi d’endommager la machine.

Depuis, nous avons signé des contrats avec d’autres grands groupes, tels que Saint-Gobain, ou de plus petites entreprises. Notre ambition, pour les deux années post-création, est de multiplier les preuves de concept, les cas d’usages, pour pouvoir éduquer le marché à cette nouvelle technologie et voir quelles sont les voies porteuses. Cela nous permettra, ensuite, d’avoir une offre commerciale concurrentielle et intéressante par rapport à d’autres techniques présentes sur le marché.

Comment fonctionne, concrètement, la technologie que vous avez développée ? Que sont ces fameux « muons » que vous évoquez ?

La tomographie par muons, ou muographie, consiste, comme son nom l’indique, à réaliser des images à partir de muons. Cela fonctionne grosso modo comme la radiographie, sauf que nous avons remplacé les rayons X par les muons : des particules traversent un milieu et sont plus ou moins arrêtées par ce milieu en fonction de sa densité. Les zones les plus denses arrêtent plus efficacement les particules que les zones les moins denses. Quand on place un détecteur après le milieu, on compte, en fonction des directions, là où les particules ont été les plus arrêtées, et on reconstruit une image en fonction de la densité. C’est une densitométrie, de la même façon qu’une radio montre les os, très denses, qui arrêtent les rayons X. Ces rayons ne seraient pas assez pénétrants pour traverser de grosses structures. Nous les remplaçons donc par les muons, des particules naturellement générées dans l’atmosphère.

Il se trouve en effet que la Terre est bombardée en permanence par le rayonnement cosmique primaire, des particules élémentaires très énergétiques, qui proviennent de l’explosion dans l’Univers d’étoiles, de supernovæ… Une première couche de l’atmosphère sert donc « d’airbag » : les particules élémentaires rencontrent les noyaux d’oxygène et d’azote, cela va initier des réactions nucléaires, qui génèrent à leur tour de nombreuses particules secondaires, parmi lesquelles on trouve donc nos fameux muons. Ils sont ainsi produits au sommet de l’atmosphère et se propagent vers le sol. Ils parcourent donc une dizaine de kilomètres et ont une propriété qui nous intéresse beaucoup : ils peuvent traverser la matière sans être trop absorbés par celle-ci.

En termes de propriétés, il s’agit, en quelque sorte, de gros électrons. Ils appartiennent à la même famille. Ils sont simplement 200 fois plus massifs, ce qui fait qu’ils interagissent moins avec la matière qu’ils rencontrent que les électrons. Ils peuvent ainsi voyager des centaines de mètres, voire des kilomètres dans la roche avant d’être totalement absorbés.

Ces particules présentes naturellement dans l’atmosphère ont aussi l’avantage d’être disponibles 24/24h, 7/7j, avec un flux relativement bien connu d’un point de vue théorique, que l’on mesure depuis près d’un siècle. Ce sont ainsi ces particules que nous utilisons, en combinaison avec les détecteurs que nous avons développés au sein du laboratoire, pour regarder à l’intérieur des objets. Voilà le principe de la muographie.

Comment ces détecteurs fonctionnent-ils ?

Le principe de la détection est le suivant : on prélève un peu d’énergie à la particule lorsqu’elle traverse la matière du détecteur. On capte cette énergie sous la forme d’un rayonnement lumineux, que l’on appelle « lumière de scintillation », émise grâce à un matériau spécial constituant un scintillateur. On piège cette lumière, que l’on guide ensuite vers une chaîne opto-électronique plus classique dans laquelle on a des photodétecteurs.

Chaque fois qu’une particule traverse un pixel de notre détecteur, une tache lumineuse apparaît. Il suffit donc de mettre des plans de détection parallèles pour pouvoir regarder l’ensemble des pixels traversés par la particule et les mettre en coïncidence temporelle grâce à des horloges très précises, de l’ordre de la nanoseconde. L’alignement de ces pixels nous permet de reconstituer la trajectoire de la particule incidente. On sait ainsi de quel endroit de la cible elle est issue. On effectue donc un comptage, direction par direction, du nombre de particules que l’on reçoit. On compare cela avec le nombre de particules que l’on aurait dû recevoir si l’obstacle n’avait pas été présent ou si sa densité avait été différente. Ces comparaisons nous permettent de remonter à la distribution de matière la plus probable reproduisant les données que l’on a obtenues.

Quel est le temps nécessaire pour obtenir une image ?

Cela varie en fonction des spécificités de chaque cas, mais pour donner des ordres de grandeur, quand on fait l’image du dôme d’un volcan tel que La Soufrière de Guadeloupe, il faut compter de l’ordre d’un mois. Quand on est dans les galeries souterraines du métro de Paris, où l’on n’a qu’une cinquantaine de mètres de matière, on arrive à faire des images à une échelle de temps qui est de l’ordre de l’heure. Si l’on descend à une échelle encore inférieure, avec des structures beaucoup plus fines, telles que la pile d’un pont, on n’est alors plus qu’à quelques minutes.

On a donc un spectre à la fois de résolution spatiale et de résolution temporelle qui est extrêmement vaste, et très dépendant du cas d’usage. La résolution spatiale va du millimètre voire en dessous, jusqu’à des cubes d’une dizaine de mètres de côté, dans le cas d’un volcan par exemple.

Des conditions environnementales particulières sont-elles nécessaires pour pouvoir mettre en œuvre la technique ? Y a-t-il éventuellement des risques de perturbations ?

La technologie est totalement immune aux bruits environnementaux divers et variés. Les seules choses qui peuvent éventuellement être gênantes sont les perturbations standards d’un équipement électronique, des champs magnétiques très intenses par exemple.

En revanche, comme on détecte des particules qui viennent de l’atmosphère, d’en haut, on ne peut voir qu’au-dessus de l’horizon du détecteur. Il doit donc toujours être placé soit sur le côté soit en dessous de sa cible.

L’autre contrainte est que nous utilisons une méthode totalement passive. C’est, certes, un énorme avantage, car nous n’envoyons aucun signal qui pourrait perturber les systèmes que l’on regarde – ce qui nous permet d’inspecter des systèmes fragiles, sensibles – mais nous sommes aussi totalement dépendants de ce que la nature nous envoie… Par exemple, si l’on devait aller chercher, disons, du pétrole à des profondeurs extrêmement importantes, on aurait extrêmement peu de signal.

Quelles sont justement les applications possibles de la muographie ?

Nos champs d’application essentiels concernent notamment l’imagerie grand volume, l’imagerie de systèmes qui sont opaques à toutes les autres techniques, tels que les ultrasons ou la méthode de gammamétrie, ou encore l’imagerie de volumes dangereux. Nous procédons en effet à l’installation d’un détecteur qui nous permet de regarder la cible depuis un endroit éloigné ; on n’est pas obligé d’être directement à son contact. La technique ne nécessite pas non plus la présence d’un opérateur 24/24h, puisque l’acquisition de données est automatisée et que les muons sont disponibles en permanence. Cela nous permet ainsi d’assurer un suivi temporel des contenus, encore une fois sans intervention du moindre opérateur pour déplacer une sonde ou autre. Tout cela est donc idéal pour les zones dangereuses, comme les zones Seveso ou radioactives.

Le flux de muons souffre-t-il d’une éventuelle variabilité ? Comment composez-vous avec cette contrainte dans ce cas ?

Il y a, en effet, à cause des variations de la pression atmosphérique, c’est-à-dire de la hauteur de la colonne d’air, une certaine variabilité de l’intensité du flux de muons. Elle est toutefois relativement faible, de l’ordre de quelques pour-cent. C’est quelque chose que l’on compense, que l’on connaît. Le flux est sinon très bien calibré, relativement isotrope quels que soient les points de la surface du globe où l’on effectue la mesure. Il dépend toutefois également un peu du flux géomagnétique et de l’altitude. Mais tout ceci reste bien connu et contrôlé.

Concrètement, à quoi ressemble le détecteur ? Quelle est par exemple sa taille ?

Sa taille est de l’ordre d’un mètre de côté. Cela n’est pas limité par le savoir-faire ou une quelconque contrainte technique, c’est tout simplement dû au fait que nous souhaitons pouvoir le manipuler aisément sur le terrain, ce qui est possible avec un appareil de cette taille. Ils peuvent aussi être plus petits si l’on n’a pas besoin d’une grande profondeur de champ, voire plus grands si besoin.

Vous poursuivez toujours actuellement des travaux de développement technologique. Pouvez-vous nous en dire un peu plus ? Sur quoi portent-ils ?

Il y a toujours une obsession qui consiste à améliorer la résolution d’un détecteur. Nous essayons donc de trouver des « trucs et astuces » pour améliorer les résolutions spatiales et temporelles, sans forcément multiplier le nombre de pixels, qui aboutit en effet à l’augmentation de la consommation du dispositif. Nous avons toujours en ligne de mire le fait que notre solution se destine à des terrains qui ne sont souvent pas dotés d’électricité ni de moyens de communication. Il nous faut donc travailler pour rendre nos appareils le plus autonomisables possible, prévoir leur alimentation à l’aide de panneaux solaires ou de petites éoliennes. Nous cherchons donc à augmenter la résolution de nos appareils tout en gardant une consommation raisonnable.

Muodim n’est ainsi pas uniquement une entreprise de prestation, mais aussi une entreprise de R&D. Les cas d’usages sur lesquels nous nous positionnons pour l’instant sont ceux qui représentent pour nous des possibilités en matière de recherche et développement : développement de nouvelles méthodes, mise au point de nouveaux algorithmes ou de nouveaux détecteurs…

Il est évident qu’avec ce type de problématique – qui conjugue celles liées à la physique des particules et celles liées à l’imagerie, telles que les aberrations – l’intelligence artificielle et le machine learning ont quelque chose à apporter. Nous sommes donc très intéressés par ces sujets. Nous sommes en effet tributaires de ce que la nature nous envoie. Il nous faut donc absolument « rentabiliser » chaque muon détecté, afin d’en extraire un maximum d’informations. C’est vraiment un champ de développement permanent, continu, que nous tenons à conserver chez Muodim.

Quels enseignements tirez-vous de cette aventure entrepreneuriale qui vous a amené à figurer parmi les quatre lauréats de la Médaille de l’innovation 2022 décernée par le CNRS ?

Il y a quelque chose qui me tient vraiment à cœur… Techniquement et scientifiquement, le projet était mûr il y a trois ou quatre ans. Mon retour d’expérience est que cela n’a été possible qu’à partir du moment où le facteur humain a trouvé la bonne dimension. J’ai constitué Muodim avec une équipe composée de personnes qui ne sont pas forcément les plus évidentes de prime abord. D’autres scientifiques étaient très pertinents dans le domaine, mais ne partageaient pas les mêmes valeurs, ne poursuivaient pas les mêmes objectifs. Nos valeurs sont en effet avant tout éthiques. Nos objectifs consistent essentiellement à recruter de jeunes docteurs de manière à leur offrir des débouchés. Nous réinvestissons nos bénéfices en cherchant à valoriser le capital humain. C’est là qu’est la capacité d’innovation, le réservoir des compétences. Cela est très important et cela n’a pas de prix. L’humain est donc la valeur cardinale de Muodim, qui fait que le projet a démarré à un moment donné et pas avant. J’ai notamment été en contact avec des investisseurs, qui étaient très bien, mais qui avaient des ambitions démesurées en termes financiers, quel que soit le prix à payer au niveau humain, et c’était une chose que je ne voulais pas.

Tout cela s’éloigne de la technique, mais a selon moi au moins autant de valeur.

¹CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1