Modélisation et simulation par éléments discrets de la formation et de l'évolution des agrégats gravitationnels // Discrete Element Modeling and Simulation of the Formation and Evolution of Gravitational Aggregates

La compréhension des propriétés physiques et mécaniques des petits corps planétaires (en particulier les astéroïdes) est essentielle non seulement pour l'étude du système solaire et de ses origines, mais aussi comme base pour les futures missions d'exploration et d'exploitation minières de l'espace. Jusqu'à récemment, on pensait que les plus petits astéroïdes étaient des roches monolithiques à la surface nue. Mais les missions spatiales et les observations récentes ont montré que non seulement leur surface est recouverte d'un mélange de régolithes fins et de roches plus grossières, mais que leur structure interne n'est pas non plus monolithique. C'est à partir de ces observations que le concept d'« astéroïde granulaire » a progressivement émergé.
Au cours des deux dernières décennies, un certain nombre de ces astéroïdes ont été visités par divers engins spatiaux et les premières informations les concernant sont apparues sous forme d'images. Un astéroïde granulaire, ou agrégat gravitationnel, est un corps céleste naturel formé d'un conglomérat de composants solides discrets (amas de débris) maintenus ensemble par leurs propres forces gravitationnelles, éventuellement cohésives et/ou adhésives. Leur comportement macroscopique et leur structure interne sont encore mal compris, tout simplement parce qu'ils sont inaccessibles et cachés. La question de savoir comment prédire leur résistance mécanique à partir de leur microstructure et de leur dynamique reste donc largement ouverte.
En raison de leur nature discrète, il est utile de les étudier en utilisant des concepts théoriques et des outils numériques développés pour les milieux granulaires, en particulier les approches de modélisation par éléments discrets (DEM). Les travaux récents en mécanique granulaire ont permis d'identifier des lois rhéologiques, souvent complexes et dépendantes de la dynamique, de décrire les microstructures sous-jacentes sous différentes charges, voire d'établir des liens micro-macro pour expliquer les phénomènes. De plus, les techniques de modélisation discrète les plus avancées ont même permis d'établir des relations souvent non linéaires et contre-intuitives entre une composition réaliste (formes et tailles des grains) et l'évolution des microstructures et du comportement macroscopique. Cependant, la plupart de ces phénomènes n'ont pas encore été étudiés dans le contexte des astéroïdes granulaires. Dans ce cas, il y a potentiellement au moins trois difficultés/défis : 1) le comportement : la gravité n'est ni constante ni unidirectionnelle, car chaque grain fournit en quelque sorte sa propre source de gravité, et il n'est donc pas évident de généraliser les connaissances actuelles à ces objets, 2) le numérique : la prise en compte de formes et de tailles de grains « réalistes » pose de nombreux défis en termes de détection et de temps de calcul dans le contexte des interactions à N-corps, et des stratégies d'optimisation doivent donc être élaborées, et enfin 3) interdisciplinaire : l'objectif est ici de communiquer les connaissances acquises dans deux communautés a priori différentes, celle des sciences planétaires et celle des milieux granulaires (qui se trouve déjà à l'interface entre la physique et la mécanique).
Dans ce contexte, le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de l'Université de Montpellier (France) et l'Astrodynamics Research Center de l'Université du Colorado-Boulder (USA) collaborent depuis 2018 pour développer des stratégies innovantes de modélisation numérique et théorique d'astéroïdes granulaires aux compositions (de plus en plus) réalistes ; voir la figure dans le fichier attaché qui montre l'agglomération d'un nuage de grains très polydispersés.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Understanding the physical and mechanical properties of small planetary bodies (especially asteroids) is essential not only for the study of the Solar System and its origins, but also as a basis for future space exploration and mining missions. Until recently, the smallest asteroids were thought to be monolithic rocks with a bare surface. But space missions and recent observations have shown that not only are their surfaces covered with a mixture of fine regoliths and coarser rocks, but that their internal structure is not monolithic either. From these observations the concept of the “granular asteroid“ has gradually emerged.
Over the last two decades, a number of these asteroids have been visited by various spacecraft and the first information about them has come in the form of images. As we now understand it, a granular asteroid, or gravitational aggregate, is a natural celestial body formed by a conglomerate of discrete solid components (debris piles) held together by their own gravitational forces, possibly cohesive and/or adhesive. Their macroscopic behavior and internal structure are still poorly understood, simply because they are inaccessible and hidden from us. How to predict their mechanical strength from their microstructure and dynamics therefore remains a largely open question.
Due to their discrete nature, it is useful to study them using theoretical concepts and numerical tools developed for granular media, in particular discrete element modeling (DEM) approaches. Recent work in granular mechanics has enabled us to identify rheological laws, often complex and dependent on dynamics, to describe the underlying microstructures under different loads, and even to establish micro-macro links to explain the phenomena. Moreover, the most advanced discrete modeling techniques have even made it possible to establish often non-linear and counter-intuitive relationships between realistic composition (grain shapes and sizes) and the evolution of microstructures and macroscopic behavior. However, most of these phenomena have not yet been studied in the context of granular asteroids. In this case, there are potentially at least three difficulties/challenges: 1) behavior: gravity is neither constant nor unidirectional, as each grain somehow provides its own source of gravity, and so it's not clear how current knowledge can be generalized to these objects, 2) numerical: taking into account 'realistic' grain shapes and sizes poses many challenges in terms of detection and computation times in the context of N-body interactions, and so optimisation strategies need to be devised, and finally 3) interdisciplinary: the aim here is to communicate knowledge acquired in two a priori different communities, that of planetary science with that of granular media (which is already at the interface between physics and mechanics).
In this context, the Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) of the University of Montpellier (France) and the Astrodynamics Research Center of the University of Colorado-Boulder (USA) have been collaborating since 2018 to develop innovative strategies for the numerical and theoretical modeling of granular asteroids with (increasingly) realistic compositions; see the figure in the joined file, which shows the agglomeration of a highly polydisperse grain cloud.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

La thèse requiert des connaissances et des compétences en calcul numérique, en algorithmes, en modélisation numérique discrète, ainsi qu'en physique et en mécanique des matériaux granulaires. Un intérêt pour les sciences planétaires serait un avantage.
The thesis requires knowledge and skills in numerical computation, algorithms, discrete numerical modeling, and the physics and mechanics of granular materials. An interest in planetary science would be an advantage.