Franske ingeniører sikrer mod jordskælv med seismisk usynlighedskappe

Man kan sikre bygninger mod følger af jordskælv på mange måder – men det bedste vil være at forhindre jordskælvsbølger i at nå frem eller i det mindste nedsætte den energi, de rammer bygningerne med.

Ingeniører fra det franske entreprenørfirma Menard og forskere fra Aix-Marseille Université har i 2012 gennemført et stort eksperiment, der viser, at det er muligt. Resultaterne af eksperimentet er netop blevet beskrevet i Physical Review Letters.

Ping Sheng fra Hong Kong University of Science and Technology skriver i en kommentar på internetsitet Physics, at resultaterne er opløftende, og at metoden har perspektiv til at kunne anvendes til at afbøde de destruktive konsekvenser af jordskælv.

Stéphane Brûle fra Menard har hentet inspiration til den nye jordskælvsbeskyttelse fra teorien om usynlighedskapper, der er udviklet til brug for elektromagnetiske signaler i mikrobølgeområdet og det synlige område.

Usynlighedskapper er baseret på metamaterialer, hvis elektriske og magnetiske egenskaber, der styrer udbredelsen af elektromagnetiske bølger, er bestemt af den indre struktur af materialet på en skala, der er mindre end bølgelængden for de elektromagnetiske bølger.

Drejer det sig om mikrobølger med frekvenser i gigahertzområdet, skal materialet bearbejdes med en opløsning på nogle få centimeter. For synligt lys skal det være under en tiendedel mikrometer eller deromkring.

Princippet er også anvendt til styring af akustiske bølger, og da jordskælvsbølger svarer til akustiske bølger, burde det også være muligt at afbøje disse uden om en bygning eller et større område ved at fremstille en seismisk kappe.

Lavfrekvente bølger gør mest skade

Når en seismisk bølge opstår i undergrunden, vil en del af energien omsættes til overfladebølger.

Højfrekvente overfladebølger dæmpes hurtigt, når de udbreder sig langs jorden. Det er derfor lavfrekvente overfladebølger – også kaldet Rayleigh-bølger – med en frekvens fra en herz til omkring en snes hertz, der gør mest skade, også i sammenligning med bølger i undergrunden.

Sebastien Guenneau fra Aix-Marseille Université har tidligere udført mindre eksperimenter i laboratoriet omkring seismiske bølger under idealiserede forhold, men under praktiske forhold er der en lang række faktorer, der påvirker seismiske bølger, som er vanskelige at karakterisere. Derfor har et praktisk forsøg været nødvendigt at gennemføre.

Eksperiment i lergrav

Menard udvalgte et udgravningsområde med mudret, lerholdig jord nær Grenoble til et storskala-eksperiment, som de gennemførte sammen med Sebastien Guenneaus forskningsgruppe.

Sedimentlaget har en tykkelse på ca. 200 meter, og udbredelseshastigheden for de lavfrekvente Rayleigh-bølger blev estimeret til 78 m/s.

Der blev udboret tre rækker af huller med en dybde af ca. fem meter og en diameter på 0,32 m. De dannede et gitter med en afstand på 1,73 m mellem hullerne. Denne afstand blev valgt ud fra, at bølgelængden for overfladebølgerne var 1,56 meter.

Det er forskellen i massefylden for jorden på 1.500 kg/m^3 og massefylden for borehullerne på 1,2 kg/m^3, der giver anledning til egenskaberne for metamaterialet.

Dette gitter skulle ifølge teorien om metamaterialer og fotoniske krystaller give et stopbånd for frekvenser omkring 50 Hz, dvs. at en akustisk bølge, der bevæger sig ind mod gitteret med denne frekvens, vil blive reflekteret tilbage i den retning, den kom fra.

En akustisk probe, der kunne udløse et signal med en frekvens på 50 Hz, blev med en kran placeret 1,5 m fra dette gitter.

Der blev placeret sensorer rundt omkring i området. Målingerne viste, at den elastiske energi, der passerede gennem gitteret af borehuller, var reduceret med en faktor 2 – til gengæld blev energien i området omkring lydkilden øget med en faktor 2.

Det kan være et problem i visse situationer, men er uden betydning for bygninger som olieraffinaderier, atomreaktorer og lignende, som ingen naboer har, skriver forskerne i deres artikel.

Da man med elektromagnetiske usynlighedskapper har opnået at bortlede elektromagnetiske bølger i et bredt frekvensområde og kommende fra alle retninger, burde det samme også være muligt for seismiske bølger, bemærker Ping Sheng i sin kommentar.

Uafklarede problemer

Stéphane Brûle og de tre medforfattere redegør dog omhyggeligt i deres artikel for, at der er en lang række eksperimentelle og teoretiske problemstillinger, der skal ses nærmere på, før man kan drage endelige konklusioner om metodens anvendelighed i praksis.

Det drejer sig bl.a. om beskrivelsen af det øvre jordlag som et elastisk medium.

De skriver dog, at de forventer, at deres eksperiment kan være første skridt mod at udvikle nye enheder, der kan sikre bygninger mod både menneskeskabte og naturlige vibrationer.

Seismisk bølgeleder

Ping Sheng gør opmærksom på, at Sang-Hoon Kim fra Mokpo National Maritime University i Sydkorea og Mukunda P. Das fra Australian National University har foreslået en anden løsning.

Teoretisk set har de vist, at det er muligt at dæmpe seismiske bølger ved at absorbere noget af deres energi eller ligefrem lagre denne energi, så den kan udnyttes på en brugbar måde.

Idéen er at lave en form for bølgeleder for de seismiske bølger, hvor amplituden af bølgen reduceres eksponentielt.

Den seismiske bølgeleder har form af en række koncentriske cylinderskaller, som placeres rundt om bygningen, der skal beskyttes.

‘Det har gennem lang tid være en fjern vision at lave noget sådant, det nye eksperiment har åbnet døren for sådanne store tanker,’ skriver Ping Sheng.