La recherche de trace de vie, passée ou présente, sur Mars est l’objectif principal de la mission martienne européenne ExoMars (ESA-Roscosmos), dont le lancement est prévu pour l’été 2020. Cette mission déposera à la surface de Mars un Rover équipé d'instruments dédiés notamment à l’étude du sous-sol de la planète dont une foreuse collectera des échantillons. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur la préparation du retour scientifique de l’expérience du radar WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) embarqué à bord du Rover d’ExoMars 2020 et dont l’objectif principal est la caractérisation, avant forage, du sous-sol proche de Mars.Les données recueillies par WISDOM permettront d’identifier les formations géologiques du sous-sol et de comprendre les processus qui en sont à l’origine. Elles guideront également les opérations de prélèvement d'échantillons en profondeur. L'objectif de cette thèse était de préparer les outils de traitements et d'interprétation de ces données. Les résultats obtenus doivent permettre d'exploiter au mieux les possibilités de l'instrument et d’atteindre les ambitieux objectifs technologiques (en termes notamment de résolution et de sensibilité) et scientifiques fixés. Plus précisément, il s’agissait de mettre en place des outils pour aboutir à une description des premiers mètres du sous-sol via l’interprétation des radargrammes de WISDOM en termes d’épaisseur de couche(s), de rugosité des interfaces, de distribution en taille d’éventuelles roches enfouies, d’orientation des strates et de constantes géo-électriques pour les unités géologiques détectées.Ce travail de thèse a permis la mise en place d’une chaîne de traitement de données ainsi que d’outils d’interprétation (traitement automatique et modélisation du radar).L’approche a été d’aborder le problème à la fois du point de vue théorique et du point de vue pratique. En conséquence, ce travail s’est appuyé sur deux aspects indissociables que sont, d’une part, la modélisation (analytique et numérique) du fonctionnement de l’instrument dans son environnement et, d’autre part, le traitement des données simulées et/ou expérimentales obtenues en milieu contrôlé ou lors de campagnes de mesures organisées dans le cadre de cette thèse. / The main objective of European ExoMars (ESA-Roscosmos) mission is to search for signs of past or present life on Mars. The mission, to be launched in summer 2020, will deliver a rover on the surface of Mars. This rover accommodates instruments designed to investigate the close subsurface and, in particular, a drill that will collect samples at depth ranging from 0.5 m to 2 m. This thesis manuscript relates the preparation of the scientific return of the WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) radar experiment whose main objective is to characterize, before drilling, the shallow subsurface of Mars.Data obtained by WISDOM will shed the light on geological structures in the subsurface and therefore help trace back the history of the investigated Martian sites. Furthermore, they will help to identify the most promising locations to collect samples without jeopardizing the drill. The objective of this thesis was to efficiently pave the way to data interpretation and appraise WISDOM’s potentiality.In order to reach the ambitious scientific and technologic objectives (especially in terms of resolution and sensitivity) of WISDOM, we have developed tools that rely on a deep understanding of the instrument. The ultimate goal of these tools is to provide a reliable representation of the shallow subsurface and quantitative interpretation in terms of thickness and orientation of underground layers, roughness at interfaces, distribution of buried rocks and geoelectrical constant for each geological unit detected.This thesis manuscript describes the signal processing chain and tools developed in order to prepare WISDOM’s scientific return. When possible, approaches based on automatic detection were preferred. This work relies both on theoretical and practical investigations, including an accurate (analytical and numerical) modeling of the instrument operations and test on experimental data acquired during field campaigns on potential Martian analogs.

Les sondes de permittivité sont des instruments de prospection géophysique non destructifs qui donnent accès aux propriétés électriques, aux basses fréquences (10 Hz-10 kHz), de la proche subsurface. Ce faisant, elles renseignent sur la composition, porosité, température et éventuelle hétérogénéité des premiers mètres sous la surface.Utilisant généralement 4 électrodes, le principe des sondes de permittivité est simple : il consiste à injecter un courant sinusoïdal de phase et d’amplitude connues entre deux électrodes (dipôle émetteur) et à mesurer l'impédance mutuelle (le rapport complexe entre la tension et le courant injecté) entre ce dipôle émetteur et un dipôle récepteur. La permittivité complexe du matériau de surface, à savoir sa constante diélectrique et sa conductivité électrique, sont alors déduites de la mesure de l’amplitude et de la phase de cette impédance mutuelle. Les fréquences d’opération des sondes de permittivités sont basses là où l’approximation quasi-statique s’applique. A ce jour, les propriétés électriques de seulement deux surfaces planétaires extraterrestres ont été étudiées par des sondes de permittivité : celle de Titan par l’instrument PWA-MIP/HASI/Huygens/Cassini-Huygens et celle du noyau de la comète 67P/Churyumov–Gerasimenko par SESAME-PP/Philae/Rosetta.Nous présentons la première analyse des données obtenues par SESAME-PP à la surface de la comète 67P/Churyumov–Gerasimenko. Grâce à un travail précis (1) de modélisation numérique de l’instrument et de son fonctionnement, (2) de campagne de mesures (en laboratoire et dans des grottes de glace) afin de valider la méthode d’analyse et (3) d’hypothèses réalistes sur l’environnement proche de la sonde, nous avons pu contraindre la composition et surtout la porosité des premiers mètres du noyau cométaire montrant qu’ils étaient plus compacts que son intérieur. Nous avons également travaillé à une nouvelle analyse des données obtenues en 2005 par PWA-MIP proposant notamment de nouveaux scénarios pour le changement brutal de propriétés électriques observé 11 min après l’atterrissage de Huygens. Ces nouveaux scénarios s’appuient, entre autres, sur les mesures de caractérisation électrique menées au LATMOS sur des échantillons de composés organiques (tholins), analogues possibles des matériaux recouvrant la surface de Titan. / Permittivity probes are non-destructive geophysical prospecting instruments that give access to the low frequency (10 Hz – 10 kHz) electrical properties of the close subsurface. This provides us with information on the composition, porosity, temperature, and heterogeneity of the first meters of the subsurface.Using 4 electrodes, the technique consists in injecting a sinusoidal current of known phase and amplitude between two electrodes (transmitting dipole) and measuring the mutual impedance (complex ratio of measured potential over injected current) between this dipole and a receiving dipole. The complex permittivity (i.e. dielectric constant and conductivity) of the subsurface material is derived from the measured phase and amplitude of the mutual impedance. The frequency range of operation of permittivity probes is low, therefore the quasi static approximation applies. To this day the electrical properties of only two extra-terrestrial surfaces have been studied by permittivity probes, the surface of Titan by the instrument PWA-MIP/HASI/Huygens/Cassini-Huygens and the surface of the nucleus of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko by SESAME-PP/Philae/Rosetta.We present a first analysis of the data collected by SESAME-PP at the surface of the comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. With the help of (1) precise numerical models of the instrument, (2) field measurements (in a controlled and natural environment) in order to validate the analysis method, and (3) realistic hypothesis on the close environment we were able to constrain the composition and porosity of the first meters of the comet’s nucleus, showing that the subsurface is more compact than its interior. We also reanalysed of the data collected in 2005 by PWA-MIP, offering new explanations for the abrupt change in the electrical properties observed 11 minutes after the landing of Huygens. These new scenarios were built in the light of lab measurements performed at LATMOS on samples of organic matter (tholins), possible analogue of Titan’s surface material.

Ce travail s'inscrit dans la compréhension du comportement de la sous-surface d'une pièce présentant des hétérogénéités contrôlées, soumise à un chargement de type hertzien sans affecter l'intégrité de sa surface initiale. Le but est de qualifier le champ de contraintes en sous couche. Pratiquement, des défauts de forme cylindrique sont positionnés là où le champ de contraintes est maximal. Le contact est dimensionné pour pouvoir observer, par photoélasticimétrie, les évolutions du champ de contraintes et développer une modélisation numérique pour étudier le comportement statique puis dynamique. Il ressort que la présence d'un trou sur l'axe de symétrie z (x = 0) est le facteur prépondérant. Les caractéristiques qui permettent de diminuer la contrainte de cisaillement sur l'axe de symétrie sont celles qui conduisent à un renforcement de la contrainte de cisaillement maximale dans le massif. Cette dualité nous conduit à proposer un indicateur qui prend en compte, à la fois, la contrainte de cisaillement, l'aplomb du contact et l"évolution de la contrainte maximale dans le massif. La méthodologie de travail a été mise en oeuvre et validée. Les approches analytiques et expérimentales ont permis de valider les modélisations numériques qui sont seules à même de permettre l'étude de nombreux cas. Les perspectives sont nombreuses, avec des incursions possibles en structuration de sous-surfaces, perçage simple, frittage sélectif par laser. Ce doctorat a permis de traiter le cas des défauts circulaires. Dans un autre domaine, le soudage est également un cas d'intérêt pour l'étude du comportement des cordons de soudure présentant des défauts de type porosités ou inclusions. / This research concerns the understanding of the sub-surface behaviour of a component presenting controlled heterogeneities and subjected to a Hertzian type load. The purpose is to qualify the stress field in the subsurface. Practically, defects of cylindrical shape are located where the stress field is maximal in sub surface. The contact is sized to be able to observe, by photoelasticity, the stress field and to develop a numerical model to simulate the behaviour (static and dynamic) of the friction area. It is highlighted that the presence of a hole on the z axis of symmetry (x = 0) is the dominating factor. The characteristics which allow decreasing the shearing stress on the symmetry axis are the ones which lead to a strengthening of the maximal shearing stress in the whole volume. This duality drives us to propose an indicator which takes into account, at the same time, the shearing stress below the contact and the evolution of the maximal stress in the whole volume. The working methodology was implemented and validated. The analytical and experimental approaches allow validating the numeric model which is the only one able to allow the study of numerous configurations. The perspectives are numerous, with possible incursions in structuring of sub-surfaces, simple drilling and selective laser sintering.... In another domain, the welding process is also a case of interest for the study of the behaviour of weld seam presenting defects of porosities or inclusions types

Ce travail s'inscrit dans la compréhension du comportement de la sous-surface d'une pièce présentant des hétérogénéités contrôlées, soumise à un chargement de type hertzien sans affecter l'intégrité de sa surface initiale. Le but est de qualifier le champ de contraintes en sous couche. Pratiquement, des défauts de forme cylindrique sont positionnés là où le champ de contraintes est maximal. Le contact est dimensionné pour pouvoir observer, par photoélasticimétrie, les évolutions du champ de contraintes et développer une modélisation numérique pour étudier le comportement statique puis dynamique. Il ressort que la présence d'un trou sur l'axe de symétrie z (x = 0) est le facteur prépondérant. Les caractéristiques qui permettent de diminuer la contrainte de cisaillement sur l'axe de symétrie sont celles qui conduisent à un renforcement de la contrainte de cisaillement maximale dans le massif. Cette dualité nous conduit à proposer un indicateur qui prend en compte, à la fois, la contrainte de cisaillement, l'aplomb du contact et l"évolution de la contrainte maximale dans le massif. La méthodologie de travail a été mise en oeuvre et validée. Les approches analytiques et expérimentales ont permis de valider les modélisations numériques qui sont seules à même de permettre l'étude de nombreux cas. Les perspectives sont nombreuses, avec des incursions possibles en structuration de sous-surfaces, perçage simple, frittage sélectif par laser. Ce doctorat a permis de traiter le cas des défauts circulaires. Dans un autre domaine, le soudage est également un cas d'intérêt pour l'étude du comportement des cordons de soudure présentant des défauts de type porosités ou inclusions.

Background: Addressing oil spills is crucial to protect the marine environment (Etkin, 2021). While physical and mechanical recovery methods have proven effective in controlling surface oil slicks (Doshi, 2018), subsurface challenges remain unaddressed. There is a need for low-cost, effective, and environmentally friendly solutions for subsurface oil removal. Bioinspired designs, based on nature’s evolutionary optimization, could offer promising solutions to oil spills. Objectives: The primary objective was to explore innovative and bioinspired approaches for effectively capturing and eliminating oil droplets from subsurface environments. The study aims to pioneer breakthroughs in biomimetic technologies for subsurface oil recovery. The objectives include developing a system inspired by humpback whales using bubbles, creating a fiber-based system inspired by copepods, and exploring sound as a separation technique for emulsions. Additionally, to decode the fluid mechanics within each capture system, unraveling the optimal processes responsible for successful oil droplet capture and separation in the emulsion simulation. And finally to assess system performance and potential for real-world scaling beyond the lab setting. Methods: A controlled environment simulating post-spill scenarios was established using different types of oil (crude oil, canola oil, fish oil). The emulsions were then exposed to three technology systems: micro-bubble redirection system, brush capture system, and sound wave modulations. The efficiency of oil removal and capture from the subsurface was measured using absorbent weight for the micro-bubble systems and lipid extraction for capture brush efficiency. High-speed camera images were taken to track oil droplet redirection in a flow tank, and ImageJ software to analyze droplet characteristics for effective control. Results: The analysis demonstrated that the Micro-Bubble air flotation method emerges as a highly efficient solution for post-spill oil recovery, consistently demonstrating exceptional performance. Cylinder-Ring Bubble Air Flotation method achieves a remarkable 72.4% recovery rate for canola oil, while fish oil exhibits a 14.0% recovery rate after 3 hours, highlighting the influence of oil viscosity. Be- 4 yond mere buoyancy, air bubbles showcase versatility, redirecting and containing oil droplets. The Micro-Bubble Redirection System, quantitatively assessed in a controlled environment, proves to be a significant breakthrough in controlling oil dispersion in aquatic settings. The biomimetic brush exhibited substantial oil capture capability. The fiber capture system at 360 RPM for 1-minute cycles, repeated 50 times, achieved over 46% oil removal. The modified brush at the same speed and duration captured over 19% of total oil. Post-treatment, the average size of oil droplets increased from 4.5 m to 5.5 m, showcasing changes in droplet size distribution with the fiber capture system. The sonic treatment effectively separated the majority of oil from water, revealing small oil droplets (x = 0.026 mm) in the central emulsion. This phenomenon warrants further investigation as a potential alternative to chemical surfactants. Conclusion: The development of biomimetic tools for oil spill clean-up represents a significant advancement in environmental protection. By addressing subsurface oil droplets, these methods contribute to safeguarding marine food webs from oil contamination. This study underscores the importance of innovative, natureinspired solutions in tackling complex environmental challenges. / Contexte : La lutte contre les déversements de pétrole est cruciale pour atténuer leur impact sur l’environnement marin (Etkin, 2021). Alors que les méthodes de récupération physique et m´ecanique se sont révélées efficaces pour contrôler les nappes de pétrole en surface (Doshi, 2018), les d´efis liés aux couches sous-marines restent non résolus. Il existe un besoin de solutions économiques, efficaces et respectueuses de l’environnement pour l’élimination du pétrole en sous-surface. Les conceptions bioinspirées, basées sur l’optimisation évolutive de la nature, pourraient offrir des solutions prometteuses aux déversements de pétrole. Objectifs : L’objectif principal était d’explorer des approches innovantes et bioinspirées pour capturer et éliminer efficacement les gouttelettes de pétrole des environnements sousmarins. L’étude vise à initier des percées dans les technologies biomimétiques pour la récupération du pétrole en sous-surface. Les objectifs incluent le développement d’un système inspiré des baleines à bosse utilisant des bulles, la création d’un système basé sur les fibres inspiré des copépodes, et l’exploration du son comme technique de séparation des émulsions. De plus, décoder la mécanique des fluides dans chaque système de capture, en démêlant les processus optimaux responsables de la capture et de la séparation réussies des gouttelettes de pétrole dans la simulation d’émulsion. Enfin, évaluer les performances du système et son potentiel de mise à l’échelle dans le monde réel au-delà du cadre du laboratoire. Méthodes : Un environnement contrôlé simulant des scénarios post-déversement a été établi en utilisant différents types de pétrole (pétrole brut, huile de colza, huile de poisson). Les émulsions ont ensuite été exposées à trois systèmes technologiques : système de redirection à micro-bulles, système de capture par brosse, et modulations des ondes sonores. L’efficacité de l’élimination et de la capture du pétrole en sous-surface a été mesurée en utilisant le poids absorbant pour les systèmes à micro-bulles et l’extraction des lipides pour l’efficacité de la brosse de capture. Des images de caméra haute vitesse ont été prises pour suivre la redirection des gouttelettes de pétrole dans 1 un réservoir à écoulement, et le logiciel ImageJ pour analyser les caractéristiques des gouttelettes pour un contrôle efficace. Résultats : L’analyse a démontré que la méthode de flottation d’air à microbulles émerge comme une solution très efficace pour la récupération d’huile après une fuite, montrant de manière cohérente des performances exceptionnelles. La méthode de flottation d’air à cylindre-anneau atteint un remarquable taux de récupération de 72,4% pour l’huile de canola, tandis que l’huile de poisson présente un taux de récupération de 14,0 % après 3 heures, mettant en évidence l’influence de la viscosité de l’huile. Au-delà de la simple flottabilité, les bulles d’air montrent leur polyvalence en redirigeant et en contenant les gouttelettes d’huile. Le système de redirection à microbulles, évalué de manière quantitative dans un environnement contôlé, s’avère être une avancée significative dans le contrôle de la dispersion de l’huile dans les milieux aquatiques. La brosse biomimétique a montré une capacité de capture substantielle de l’huile. Le système de capture de fibres à 360 tours par minute pendant des cycles d’1 minute, répété 50 fois, a atteint plus de 46% d’élimination de l’huile. La brosse modifiée à la même vitesse et durée a capturé plus de 19 % de l’huile totale. Après traitement, la taille moyenne des gouttelettes d’huile est passée de 4,5 m à 5,5 m, mettant en évidence des changements dans la distribution de la taille des gouttelettes avec le système de capture de fibres. Le traitement sonique a séparé efficacement la majorité de l’huile de l’eau, révélant de petites gouttelettes d’huile (x = 0,026 mm) dans l’émulsion centrale. Ce phénomène mérite une investigation plus approfondie en tant qu’alternative potentielle aux agents tensioactifs chimiques. Conclusion : Le développement d’outils biomimétiques pour le nettoyage des déversements de pétrole représente une avancée significative dans la protection de l’environnement. En s’attaquant aux gouttelettes de pétrole en sous-surface, ces méthodes contribuent à protéger les réseaux alimentaires marins de la contamination par le pétrole. Cette étude souligne l’importance de solutions innovantes et inspirées par la nature pour relever les défis environnementaux complexes.