Study of the cohesive properties of ice powders: applications to the surface of the icy moons of Jupiter and Saturn
Étude des propriétés cohésives des poudres de glace : applications aux surfaces des lunes glacées de Jupiter et Saturne
Résumé
Granular materials are an important aspect of our everyday lives, whenever we are confronted with individual grains such as powders or sand. Studying these materials is essential for risk prevention and optimizing industrial processes such as transport and storage.
Granular materials are also present in space exploration, in the form of powders on the surface of many solid bodies, known as regolith. Among Solar System objects, some bodies, mainly orbiting giant gas planets, feature a significant hydrosphere in their outermost layers, with a layer of ice overlying a liquid ocean at depth. These objects are known as icy moons.
Thus, these icy objects exhibit a unique regolith, mainly made up of ice grains, whose physical and mechanical properties are poorly constrained. Determining and understanding such properties is essential to explain the structures and morphologies observed on the surface of these objects. Also, for future space missions, understanding the mechanical properties of such materials is useful for analyzing future data and anticipating technical risks for possible in situ analyses.
This thesis therefore focuses on the production of icy powders, as analogues of the regolith of icy moons, their mechanical and numerical analysis. We have been able to give estimates of the cohesion of such materials and have highlighted its temperature dependence, which has important implications for the surface state of the icy moons.
Les matériaux granulaires constituent un aspect important de notre quotidien, dès lors que nous sommes confrontés à des grains individuels, comme des poudres ou du sable. Étudier ces matériaux est essentiel pour les problématiques de prévention des risques ou d’optimisation des procédés industriels comme le transport ou le stockage.
Les matériaux granulaires sont aussi présents dans les problématiques d’exploration spatiale, sous forme de poudres à la surface de nombreux corps solides, qui sont appelées un régolithe. Parmi les objets du Système Solaire, certains corps, orbitant principalement autour des planètes géantes gazeuses, présentent une hydrosphère importante au niveau de leurs couches les plus externes, avec une couche de glace surplombant un océan liquide en profondeur. Ces objets sont appelés des lunes de glace.
Ces objets glacés exhibent donc un régolithe unique, principalement constitué de grains de glace dont les propriétés physiques et mécaniques sont assez mal contraintes. Déterminer et comprendre de telles propriétés est indispensable pour expliquer les structures et morphologies observées à la surface de ces objets. De plus, dans le cadre des missions spatiales à venir, la compréhension des propriétés mécaniques de tels matériaux est également utile pour analyser les futures données et anticiper les risques techniques pour d’éventuelles analyses in situ.
Cette thèse s’intéresse donc à la production et l’analyse mécanique et numérique de poudres de glace, comme analogues au régolithe des lunes de glace du Système Solaire. Nous avons pu donner des estimations de la cohésion de tels matériaux et nous avons mis en évidence sa dépendance à la température, ce qui a des implications importantes pour l’état de surface des lunes de glace.
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