Les matériaux granulaires sont omniprésents dans la nature et l'industrie. Des exemples typiques sont le sable de plage, les poudres pharmaceutiques, mais aussi la poussière et le matériau qui recouvrent les surfaces des planètes, de leurs satellites et des petits corps du Système Solaire (Le système solaire est le nom donné au système planétaire composé du Soleil et des objets célestes gravitant autour de lui. Par extension, le terme système solaire peut parfois être...). Les écoulements des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) granulaires sont un sujet largement étudié, et pourtant un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble, désigne intuitivement une collection d’objets (que l'on appelle éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait,...) complet d'équations les gouvernant n'a toujours pas été découvert. En d'autres termes, la prédiction de ces écoulements est souvent confrontée à de grandes incertitudes en dépit des nombreux efforts pour développer des modèles sophistiqués.


Par exemple, le rôle de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) dans ces écoulements est encore mal établi, car notre connaissance est basée sur nos observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) dans le cadre de la gravité terrestre, alors que la gravité est bien plus faible sur les corps célestes tels que les astéroïdes, la Lune (On appelle lune tout satellite naturel d'une planète, mais la Lune, avec un L majuscule, désigne le seul satellite naturel de la Terre. Par sa visibilité et ses...) et Mars. En utilisant l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...) unique disponible à bord d'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le cas d'un engin sans moteur, on parlera...) effectuant des vols paraboliques en micro-gravité, nous avons effectué des expériences dans le but d'explorer le rôle de la gravité (ou de son absence) dans les écoulements de matériaux granulaires. Cela nous permet d'explorer ces écoulements dans des conditions qui deviennent très proches de celles rencontrées à la surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent abusivement confondu avec sa mesure - l'aire ou la superficie.) de corps bien plus petits que la Terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil.). Dans les conditions de gravité terrestre, l'écoulement à deux composantes: un écoulement global que nous induisons, et un écoulement secondaire de type convectif. Ce dernier désigne le mélange (Un mélange est une réunion de deux ou plusieurs substances.) des couches supérieures de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle...) étudiée avec ses couches inférieures.

Les caractéristiques d'écoulements convectifs sont cruciales dans les applications industrielles telles que la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) de grains par leur taille, leur forme ou leur densité (La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume d'eau pure à la température de 3,98 °C.).

Cette problématique peut intervenir, par exemple, dans la production de médicaments dont les composants doivent être parfaitement mélangés. Elle intervient également dans les questionnements en sciences planétaires, tels que la compréhension du comportement des matériaux granulaires à la surface des corps célestes de gravités différentes. Une expérience de cisaillement de matériaux granulaires utilisant une cellule de type Taylor-Couette a été effectuée en micro-gravité à l'aide de vols paraboliques avec l'Airbus (Airbus est le principal constructeur aéronautique européen. La société est l'entière propriété d'EADS. Elle conçoit, développe, construit, vend et assure le support technique après-vente des avions du même nom.) de la société Novespace, dans le cadre du programme sélectif "Fly your Thesis" (faites voler votre thèse) de l'Agence Spatiale Européenne (L'Agence spatiale européenne ou ESA, European Space Agency, est une agence spatiale fondée [1] le 31 mai 1975. Elle est chargée de la coordination des projets spatiaux de 17 pays...). Cette expérience a permis d'explorer le rôle de la gravité en tant que force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) contrôlant les écoulements secondaires dans un écoulement confiné de matériaux granulaires. Nos expériences montrent que l'écoulement secondaire ne se manifeste pas en l'absence de gravité et que son importance augmente avec le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de gravité.

Nous suggérons que la gravité ajuste les intéractions frictionnelles entre les grains eux-mêmes et ainsi que celles entre les grains et les murs de l'expérience qui contrôlent l'écoulement convectif. Nous présentons des mesures qui soutiennent cette suggestion. Une telle compréhension du rôle de la gravité est important pour interpréter correctement les images des surfaces couvertes de matériaux granulaires envoyées par les sondes spatiales visitant les corps solides du Système Solaire et pour préparer les missions futures – robotiques ou humaines – qui interagiront avec ces surfaces.

Ce travail est le fruit d'une collaboration entre l'Observatoire de la Côte d'Azur, l'Open University (Angleterre) et l'Université du Maryland (Etats-Unis).

Références:

N. Murdoch (OCA, Open University), B. Rozitis (Open University), K. Nordstrom (University of Maryland), S. F. Green (Open University), Patrick Michel (OCA), T-L. de Lophem, and W. Losert (University of Maryland).
Granular Convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un...) in Microgravity, Physical Review Letters, Janvier 2013.