"GRADYN", Le comportement des milieux granulaires et les missions spatiales vers les astéroïdes : une approche transdisciplinaire

GRADYN est un travail de recherche porté par des chercheurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA) et des physiciens des matériaux de l’Ecole des Mines ParisTech. Ce projet vise à étudier la surface granulaire des petits astéroïdes. Plus précisément, il s’agit de mieux comprendre les processus à l'origine de ces formations géologiques de surface comprenant des roches généralement non consolidées. Au delà d'améliorer nos connaissances de l’histoire et de l’évolution des surfaces des petits corps et des planètes, GRADYN contribue aussi aux activités de trois missions spatiales.

Etudier le comportement des matériaux granulaires à la surface des astéroïdes

Le projet GRADYN réunit des astrophysiciens et des physiciens des matériaux de l'Observatoire de la Côte d'Azur et de l'Ecole des Mines ParisTech pour étudier le comportement des matériaux granulaires à la surface des astéroïdes.

Pour les corps planétaires sans atmosphère comme les astéroïdes, les interactions de l’environnement spatial (rayonnements, météorites) avec leur surface engendrent la formation d’un régolite. Ce matériau granulaire recouvrant la surface des astéroïdes est constitué de grains de roches et de poussières. Contrairement à la poussière terrestre, le régolithe est fortement chargé par le rayonnement solaire car il est abrité par des corps ou satellites naturels sans atmosphère.

L’étude de ces matériaux peut permettre de dater un corps céleste. Par exemple, l’épaisseur de régolite sur l’astéroïde Lutetia, estimée à 600 mètres, témoigne d'un bombardement de la surface depuis plusieurs milliards d'années.

L’exploitation de ce matériau pourrait, quant à elle, être utile pour les futures missions habitées. En effet, l’agence spatiale européenne, l’ESA, travaille sur une méthode d’extraction de l’oxygène présent dans le régolithe lunaire. La poussière composant le sol lunaire contient différents éléments (sodium, magnésium, titane, fer) dont principalement de l’oxygène, présent entre 40 à 45%. Ce processus d’extraction et de transformation pourrait être repris pour préparer une arriver sur mars.

Les propriétés et le comportement de ce matériau extraterrestre sont encore mal connus. Pour nous éclairer, GRADYN propose d’étudier le régolithe dans les conditions de faible gravité d'un petit astéroïde.

Tirer avantage des différentes approches de modélisation

Pour étudier le comportement des matériaux granulaires dans des conditions similaires à celles dans lesquelles les petits astéroïdes évoluent, c’est-à-dire en faible gravité, l’équipe s'appuie sur différentes approches de modélisation.

Plus exactement, deux approches numériques complémentaires sont proposées pour étudier ce matériau : une approche discrète particulaire et une approche continue.

Les simulations numériques discrètes consistent à modéliser chaque grain individuellement et à gérer chaque contact entre les grains. Cette approche permet ainsi de prendre en compte des paramètres micromécaniques dans le comportement du régolithe et de simuler des sollicitations complexes.

A l’inverse, l’approche continue, évite la complexité du traitement des forces de contact de chaque grain du milieu et permet de simuler des phénomènes mécaniques dans son ensemble. Cette méthode présente l’avantage de se réaliser à faible coût en termes de calcul.

L’hybridation de ces deux approches permet à l’équipe d’étudier la dynamique des matériaux granulaires avec un outil optimal en termes de temps de calcul et de lourdeur pour les applications futures.

A la suite des calculs de simulation effectués pour prédire le comportement du régolithe, une comparaison des résultats numériques aux expériences de laboratoire est prévue.

L’objectif est pour l’équipe de pouvoir améliorer notre connaissance de l'évolution des petits corps et des surfaces planétaires en se basant sur notre compréhension de la dynamique du régolithe à leur surface. 

Mais cette étude en lien avec la formation et l'évolution des astéroïdes et aussi corrélée à trois missions spatiales.

Trois missions spatiales au cœur du projet GRADYN

Ce projet de recherche est porté par les chercheurs de l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA) qui sont membres des équipes scientifiques ou responsables scientifiques de trois missions spatiales.

« OSIRIS-Rex », développée par l’agence spatiale américaine (NASA),
« Hayabusa2 », développée par l’agence japonaise (JAXA),
« AIDA », développée par l’agence européenne (ESA).

GRADYN contribue donc aussi aux activités de ces trois missions spatiales qui ont pour objectif de rendre visite à trois astéroïdes géocroiseurs. Ce sont des petits corps rocheux évoluant à proximité de la Terre.

Dans ce contexte, l’équipe prévoit de modéliser des interactions entre les instruments spatiaux (atterrisseur, instruments de prélèvement, rovers, etc.) avec la surface caractéristique des astéroïdes.

Cet effort dans la modélisation des outils d'échantillonnage et des déploiements d'atterrisseurs offre des solutions aux problèmes d'échantillonnage. Il a permis une contribution précieuse au choix des sites d'échantillonnage et d'atterrissage des missions Hayabusa 2 et OSIRIS-Rex lors de leurs visites d'astéroïdes en 2018-2019, et peut-être plus tard pour la mission AIDA.

Aussi, l’équipe apporte des bases de données utiles pour les missions OSIRIS-REx et Hayabusa 2. Par exemple, en fournissant des renseignements sur l'efficacité des outils d'échantillonnage. Autrement dit, quels sont les sites à choisir pour les échantillonnages en fonction des conditions locales de surface (pente, terrain, etc.) et des conditions locales de surface (distribution et propriétés du régolithe).

Dans le cadre des missions Hayabusa 2 et AIDA, GRADYN permet d’offrir une base de données des rebonds de l'atterrisseur en fonction des conditions locales de surface, des vitesses d'impact, de la géométrie de l'impact.

Pour rappel, la mission japonaise « Hayabusa2 », lancée le 3/12/2014, consistait à rendre visite à l’astéroïde Ryugu de 900 mètres de diamètre, vieux témoin de 4,6 milliards d'années de la formation du Système solaire.

Six ans après avoir quitté la Terre, la sonde Hayabusa-2 est parvenue à collecter des échantillons de cet astéroïde en février et juillet 2019. C’est la première fois que des échantillons sont prélevés sur un astéroïde carboné.

Ryugu révélé au détour d'un conte japonais (capsule vidéo de 3 min).

La mission NASA « OSIRIS-Rex », fut lancée le 8/09/2016 pour rendre visite à l’astéroïde potentiellement riche en carbone Bennu de 450 mètres de diamètre.
Comme prévu, l'engin spatial a atteint Bennu en 2018 et la sonde devrait ramener un échantillon sur Terre en 2023. Cette mission a plusieurs objectifs. D’une part, permettre aux scientifiques d’étudier comment les planètes se sont formées et comment la vie a commencé, ainsi qu'à améliorer notre compréhension des astéroïdes susceptibles d'avoir un impact sur la Terre.

Ces deux missions permettront d’accomplir un pas de géant dans notre compréhension des premières phases de l’histoire du Système Solaire. En particulier, concernant le rôle des astéroïdes dans la formation des planètes et dans l’émergence de la vie sur Terre.

Quant à la dernière mission « AIDA », qui se réalise en collaboration entre l’ESA et la NASA, elle consiste à étudier le recours à un engin de type impacteur pour dévier un astéroïde qui serait susceptible de frapper la Terre.

A ce jour, plus de 1 700 astéroïdes sont considérés comme potentiellement dangereux. La Nasa programme de provoquer une collision entre un projectile lancé depuis la Terre et Didymoon, qui est la petite Lune de l'astéroïde Didymos. Elle se trouvera à 13 millions de kilomètres seulement de la Terre en 2022. L'engin impacteur, baptisé DART (Double Asteroid Redirection Test), sera autoguidé, et lancé en 2020. Il percutera Didymoon deux ans plus tard.

L'Académie Systèmes Complexes soutient avec l'Académie "Espace, Environnement, Risques et Résilience" ce projet transdisciplinaire qui entre cadre de la proposition C4PO, une alliance de recherche consacrée à la compréhension de l'origine des systèmes planétaires. Le projet GRADYN possédant un impact scientifique majeur et offrant une visibilité accrue à Université Côte d'Azur (UCA), l'Académie Systèmes Complexes attribue une subvention de 37.785k€ pour financer 1/2 post doc, des frais de déplacements et de simulations.

Pour plus d'informations, aller sur le site de l'Académie "Espace, Environnement, Risques et Résilience" en cliquant ici.