Je leest:

Onzichtbaarheidsmantel voor aardbevingen

Onzichtbaarheidsmantel voor aardbevingen

Auteur: | 6 juli 2009

Met metamaterialen kunnen we golven om de tuin leiden. Daar wordt voornamelijk aan gewerkt met licht en geluid, om een ‘onzichtbaarheidsmantel’ of een stilte-bubbel te maken. Een team van Franse en Britse wetenschappers bedacht een toepassing waarin niet licht of geluid, maar oppervlaktegolven tot een omweggetje worden verleid. Hun vinding kan gebouwen grotendeels afschermen van aardbevingen.

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.

Op dit plaatje is het effect van de ringen goed te zien. Links wordt een cilindrisch object vanaf de linkerkant getroffen door een golf. De golf wordt vervormd en deels door het object geabsorbeerd – het geval bij een gewone aardbeving. Linksonder is ingezoomd op het midden van het plaatje. Aan de rechterkant is het object omgeven door de ringen. Nu is er geen verschil meer te zien tussen de golf voor het object (links) en achter het object (rechts). De golf wordt om het object heen geleid. Rechtsonder wordt hierop ingezoomd.
Farhat, Guenneau & Enoch, Physical Review Letters

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:

Zie verder over aardbevingen:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 juli 2009

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.