Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Lois de comportements pour les régolithes glacés : de Mars aux lunes de Saturne

Laboratoire principal - Référent principal MAST - GPEM  -  ARTONI Riccardo      tél. : +33 240845616

Directeur du laboratoire principal RICHARD Patrick  -

Spécialité de la thèse Physique; Sciences de la terre

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE DE NANTES

Ecole doctorale EGAAL - Ecologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation

Directeur de thèse prévu ARTONI Riccardo  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - GPEM

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Les matériaux granulaires qui ont une distribution de taille très fine (poudres) sont caractérisés par une forte cohésion interne due aux forces de van der Waals [Andreotti et al. 2013]. Cela leur donne un comportement mécanique particulier, permettant de stabiliser des empilements peu denses qui peuvent s’effondrer suite à l’application d’une contrainte. La poudre de glace à basse température fait partie de cette classe de matériaux et bien comprendre sa rhéologie est important vis à vis de nombreuses applications industrielles potentielles (contrôle de la température dans le malaxage des pâtes granulaires, procédés de sablage novateurs). De plus, ce type de matériaux granulaire cohésif est omniprésent à la surface de nombreux corps du système solaire et détermine les propriétés physiques de leurs sols. On peut noter en particulier Encelade, petite lune de Saturne, où des éruptions et dépôts associés de grains de glace particulièrement fins ont pu être observés [Porco et al. 2006, Jaumann et al., 2008 ; Taffin et al. 2012], ou bien plus proche de nous, Mars où des écoulements surfaciques de glace poudreuse ont été observés au niveau de la calotte polaire nord [Russel et al., 2008]....

L'étude de la rhéologie de poudre de glace granulaire à basse et très basse température permettra de mieux comprendre et prédire le comportement de ces systèmes cohésifs afin, d'une part de, de proposer des procédés optimisées pour ces matériaux et, d'autre part, de comprendre la géophysique de surface des corps glacés du système solaire, pour, d'une part, mieux comprendre les processus contrôlant l'évolution de leur surface, et d'autre part anticiper les contraintes techniques sur les systèmes d'atterrissage et de forage pour les futures missions d'exploration in situ [Konstantinidis et al. 2018]. Deux missions in situ sont actuellement en cours de développement par la NASA, une première vers la lune Titan (Mission Dragonfly), une seconde vers la lune Europe (Mission Europa Lander). Anticiper les propriétés de ces sols glacés est essentiel pour minimiser les problèmes techniques que pourraient rencontrer ces futures missions.

Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer des connaissances sur le comportement mécanique de matériaux granulaires constitués de poudre de glace à travers la mise en œuvre de simulations numériques discrètes mettant en jeu des grains cohésifs, et des expériences en chambre froide. Le but ultime est de comprendre la stabilité du matériau en relation aux écoulements surfaciques, à un impact (atterrissage), et au forage. Ce projet naît d’une collaboration entre le laboratoire GPEM (Granulats et Procédés d’Elaboration des Matériaux) de l’IFSTTAR et le LPG (laboratoire de Planétologie et Géodynamique, Université de Nantes & CNRS), qui vise à combiner l’expertise du GPEM sur la rhéologie des matériaux granulaires et ses applications à celle du LPG sur la caractérisation des interactions surface-intérieur des corps glacés.

D'un point de vue expérimental, une technique de fabrication de poudres de glace avec une distribution de taille contrôlée sera développée. Les poudres seront caractérisées avec une boite de cisaillement pour poudres (par exemple, un Brookfield Powder Flow Tester), qui sera adaptée aux contraintes de température, et installé dans la chambre froide du LPG. Cet outil permettra de caractériser notamment les paramètres de plasticité [Molerus 1975] en fonction de la contrainte de consolidation, de la distribution de taille, de la forme des particules, de leur composition (présence de poudre de roche). Les paramètres obtenus (coefficient de frottement effectif, paramètre de cohésion, densité à l’état critique), donneront lieu à une quantification de la coulabilité des poudres (en référence à la mise en écoulement) et fourniront un jeu de données pour valider les simulations discrètes. Les expériences seront dans un premier temps menées à des températures de -30/-20°C, accessibles dans la chambre froide du LPG, qui sont pertinentes pour les applications industrielles et martiennes. Par la suite, la mise en place d’un système de refroidissement sera évaluée, pour pouvoir atteindre des températures plus basses, potentiellement jusqu'à 80 K représentatives de la surface des lunes de Saturne.
L’activité numérique consistera en la mise au point d’un modèle discret reproduisant les propriétés des poudres en question. Pour ce faire, un modèle de force cohésive interparticules construit en considérant la nature des matériaux (polydisperses, multicomposants) et des interactions (force électrostatiques, de van der Waals, ...) sera intégré dans un code de calcul développé par le laboratoire GPEM. Des premières simulations visant à reproduire les expériences en boîte de cisaillement serviront à valider le modèle et ajuster les paramètres des modèles d’interaction. Une fois validé, le modèle numérique sera utilisé pour simuler des conditions d’écoulement complexes comme (1) la déstabilisation d’une pente, inspirée par des problèmes d’écoulement en surface et (2) l’impact d’un corps, inspiré par des problématiques d’impact ou compression localisée et (3) le forage en utilisant différentes techniques (percussion vs. rotation).

Ce projet de thèse s’inscrit dans le projet GRIM porté par l’IFSTTAR et le LPG dans le cadre de l’appel à projet « Paris scientifiques en Pays de la Loire », qui soutient des sujets émergents, fondamentaux et transdisciplinaires. Néanmoins, le projet s’intègre dans les priorités de l’institut autour de la thématique de l’économie circulaire de la construction, car il vise à valider des outils de modélisation qui permettront l’optimisation environnementale des procédés traitant de matériaux granulaires. De ce fait le projet s'intègre dans l’Action de Recherche du Département MAST “Procédés de production optimisés”.

Les résultats seront diffusés dans des revues internationales à comité de lecture (journaux de physique, de la communauté des matériaux granulaires, des sciences planétaires). Au moins deux articles devraient être soumis avant la fin de la thèse. Il est également envisagé que le doctorant présente ses travaux lors de conférences thématiques (ex. Powders and Grains 2021, Partec 2022, congrès AGU 2022, EPSC2021).

Les candidats doivent être titulaires d’un Master 2 de physique, mécanique, sciences de la terre, ou équivalent. Ils doivent être motivés par les approches couplant des expériences avec des simulations numériques.

Mots-clefs: matériaux granulaires cohésifs; rhéologie; stabilité; poudre de glace; corps glacés du système solaire

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - GPEM - ARTONI Riccardo tél. : +33 240845616
Directeur du laboratoire principal	RICHARD Patrick -
Spécialité de la thèse	Physique; Sciences de la terre
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE DE NANTES
Ecole doctorale	EGAAL - Ecologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation
Directeur de thèse prévu	ARTONI Riccardo - Université Gustave Eiffel - MAST - GPEM
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Les matériaux granulaires qui ont une distribution de taille très fine (poudres) sont caractérisés par une forte cohésion interne due aux forces de van der Waals [Andreotti et al. 2013]. Cela leur donne un comportement mécanique particulier, permettant de stabiliser des empilements peu denses qui peuvent s’effondrer suite à l’application d’une contrainte. La poudre de glace à basse température fait partie de cette classe de matériaux et bien comprendre sa rhéologie est important vis à vis de nombreuses applications industrielles potentielles (contrôle de la température dans le malaxage des pâtes granulaires, procédés de sablage novateurs). De plus, ce type de matériaux granulaire cohésif est omniprésent à la surface de nombreux corps du système solaire et détermine les propriétés physiques de leurs sols. On peut noter en particulier Encelade, petite lune de Saturne, où des éruptions et dépôts associés de grains de glace particulièrement fins ont pu être observés [Porco et al. 2006, Jaumann et al., 2008 ; Taffin et al. 2012], ou bien plus proche de nous, Mars où des écoulements surfaciques de glace poudreuse ont été observés au niveau de la calotte polaire nord [Russel et al., 2008].... L'étude de la rhéologie de poudre de glace granulaire à basse et très basse température permettra de mieux comprendre et prédire le comportement de ces systèmes cohésifs afin, d'une part de, de proposer des procédés optimisées pour ces matériaux et, d'autre part, de comprendre la géophysique de surface des corps glacés du système solaire, pour, d'une part, mieux comprendre les processus contrôlant l'évolution de leur surface, et d'autre part anticiper les contraintes techniques sur les systèmes d'atterrissage et de forage pour les futures missions d'exploration in situ [Konstantinidis et al. 2018]. Deux missions in situ sont actuellement en cours de développement par la NASA, une première vers la lune Titan (Mission Dragonfly), une seconde vers la lune Europe (Mission Europa Lander). Anticiper les propriétés de ces sols glacés est essentiel pour minimiser les problèmes techniques que pourraient rencontrer ces futures missions. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer des connaissances sur le comportement mécanique de matériaux granulaires constitués de poudre de glace à travers la mise en œuvre de simulations numériques discrètes mettant en jeu des grains cohésifs, et des expériences en chambre froide. Le but ultime est de comprendre la stabilité du matériau en relation aux écoulements surfaciques, à un impact (atterrissage), et au forage. Ce projet naît d’une collaboration entre le laboratoire GPEM (Granulats et Procédés d’Elaboration des Matériaux) de l’IFSTTAR et le LPG (laboratoire de Planétologie et Géodynamique, Université de Nantes & CNRS), qui vise à combiner l’expertise du GPEM sur la rhéologie des matériaux granulaires et ses applications à celle du LPG sur la caractérisation des interactions surface-intérieur des corps glacés. D'un point de vue expérimental, une technique de fabrication de poudres de glace avec une distribution de taille contrôlée sera développée. Les poudres seront caractérisées avec une boite de cisaillement pour poudres (par exemple, un Brookfield Powder Flow Tester), qui sera adaptée aux contraintes de température, et installé dans la chambre froide du LPG. Cet outil permettra de caractériser notamment les paramètres de plasticité [Molerus 1975] en fonction de la contrainte de consolidation, de la distribution de taille, de la forme des particules, de leur composition (présence de poudre de roche). Les paramètres obtenus (coefficient de frottement effectif, paramètre de cohésion, densité à l’état critique), donneront lieu à une quantification de la coulabilité des poudres (en référence à la mise en écoulement) et fourniront un jeu de données pour valider les simulations discrètes. Les expériences seront dans un premier temps menées à des températures de -30/-20°C, accessibles dans la chambre froide du LPG, qui sont pertinentes pour les applications industrielles et martiennes. Par la suite, la mise en place d’un système de refroidissement sera évaluée, pour pouvoir atteindre des températures plus basses, potentiellement jusqu'à 80 K représentatives de la surface des lunes de Saturne. L’activité numérique consistera en la mise au point d’un modèle discret reproduisant les propriétés des poudres en question. Pour ce faire, un modèle de force cohésive interparticules construit en considérant la nature des matériaux (polydisperses, multicomposants) et des interactions (force électrostatiques, de van der Waals, ...) sera intégré dans un code de calcul développé par le laboratoire GPEM. Des premières simulations visant à reproduire les expériences en boîte de cisaillement serviront à valider le modèle et ajuster les paramètres des modèles d’interaction. Une fois validé, le modèle numérique sera utilisé pour simuler des conditions d’écoulement complexes comme (1) la déstabilisation d’une pente, inspirée par des problèmes d’écoulement en surface et (2) l’impact d’un corps, inspiré par des problématiques d’impact ou compression localisée et (3) le forage en utilisant différentes techniques (percussion vs. rotation). Ce projet de thèse s’inscrit dans le projet GRIM porté par l’IFSTTAR et le LPG dans le cadre de l’appel à projet « Paris scientifiques en Pays de la Loire », qui soutient des sujets émergents, fondamentaux et transdisciplinaires. Néanmoins, le projet s’intègre dans les priorités de l’institut autour de la thématique de l’économie circulaire de la construction, car il vise à valider des outils de modélisation qui permettront l’optimisation environnementale des procédés traitant de matériaux granulaires. De ce fait le projet s'intègre dans l’Action de Recherche du Département MAST “Procédés de production optimisés”. Les résultats seront diffusés dans des revues internationales à comité de lecture (journaux de physique, de la communauté des matériaux granulaires, des sciences planétaires). Au moins deux articles devraient être soumis avant la fin de la thèse. Il est également envisagé que le doctorant présente ses travaux lors de conférences thématiques (ex. Powders and Grains 2021, Partec 2022, congrès AGU 2022, EPSC2021). Les candidats doivent être titulaires d’un Master 2 de physique, mécanique, sciences de la terre, ou équivalent. Ils doivent être motivés par les approches couplant des expériences avec des simulations numériques.
Mots-clefs:	matériaux granulaires cohésifs; rhéologie; stabilité; poudre de glace; corps glacés du système solaire

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