Dr Piotr Klejment w swojej pracy skupia się na dwóch głównych kierunkach badawczych – jest to pękanie heterogenicznych kruchych materiałów w trzech standardowych testach inżynierskich: ściskania i rozciągania jednoosiowego oraz podczas tzw. „testu brazylijskiego”, a także modelowanie cielenia się lodowców, koncentrujące się na analizie propagacji fal w lodzie i pod wodą. Wybrana  Metoda Elementów Dyskretnych pozwala na otrzymywanie rezultatów, których nie da się otrzymać za pomocą innych metod.

Nierzadko fizyka teoretyczna wydaje się hermetyczną dziedziną, dostępną tylko dla wąskiego grona specjalistów, a jednak udało się wywrzeć niezapomniane wrażenie na publiczności obecnej na obronie pracy. Z dużym zainteresowaniem przyjęto zwłaszcza widowiskową animację - uproszczony model cielenia się lodowca, przy pomocy którego można badać odrywanie się fragmentów lodu. Dzięki takiemu modelowi możliwe było przeanalizowanie sygnałów zarejestrowane przez akcelerometry i w efekcie jakościowa analiza propagacji fali w lodzie i wodzie. 

W ramach pracy uzyskano kilka interesujących i co ciekawe - nieco sprzecznych z intuicją ustaleń. Zaskakujące były wyniki uzyskane w ramach symulacji tzw. próby brazylijskiej. Stwierdziłem, że obciążenie krytyczne, które jest w stanie wytrzymać próbka, zależy liniowo od rozmiaru ziaren materiału (a dokładnie odwrotności ich minimalnego rozmiaru). Nasuwa to pytanie o możliwość istnienia prawa skalowania – wspomina autor pracy.

Modele numeryczne to nowa jakość i nowe możliwości dla naukowców

Ostatnie dekady przyniosły niezwykle szybki wzrost mocy obliczeniowych komputerów. Dlatego tzw. modelowanie numeryczne oferuje coraz większe możliwości zarówno w nauce, jak i inżynierii. Symulacje komputerowe mogą stanowić uzupełnienie badań laboratoryjne i terenowych, a coraz częściej wręcz je zastąpić. Uzyskane w ten sposób dane stanowią całkowicie nową jakość w wielu zagadnieniach, a jedynym ograniczeniem jest wyobraźnia oraz aktualne możliwości komputerów.  – mówi dr Piotr Klejment.

Geofizyczne wyzwanie – komputerowe narzędzia

Skąd takie zainteresowania badawcze i taki temat pracy? Studiując Fizykę Techniczną na Politechnice Warszawskiej dr Klejment zajmował się materiałami od strony laboratoryjnej, rzeczywistymi pomiarami.

Gdy pojawiła się możliwość rozpoczęcia studiów doktoranckich w Instytucie Geofizyki w zakresie czegoś nowego i bardzo obiecującego – modelowania numerycznego zagadnień dotyczących mechaniki materiałów w zastosowaniach geofizycznych - podjąłem się tego wyzwania - wspomina. Modelowanie komputerowe zachowania materiałów pod wpływem zewnętrznych obciążeń opiera się przede wszystkim na mechanice ośrodków ciągłych i Metodzie Elementów Skończonych. Takie podejście ma swoje zalety, ale także i ograniczenia, szczególnie widoczne w geofizyce. Geomateriały mają ziarnistą strukturę i do ich opisu lepiej się nadają metody numeryczne bazujące na dyskretnym modelu materii. Stąd pomysł, żeby użyć Metody Elementów Dyskretnych, i w ten sposób spróbować przeanalizować, jak przebiega fragmentacja materiałów poddanych zewnętrznym obciążeniom. Ze względu na znaczny koszt obliczeniowy metody, większość obliczeń została wykonana na superkomputerze.

Geofizyka, matematyka, techniki numeryczne i programowanie

Jak dr Klejment wspomina właśnie zakończone studia doktoranckie w Instytucie Geofizyki PAN?

Były bardzo wymagające, do tego prowadzone w języku angielskim, w międzynarodowym środowisku. Miałem możliwość zaprezentowania osiągniętych rezultatów podczas wielu konferencji krajowych i zagranicznych, a także rozwijania umiejętności w ramach warsztatów, praktyk, staży, a nawet dodatkowych studiów na Spitsbergenie. Były to lata pełne wyzwań i ciężkiej pracy, wymagające zdobycia umiejętności samodzielnego podejmowania problemów naukowych. (A.Wielgopolan, ZKNiE)

Plany na przyszłość

Metoda Elementów Dyskretnych oferuje bardzo szerokie możliwości w geofizyce. Jednym z najbardziej interesujących zagadnień jest modelowanie numeryczne lodowców, np. cielenia się lodowców. Jest to także zadanie najtrudniejsze pod względem technicznym do wykonania (niezwykle skomplikowana struktura lodu), ale jednocześnie szczególnie aktualne, ze względu na obecne zmiany klimatyczne.