Российские ученые создают мантию-невидимку для городов

Геоматериалы смогут делать невидимыми для землетрясений объекты, в основании которых они заложены

НИТУ «МИСиС» и группа английских математиков под руководством приглашённого профессора Юлия Каплунова в рамках совместного проекта изучают перспективы создания специальных геоматериалов, способных делать невидимыми для землетрясений объекты, в основании которых они заложены. Исследования проводится в рамках мегагранта, выигранного НИТУ «МИСиС» в 2014 году. Учёные разработали математический аппарат, позволяющий исследовать волну-первопричину разрушений на поверхности во время подземных толчков, а также описывающий методы борьбы с ней.

«Сама по себе идея создания мантии-невидимки для сооружений не нова: над этим работают научные группы в Манчестере (Англия), Марселе (Франция) и в ряде других университетов. Наши исследования показывают, что проблема требует более глубокой теоретической проработки. В настоящее время предпринимаются попытки найти универсальный подход, обеспечивающий защиту от всех видов волн, порождаемых активностью Земли, что осложняет поиск нужного материала, – комментирует Юлий Каплунов. – Наш подход примечателен тем, что мы изначально поставили перед собой цель ясного понимания всех первопричин разрушений, вызываемых землетрясениями, а также поиска эффективных методов борьбы с ними».

Внимание учёного привлекли работы англичанина Джона Пендри (Имперский колледж Лондона), работающего над созданием оптической невидимости. Его группа достигла выдающихся результатов по достижению невидимости объектов с помощью нанесения на их поверхность покрытий из метаматериалов. А учёные из Сингапура смогли сделать невидимой рыбку из аквариума, правда, пока только под определённым углом наблюдения. «Мы провели аналогию между поверхностными волнами, возбуждаемыми при землетрясениях, и световыми волнами и получили ряд интересных результатов. Мы установили, что из всех видов сейсмических волн, инициируемых подземными толчками, теоретические и экспериментальные усилия необходимо сосредоточить на изучении поверхностных волн Релея, которые и вызывают наибольшие разрушения на поверхности земной коры, пренебрегая влиянием других типов волн», – говорит Каплунов.

Учёные смогли показать, что волна Рэлея описывается почти такими же соотношениями, как и оптические волны. «Явления, на первый взгляд, разные, но математическая модель у них одинаковая! Смысл в том, что, как и в оптике, при землетрясении мы имеем дело с волной, только при колебаниях земли это волна упругая, а при анализе невидимых тел мы имеем дело с волной света, – поясняет учёный. – Задача, которую нам предстоит решить с МИСиСом, это поиск подходящего метаматериала, который мог бы послужить основой для проектирования защитных конструкций. При взаимодействии с такой конструкцией волны Рэлея будут попросту изгибаться в стороны, не повреждая защищаемого сооружения аналогично тому, как это происходит в экспериментах Пендри, а также сингапурских учёных. Такие метаматериалы в принципе уже существуют, например, на основе меди».

Разработанный группой Каплунова математический аппарат использует современные математические методы механики, включая метод возмущений и теорию дифференциальных уравнений в частных производных. По его словам, на разработку этого аппарата ушло около 10 лет, за это время по теме было опубликовано более 20 статей в ведущих журналах, в т.ч. в Докладах РАН, Трудах Лондонского математического общества и международном журнале Wave Motion. (J Kaplunov, DA Prikazchikov, B Erbas, O Sahin, 2013, 50(8), 1229–1238). В МИСиС Юлий Каплунов планирует развивать сотрудничество c рядом подразделений, включая Горный институт.

Разработка подобных защитных конструкций будет особенно актуальна для регионов с сейсмической активностью, в т.ч. для ряда стран Европы, Дальнего Востока России, Японии, Китая, Южной Америки, Новой Зеландии и др.

Источник: «Наука и технологии России»