Физики предлагают новый способ защиты зданий от землетрясений. Причем речь идет не об укреплении конструкций или гашении колебаний сооружения, а о том, чтобы сделать защищаемый объект невидимым для сейсмических волн.
Идея, лежащая в основе предложения Вильяма Парелла, математика из Манчестерского университета (того, где работают нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов), похожа на концепцию шапки-невидимки. Вместо того, чтобы поглощать сейсмические волны, их следует пустить в обход так, чтобы они обогнули защищаемый объект. И если попытки создать полноценную невидимость в классическом понимании этого слова провалились, то идея сделать «невидимым» для подземных толчков здание может оказаться куда более практичной.
От науки о волнах до шапки невидимки
И свет, и радиоволны, и звук, и даже колебания поверхности земли — это волновые процессы. Где-то колеблется электромагнитное поле, где-то газ, где-то жидкость или твердое тело; с точки зрения математики конкретная природа колебаний уже не столь важна, а важны лишь параметры самих волн, их длина и амплитуда.
Любые волны можно отражать или накладывать друг на друга, а то, насколько хорошо они отражаются или поглощаются, — зависит от свойств конкретного материала и параметров волн, с ним взаимодействующих. Причем помимо банального поглощения или отражения правильный подбор материалов позволяет добиваться и более интересных эффектов: например, при помощи концентрических окружностей на плоском листе прозрачного пластика можно сфокусировать свет так, как будто он прошел через линзу. А покрыв лист поролона рядами выступов, можно обеспечить резкое улучшение звукоизоляции. Все это примеры из повседневной жизни, многие видели звукоизолирующие маты или плоские линзы... и за этими примерами стоит целый раздел науки.
Упорядоченные выступы, выемки или замена сплошного листа сложным переплетением проволок дает иногда совершенно неожиданные эффекты, и в последние десятилетия физики активно исследуют подобные структуры, называемые метаматериалами. Ученые даже пришли к концепции шапки-невидимки — особого метаматериала, который окружит маскируемый предмет и пропустит через себя волны так, как будто никакого предмета внутри и не было! Или отразит падающий свет точно так же, как отражает его та поверхность, на которой находится спрятанный объект. Для военных последнее стало бы настоящей находкой, причем необязательно даже добиваться именно классической невидимости — невидимость для радиоволн уже способна сбить с толку противника, который ведет наблюдение при помощи радара.
От неудачной шапки до землетрясений
С «шапкой-невидимкой» возникли большие проблемы. Подобрать материал, который бы давал нужный эффект при оборачивании им предмета произвольной формы, да еще и работал бы в видимом свете, да еще со всеми его цветами (то есть с излучением разной длины волны), при рассматривании под разными углами, — добиться такого никому не удалось. Скрыть в лабораторных условиях небольшую проволочку от инфракрасного детектора совсем не то же самое, что спрятать в поле танк. Или, еще лучше, десять танков.
Но стоит ли говорить о полном провале? Нет, потому как иссследования метаматериалов дали много других результатов, среди которых, например, миниатюрные и при этом чувствительные антенны. Или новый класс звукопоглощающих материалов, вплоть до «акустических диодов», устройств, способных пропускать звук только в одну сторону. Кроме того, сложности с маскировкой объектов от оптического наблюдения обусловлены малой длиной волны света, а вот волны, создаваемые землетрясениями, имеют куда большую длину волны и ими проще управлять.
В 2009 году группой исследователей из Ливерпуля был предложен способ защиты зданий от подземных толчков при помощи метаматериала. А спустя чуть более двух лет, их коллега из Манчестера предложил еще одно решение: на этот раз с более простым по структуре материалом.
В качестве такого материала Парелл называет определенным образом сжатую при монтаже резину. При должной укладке вокруг объекта она не просто поглощает колебания грунта, а направляет их в сторону — и это может спасти не только ядерный реактор от подземного толчка, но и правительственное здание от атаки террористов, подорвавших рядом грузовик со взрычаткой. «Нам удалось, — говорит ученый в интервью британской газете The Telegraph, — показать, что предварительное напряжение в резине, широко распространенном материале, позволяет добиться эффекта маскировки от определенных волн». По его словам, сейчас идет работа по поиску новых приложений открытия и по практическому воплощению его хотя бы в рамках экспериментальных площадок.
Если идея окажется эффективной на практике, то она сможет избавить мир если не от обширных разрушений, то хотя бы катастроф, подобных аварии на АЭС «Фукусима» в Японии. Тогда реакторы выдержали толчки рекордной амплитуды без существенных повреждений, система автоматической защиты сработала безукоризненно — но вот питающие насосы охлаждения аварийные генераторы вышли из строя, спровоцировав расплавление активной зоны и радиационную аварию невиданного со времен Чернобыля масштаба. Даже если не удастся закрыть от сейсмической угрозы каждый дом, уже одна лишь защита АЭС и химических предприятий даст очень многое.
Вопросы и ответы:
— А как еще защищают здания?
— За счет комбинации двух методов. Первый — сделать конструкцию достаточно прочной, дабы она выдерживала колебания. Второй — так или иначе гасить колебания и это особенно актуально в небоскребах, некоторые из которых даже оснащают специальными маятниками массой до сотен тонн. Гашение колебаний для крупных конструкций является основным методом в силу того, что сделать сверхпрочное здание больших размеров может быть попросту невозможным.
— Может ли в будущем появиться настоящая шапка-невидимка?
— Маловероятно. Метаматериалы работают в ограниченном диапазоне условий, а толку от маскировки, которая работает только для зеленого света и только при наблюдении под определенными углами, немного. Кроме того, если говорить про маскировку в военных целях, вся техника оставляет массу следов — от теплового излучения до следов на поверхности, да и шум сбрасывать со счетов не стоит. Хотя именно с шумом от подлодок предлагалось бороться именно метаматериалами.