Незважаючи на всі технологічні досягнення, людство залишається настільки ж безпорадним перед землетрусами, як і в кам'яному столітті. Звичайно, інженери не сидять на місці, і завдяки їх старанням сьогодні існують дуже складні механізми захисту окремих будівель. Але що якщо від руйнівних поштовхів потрібно врятувати не пару хмарочосів, а цілий квартал або навіть місто? Тут знадобився б «плá-невидимка», за допомогою якого житлову забудову можна було б ізолювати від коливань. Незважаючи на фантастичну назву, роботи зі створення таких «плащів» ведуться вже зараз.
В1967 році радянський фізик Віктор Веселаго виявив, що при певному поєднанні в матеріалі магнітних і електричних властивостей у ньому може виникати явище, яке вважалося до того неможливим: матеріал набував негативного показника заломлення. Оскільки цей параметр залежить лише від швидкості поширення в речовині світла, а вона не може перевищувати швидкість світла у вакуумі, то і показник заломлення не може бути ні менше одиниці, ні тим більше менше нуля. Здавалося б, що тут ще обговорювати?
Багато з тих, хто займався цим питанням до Веселаго, не враховували однієї важливої обставини: на показник заломлення в речовині впливає саме фазова швидкість світла. І на неї, на відміну від групової, обмеження Ейнштейна не поширюються. З фазовою швидкістю не може поширюватися енергія, зате вона може бути не тільки наскільки завгодно великою, але навіть негативною. Отже, речовини з негативним показником заломлення можуть існувати. Таким чином, математики нарешті дозволили існування плащів-невидимок, про які раніше писали фантасти.
Віктор Веселаго, доктор фізико-математичних наук, професор МФТІ
Метаматеріали, які працюють з електромагнітним випромінюванням, історично з'явилися раніше, і сьогодні вони істотно більш розвинені, ніж їх сейсмічні аналоги. Однак все, що створено в електромагнітній області, переносимо і в акустику. Математика, яка при цьому використовується, досить непроста. Але вона вже розроблена, вона існує, і, безумовно, її можна використовувати для створення сейсмічного захисту будівель.
Однак жоден природний матеріал не мав потрібних для негативного заломлення електронними властивостями. Робота Веселаго довгі роки існувала лише у вигляді математичного курйозу. Лише 1996 року британський фізик Джон Пендрі виявив, що домогтися виникнення потрібних властивостей у середовищі можна і без якоїсь чарівної хімії - достатньо зібрати давно відомі речовини в суворо впорядковані структури. І якщо розмір елементів у ній буде меншим, ніж довжина хвилі коливань, то матеріал зможе набути «магічних» властивостей. Ці структури отримали назву метаматеріалів. Фундаментальні принципи конструювання метаматеріалів однакові для будь-якого випромінювання - будь то електромагнітне або акустичне. І якщо в першому випадку довжина хвилі - це проблема, то в разі сейсмічних хвиль - рішення. Період сейсмічних коливань може досягати десятків і навіть сотень метрів, а значить, сейсмічні «плащі-невидимки» можна створювати вже сьогодні.
Дірки в землі
Як не дивно, найпростішим захистом від землетрусів є звичайні ями в ґрунті. Їх може зробити будь-яка бурильна техніка, єдина вимога - свердловини повинні бути розташовані в суворій відповідності з вузлами заздалегідь прорахованої акціонерної решітки. Згідно з ідеями Веселаго, на такій «кристалічній решітці» з ям у коливаннях виникає заборонена зона, тобто деякі частоти просто перестають рухатися в такому середовищі. Якщо розмір і розташування свердловин підібрані правильно, то землетрус не матиме таких руйнівних наслідків.
Працездатність такої системи була випробувана в реальному експерименті. У 2012 році французькі вчені неподалік від Ліона випробували подібний сейсмозахист, який складався з 24 свердловин глибиною 5 м і діаметром 32 см. Як «землетрус» виступав промисловий вібратор, що працює з частотою 50 Гц. Показання вібродатчиків переконливо показали, що за акустичною решіткою виникає захищена область, де енергія коливань істотно нижче.
Система свердловин, що імітує пласку лінзу Веселаго - Пендрі. Послаблює сейсмічний вплив на будівлю за рахунок створення забороненої зони в спектрі акустичних коливань. Розташування і ширина
Звичайно, 50 Гц для сейсмічних коливань занадто багато. Основна частина енергії знаходиться в набагато більш довгохвильовій області, близько 0,1-10 Гц. Кілька років тому експеримент вдалося довести до верхньої межі цього діапазону. Знадобилися ями суттєво більшого діаметру (близько 2 м), розташовані в більшій решітці (7 м). Однак експеримент показав, що нічого принципово неможливого в такому сейсмозахисті немає, він працює ефективно як для високих, так і для низьких частот.
Буквально кілька місяців тому вчені з Франції та Великобританії встановили, що заборонену зону коливань можна опустити фактично до нуля, тобто створити таку систему, де найнебезпечніші довгохвильові коливання гасилися б найбільш ефективно. Для цього, правда, буде потрібно не просто пробурити багатометрові свердловини, але і помістити туди бетонні колони, закріплені біля основи в тверду породу, зате це дозволить звести руйнуючу дію землетрусу нанівець, а не просто згладить його наслідки.
Головна проблема з «ямковим» підходом полягає в тому, що середовище, в якому поширюються хвилі, завжди неоднорідне. Ґрунт не желе, тому прорахувати його вплив на швидкість хвиль складно. При проектуванні сейсмозахисту потрібно враховувати цю обставину і розраховувати структуру «плаща-невидимки» індивідуально для кожного випадку.
Ефект метелика
Левова частка шкоди, яка завдає землетрусу, пояснюється дією поверхневих хвиль, але глибинні коливання також відіграють свою роль. І оскільки описаний вище підхід здатний вплинути лише на поверхневі хвилі, вчені продовжують шукати більш універсальні методи сейсмозахисту. Один з найоригінальніших пристроїв - занурені в ґрунт резонатори маси. Мова йде про те, щоб закопати під захищуваний об'єкт (наприклад, атомну станцію) сотні важких вантажів, сполучених один з одним пружинами. Одиночний елемент такої системи виступає в ролі механічного маятника, а вся система стає сейсмічним метаматеріалом, здатним блокувати проходження коливань певної частоти.
Конкретна реалізація такого фантастичного «плаща» може бути різною. В одній роботі, наприклад, вчені пропонують використовувати в ролі маятників сталеві кулі діаметром 75 см, в іншій - циліндричні конструкції з бетону, гуми і сталі. Але навіть така масштабна система не позбавлена недоліків. Справа в тому, що ступінь захисту, який вона дає, залежить від точності підбору резонансної частоти, і чим ця точність вища, тим вже смуга частот, на які вона діє. Так що повністю захистити будівлю від землетрусу таким способом, на жаль, не вийде.
Втоплені резонатори маси налаштовані на певну частоту сейсмічних коливань і під час проходження хвилі коливаються в протифазі, приймаючи на себе удар землетрусу. Можуть виконати "