Er zijn delen van de aarde waar aardbevingen vaak voorkomen. Meestal zijn dat lichte bevingen, die hooguit wat schade toebrengen aan gebouwen. De beelden van zwaardere aardbevingen hebben we allemaal wel eens op televisie gezien, met alle ellende die daarbij hoort. Met geavanceerde meetapparatuur en berekeningen proberen mensen aardbevingen te voorspellen voordat ze gebeuren, maar dat gaat nog niet heel goed. Aardbevingen voorkomen kan al helemaal niet. Maar nu blijkt er toch een vorm van beveiliging mogelijk: een groot deel van de vernietigende schokgolven kan namelijk om de bewoonde wereld heen gegidsd worden!
Aardbevingen zijn het resultaat van bewegende platen onder de continenten. Waar ze tegen elkaar duwen, bouwt zich energie op. Als ze dan ineens losschieten, komt die energie in één klap vrij. Vanuit het punt waar de energie los komt verspreidt zich een golf over de aarde: de aardbeving. De beving bestaat uit verschillende golven, die zich met verschillende snelheid voortbewegen. Daarom kan de oorsprong van de beving (het epicentrum) worden uitgerekend door de aankomsttijd van de verschillende golven met elkaar te vergelijken.
Dunne plaat
Mohamed Farhat, Sebastien Guenneau en Stefan Enoch uit Marseille en Liverpool kwamen op het idee om resonerende metamaterialen in te zetten tegen aardbevingen. Een aardbeving bestaat uit twee soorten golven: een golf in door de aarde en een oppervlaktegolf. De golf door de aarde is moeilijk te controleren, maar de golf over het oppervlak kan in veel opzichten worden gezien als een oppervlaktegolf in een dunne plaat. Dat is een situatie waar je veel over kunt uitrekenen. Gelukkig is de oppervlaktegolf ook nog het meest destructieve deel van een aardbeving, dus als die golf kan worden bedwongen, neemt het gevaar van de beving sterk af. En dat is precies waar resonatoren van metamaterialen goed in zijn.
De term metamateriaal wordt gebruikt voor een samengesteld systeem van verschillende materialen, dat zich op grote schaal bijzonder gedraagt. Een voorbeeld van een metamateriaal is een systeem van concentrische ringen. Die ringen kunnen een schokgolf opvangen, en de golf dan doen geloven dat de omweg door de ringen heen makkelijker en korter is dan het rechte pad vooruit. Alles wat binnen de ringen ligt wordt zo voor de aardbeving behoed: de beving vloeit eromheen zoals rivierwater om een rots. Achter de ringen komen de golven weer vrij, en vervolgen ze hun oorspronkelijke weg alsof er niets gebeurd is. Uiteindelijk dooft de golf uit, en wordt het aardoppervlak weer rustig.
In de praktijk zijn vooral het materiaal en de onderlinge afstanden tussen de ringen van belang. Als ze niet precies de juiste elasticiteit hebben, kunnen de oppervlaktegolven er namelijk alsnog doorheen, of kaatsen ze terug op de ringen. Door een flink aantal verschillende ringen te gebruiken kunnen golven met een breed bereik aan frequenties worden omgeleid, en dat is iets waar de optische onzichtbaarheidsmantels vooralsnog in falen.
Volgens de onderzoekers, die een heleboel simulaties uitvoerden, is hun systeem goed in te zetten om bijvoorbeeld gebouwen tegen aardbevingen te beschermen. Om een gebouw met een doorsnede van 10 meter af te schermen, zouden een aantal ringen met een diameter van 1 tot 10 meter en een dikte van 10 centimeter genoeg zijn. In de simulaties gebruikten de onderzoekers soms wel 100 ringen, maar voor de meeste aardbevingen zijn er veel minder nodig. Het wachten is nu op een experiment dat de vinding bevestigt: daarna is de weg vrij om nieuwe gebouwen aardbeving-proof te bouwen.
Bron: Ultra-broadband elastic cloaking in thin plates, Mohamed Farhat, Sebastien Guenneau en Stefan Enoch, Physical Review Letters 2009
Zie verder over metamaterialen en onzichtbaarheidsmantels:
- Mantel maakt onzichtbaar
- Onhoorbare mantel toch mogelijk
- Wie niet weg is…
- Licht te kort door de bocht