Modelling the behaviour of granular material on the surface of asteroids and under different gravity conditions

• Auteur / Autrice : Naomi Murdoch
• Direction : Patrick Michel, Simon F. Green
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Nice en cotutelle avec The Open University, Royaume-Uni
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (mécanique)

Apesanteur

Milieux granulaires

Simulation par ordinateur

Astéroïdes

Altérites

Résumé

Cette thèse à l’interface entre les domaines scientifiques de la planétologie et de la physique des milieux granulaires, est divisée en deux parties qi ont toutes deux comme objectif d’améliorer notre compréhension de la physique des milieux granulaires dans différentes conditions de gravité. La dynamique des milieux granulaires est impliquée dans l’évolution des planètes telluriques, des satellites des planètes et des petits corps de notre Système Solaire, dont les surfaces sont généralement couvertes d’un milieu granulaire communément appelé le régolite. Une bonne compréhension du comportement des milieux granulaires est aussi critique pour la conception et/ou les opérations des atterrisseurs, des mécanismes de récolte d’échantillons et des rovers embarqués dans les missions spatiales. La première composante de cette thèse consiste à valider l’implémentation de la méthode d’éléments discrets dite de sphères dures ou (HSDEM pour « Hard Sphere Discret Element Method ») dans le code N-corps pkdgrav pour modéliser la dynamique des milieux granulaires. Par confrontation directe avec les résultats d’une expérience en laboratoire, nous démontrons que l’implémentation de HSDEM dans pkdgravest valide pour modéliser le comportement des milieux granulaires dans les régimes dilués. Une application à un système dense particulier est aussi présentée. La deuxième composante se concentre sur l’expérience AstEx de cisaillement d’un milieu granulaire en apesanteur. Cette expérience fut entièrement conçue, construite, conduite avec succès dans le cadre de cette thèse, ainsi que l’analyse des données. Nous avons ainsi mis en évidence que l’effet d’un cisaillement constant dans un sens perpendiculaire à la gravité n’est pas forcément influencé par la gravité. Nous avons aussi démontré que l’efficacité de la convection granulaire pourrait être réduite en présence d’un champ de gravité faible, similaire à celui présent à la surface des petits corps. Nous avons pu mesurer pour la première fois, un affaiblissement transitoire de la résistance d’un milieu granulaire après une inversion de la direction de cisaillement. Les résultats suggèrent que le réseau de force peut être plus faible en microgravité ; en revanche, le milieu est sensible aux changements du réseau de forces sur des distances beaucoup plus grandes conditions terrestres. Ces conclusions pourraient avoir des implications importantes dans l’interprétation des surfaces des astéroïdes.

This thesis, at the interface between the scientific disciplines of planetary science and granular physics, has two key components, both of which intend to increase our understanding of granular dynamics in varying gravitational conditions. The dynamics of granular materials are involved in the evolution of solid planets, planetary satellites and small bodies in our Solar System, whose surfaces are generally covered with regolith. Understanding granular dynamics is also critical for the design and/or operations of landers, sampling devices and rovers to be included in space missions. The first component of this thesis is the validation of the hard-sphere discrete element method (HSDEM) implementation in the N-body code pkdgrav to model the dynamics of granular material. By direct comparison with results form laboratory experiments, it is demonstrated that the hard-sphere discrete element method implementation in pkdgrav is valid for modelling granular material in dilute regimes and is capable of reproducing the complex dynamical behaviour of a specific dense system as well. The second component is focussed on the AsTex parabolic flight experiment. This experiment, with the aim of characterising, the response of granular material to rotational shear forces in a microgravity environment, was designed, constructed, flown and the data were analysed as part of this thesis. It was found that the effect of constant shearing on a granular material in a direction perpendicular to the gravity field is not strongly influenced by gravity. The AstEx experiment has demonstrated, for the first time, that the efficiency of granular convection may decrease in the presence of a weak gravitational field, similar to that on the surface of small bodies. The first measurements of transient weakening of granular material after shear reversal in microgravity are also reported. Results suggest that the force contact network may be weaker in microgravity, although the influence of any change in the contact network is felt by the granular material over much larger distances. This may have important implications of our interpretation of asteroid surfaces.