Usynlighetskappe for jordskjelv – det virker!

Jordskjelv og hus er en dårlig kombinasjon. Kan metamaterialer gi bedre beskyttelse?

Jordskjelv og hus er en dårlig kombinasjon. Kan metamaterialer gi bedre beskyttelse?

Kan vi beskytte husene våre mot jordskjelv – med usynlighetskapper? Forskere jobber så det rister med å utvikle seismiske metamaterialer, måter å endre jorden rundt et hus på, slik at skjelvet bare preller av. Hittil har ideen bare vært testet i modeller og laboratorier, men nå har franske geofysikere testet en prototype. Virket den?

Hus liker ikke jordskjelv

Jordskjelv er blant de alvorligste naturkatastrofene vi jevnlig må hanskes med. I utsatte områder bygges moderne hus slik at når bakken beveger seg, så skal de riste med. Omtrent som støtfangerne på en bil tar ulike deler av konstruksjonen imot energien fra skjelvet, og fordeler den rundt slik at ingen bit utsettes for større kraft enn den tåler.

Vanlig jordskjelvbeskyttelse, i form av støtdemping. Her fra flyplassen i Istanbul.

Vanlig jordskjelvbeskyttelse, i form av støtdemping. Her fra flyplassen i Istanbul.

Enkelte hus trenger imidlertid større grad av beskyttelse enn andre. Sykehus, sentra for IT-infrastruktur og steder der det ofte er store menneskemengder er eksempler på bygninger vi helst ikke vil at skal riste i det hele tatt.

Her har forskere nå tenkt ut en alternativ ide. Hva om vi, i steden for å gjøre selve bygget sikrere, kan få energien fra skjelvene til å bøye av før den når huset – eller bare å smette forbi hele bygget? Som om Harry Potter hadde tatt usynlighetskappen sin, gjort den motstandig mot ristende bakke i tillegg til lys, og så trukket den over hele Hogwarts?

For å få til det trengs to ting. Først må vi vite hvordan energien fra jordskjelv brer seg, deretter må vi bygge et system som kan håndtere nettopp slik energitransport i bakken.

Jordskjelv gir S- og P-bølger

Like før...

Like før…

Et typisk jordskjelv kommer når to biter av jordens skorpe som har stått i spenn, glipper og glir mot hverandre. «I spenn» betyr at det har vært lagret opp potensiell energi, som i skjelvet brått slippes fri og kan gå over i andre energiformer.

Det aller meste av energien i et jordkjelv går – som navnet antyder – til å få jorden til å skjelve… Men hvordan skjelver den?

Det er to hovedtyper skjelving: Kompresjonsbølger og skjærbølger, eller på litt bedre norsk, sammentrykning og risting. Tenk deg en madrass. Kompresjonsbølger, eller P-bølger på geofagsk, er det du får hvis du setter håndflaten mot siden av madrassen og trykker og slipper flere ganger. Trykkbølgene brer seg innover i madrassen, men en person som ligger på madrassen vil ikke bli veldig plaget av dem. Skjærbølgene, eller S-bølger, er risting. I madrasseksemplet er det som om du tar tak i den samme kanten og river den hardt opp og ned. Det vil madrassliggeren legge straks mer merke til.

Energien fra skjelvet brer seg gjennom jorden, som S- og P-bølger

Energien fra skjelvet brer seg gjennom jorden, som S- og P-bølger

I jorden er S- og P-bølger litt forskjellige. P-bølgene brer seg innover i bakken fra skjelvet, og kan gå gjennom både hardt stoff som jordskorpen og flytende stoff som mantelen. S-bølgene går derimot bare gjennom fast stoff (det er vanskelig å riste på noe flytende…), og dessuten bøyes de lettere av tilbake mot overflaten.

For et hus på overflaten, er det dermed S-bølgene – ristingen – som er hovedproblemet. Etter et skjelv vil bakken riste både opp og ned (S) og frem og tilbake (P), men ekspertene sier at S-bølger med frekvens på 10-50 svinginger per sekund er det som gjør mest skade på bygninger og infrastruktur. Dermed er det disse bølgene en usynlighetskappe for jordskjelv må må bekjempe.

Metamaterialer for lys, lyd og rist

Forskeres nye forslag til skjerming mot jordskjelv utnytter metamaterialer – et av fysikkens in-begrep for tiden. Et materiale – et hvilket som helst stoff vi finner i naturen – oppfører seg ut fra egenskaper som elektrisk ledningsevne, brytningsindeks for lys, hvordan det leder lyd, o.s.v. Et metamateriale er et stoff der vi på kreative måter endrer på f.eks. overflaten slik at det får helt andre egenskaper enn før. Vi kan til og med designe egenskaper som er «umulige» i naturen.

Et mye diskutert eksempel er «usynlighetskapper». Når lys treffer et vanlig stoff, vil det enten stanses (hvis stoffet er ugjennomsiktig), eller brytes (hvis det er helt eller delvis gjennomsiktig). Selv et vindu bryter lys, og det er normalt ikke vanskelig å se om en vindusåpning er dekket av glass eller ikke.

Med metamaterialer kan vi gjøre fancy ting med lysbrytning. Tenk deg at du ser på en klokke som henger på en vegg. Står det noen mellom deg og klokken? Opplagt ikke, siden du ser den – med mindre personen har en usynlighetskappe laget av et snedig metamateriale. Kappen er da laget slik at når lyset fra klokken treffer personen, så brytes det og ledes rundt, og sendes så videre rett frem igjen – uforandret – på andre siden. Omtrent som når vann renner rolig rundt en stein i en bekk.

I praksis får vi ikke helt til å lage slike kapper enda, men enklere versjoner er laget. Metamaterialer forskes tungt på i dag, og vil garantert bli vanlige i teknologi i årene som kommer.

En hullete meta-bakke

Illustrasjon av franskmennenes meta-bakke. Øverst: Hull boret i bakken, sensorer og en ristedings. Nederst: Testområdet sett ovenfra. Hvite sirkler er hull, sorte firkanter er målere. Fargene antyder hvor mye bakken rister. Legg merke til hvordan ristingen raskt avtar over kilden, der hullene er, men brer seg mye lenger nedover der bakken ikke har hull.

Illustrasjon av franskmennenes meta-bakke. Øverst: Hull boret i bakken, sensorer og en ristedings. Nederst: Testområdet sett ovenfra. Hvite sirkler er hull, sorte firkanter er målere. Fargene antyder hvor mye bakken rister. Legg merke til hvordan ristingen raskt avtar over kilden, der hullene er, men brer seg mye lenger nedover der bakken ikke har hull.

Tilbake til usynlighetskapper for jordskjelv. De virker ikke på lys, men i steden på de seismiske S- og P-bølgene fra skjelvet. (Les mer om lyd-metamaterialer her.) Akkurat som lyset som bøyes rundt personen mellom deg og klokken, er håpet å kunne bøye jordskjelvbølgene pent rundt bygningen.

Alternativt, siden det her ikke er noe mål å beholde ristingen uforandret, kan man tenke et system der ristebølgene ledes til å utslukke hverandre akkurat der huset står. Tenk på to bølger på vann som møtes. Hvis to bølgetopper treffes får vi en dobbelt så høy topp, men hvis en bølgetopp og en bølgedal møtes blir vann-nivået som om det ikke fantes bølger. I et interferensmønster, som er det vi får når jevne bølger møtes, vil det være punkter der det ikke synes at det finnes bølger. Kunne vi plassert det beskyttede huset i et slikt punkt?

For å få til noe slikt, må vi jobbe med egenskapene til jordoverflaten. Det er de raske S-bølgene – ristingen – vi først og fremst vil til livs. Målet må da være å endre hvordan bakken reagerer når den ristes på. Vi vil ikke at den skal sende ristingen rett videre, men heller at ristemønsteret skal formes og bøyes slik vi vil.

Mange forskningsgrupper jobber med å tenke ut slike «meta-bakker». En gruppe i Frankrike tok nylig et stort steg fremover, og testet ut en ekte beskyttelse i samarbeid med et ingeniørfirma.

Meta-egenskapene ga de bakken ved å borre jevne, dype hull i et rutenett rundt punktet som skulle beskyttes. Hullene var laget slik at de fungerte som effektive sperrer for ristinger ved 50Hz, i øvre ende av frekvensene til vanlige S-bølger etter jordskjelv. Når slike bølger treffer hullene vil de nettopp bøyes eller reflekteres, slik vi ønsker.

Våren 2014 rapporterte de at de første eksperimentene var vellykkede. For å lage et kunstig jordskjelv plasserte de en ristemekanisme et stykke unna meta-bakken sin, og målte deretter hvordan ristingen ble dempet av hullene. Bare et par hull innenfor starten var ristingen nesten helt borte. Energien var delvis brukt opp til å deformere hullene, eller reflektert ut i andre retninger.

Meta-planlegging av fremtidens byer

Som med de ekte usynlighetskappene er vi dessverre ikke helt i mål med dette. Fransmennenes tester viser at meta-bakker i prinsippet kan brukes, men deres oppsett besykttet bare mot en bestemt ristefrekvens og fra en bestemt vinkel. Systemene må nok forbedres drastisk gjennom videre forskning før bygningsbransjen vil vise noen særlig interesse.

Et videre problem er at det meste av S-bølgene ikke blir borte, men reflekteres i andre retninger. Hva om de da treffer et annet hus desto hardere i steden? Usynlighetskapper for jordskjelv vil neppe kunne settes opp i tett befolkede områder som bykjerner – men kanskje de kan bli nyttige for f.eks. sykehus som står for seg selv et stykke ute på en slette?

Interessen for seismisk beskyttelse via metamaterialer får nok likevel en sterk oppsving etter dette, og franskmennene er neppe de eneste som gjør praktiske tester. Jordskjelv er alvorlige hendelser, og vi får flere og flere bygninger som er kritiske for liv og helse. Usynlighetskapper for jordskjelv er høyst sannsynligvis et av virkemidlene som vil bli tatt i bruk i fremtidens byer.

 Kilder:

 

7 comments

  1. Carbomontanus · juni 18, 2014

    Dette var bra, Samset.

    Men sånt som dette holder jeg for å være trivielt.

    Først må man nemlig investere et solid stykke kjøtt og ikke bare et tørt ben ut i strømmende og oscillerende og speilende og skjelvende molekylær materie i vill natur og observere nøye, og man må gjøre det usett ellers tror folk at man tror på gamle myter, og det kan hende man må lete både oppover og nedover i vassdraget,….

    ….og det ser jeg tendenser til at man har gjort her.

    Jeg skulle forske for Antroposofene, Stikkord Theodor Schwenk Das sensible Chaos, men se sannelig også opp for Carl Anton Bjerknes` vannbad, gull i Paris. Og Bjerknesskolen i norsk realfag og fysikk.

    Jeg fotograferte fallende vanndråper med stroboscop og senere lynblitz, og så skulle de falle ned i vann. Jeg kunne farve dem med metylviolett og det dannes en smultring som farer nedover i vannet og utvider seg og utvikler seg til en hel paraply av brennmaneter. For best mulig resultater må dråpen da entre vannet i den svingefase som smultringen da skal rotere videre med.

    For å gjøre dette måtte vannbadet være absolutt i ro og Universitetet er ikke vibrasjons eller jordskjelv- fritt, men det var enkelt. Først 4 gummikorker under bena på skrivebordet som var stort og tungt, og så oppå der 4 gummikorker under bena på vannbadet som var adskillig lettere.

    Det er sånn man gjør det. Og må man vite nøyere så kjenner man med fingeren og kakker på apparatet eller lar det skrangle og slingre selv, og kjenner etter slik man diagnostiserer slakk i forstillinga på biler. Hendene våre er meget følsomme for sånn innfralyd i fast materie.

    I Utrecht ligger Utrecht Central og konsertlokalet Wredenburg vegg i vegg for der har de dårlig plass. Veien fra hovedjernbanestasjonen over i Konsertbygget går gjennom en tunnell med entoms gummimatter som ligger og slingrer på gølvet.

    Og intercityexpressen som er oppe i minst 250 Km/h ute i myra arriverer på lasersiktede skinner over japanske jordskjelvdempere og kan komme inn bak ryggen på en stille som en ål uten at man merker noen ting. Hadde Intercityexpressen ikke vært omhyggelig lyddempet og bufret så ville den begynne å oscillere og skjene rett av skinnene allerede i 150 og derover.

    Hva gjelder dette å smutte forbi umerkelig usynlig som om det ikke var der,…… tenk på hvalen. den bråker og bøljer av og til men er ellers et meget stille dyr som ikke lager bøljer men kan allikevel bevege seg saklig fort og effektivt.

    Og kunsten å seile i åpen båt arendalssnekke eller vikingskip i grov sjø er å seile i samsvar og takt med, og minst mulig i konflikt med sjøen.

  2. KEE · juni 27, 2014

    Å dempe fyllmasse og sokkelmasse virker for meg å være en noe større utfordring en å dempe selve bygningen. Det er vel svært skjeldent at en viktig og følsom bygning (sykehus trekkes frem mye her) står såpass langt unna andre installasjoner at refleksjon er veien å gå. Interferens hadde vel bare funka om man på forhånd visste hvor bølgene kom fra og hvilken frekvens de har, man må derfor utvikle materialer eller terrengmodifikasjoner som øyeblikkelig kan oppfatte disse to og endre seg tilsvarende- lite sannsynlig vil jeg påstå.

    Gummiens vibrasjonsdempende egenskaper kan jeg ikke få skrytt nok av. Et 3 cm tykt ark tok knekken på jekselskurrende støy fra vacuumpumpa mi og gjør nå at jeg ikke lenger vekker svigermor hver morra når anlegget skal vaskes før mjølking.

    • Carbomontanus · juni 28, 2014

      Jeg tror vi står overfor samme problem her. Vi har skiftet over til en Yanmar 2 gm 20 med gear ca 3 :1 og måtte da ha mye større propell. Jeg har det allerede på gummiknotter men de er kanskje ikke store nok, for det durer og bråker for mye i hele skroget og båten.

      Jeg fikk meg foreslått å lydisolere motor- rommet men det kunne jeg diskvalifisere med en gang. Lyden og bråket går gjennom faststoff og ikke gjennom luft. Det er lydkjernen motoren der hvor lyden oppstår og har høyest amplityde eller tetthet som må kunne slingre fritt og være viskøst dempet og ikke ha broer lyd- ledere videre over i faststoff og store klangbunner.

      Motorens overflate som gir lyd over til luft får vi ikke gjort noe med, og neppe heller lydkjerner hakkespetter og bråkmakere inni, som er dieselklakk og lagere som sperrer og slark i mekkanikken og sånt. (rådebank, bendixen, slakk viftereim, hull i potten, venntiltikk, dritt i gearet, fis i manifolden, sperring i vannpumpa, knirk i opphenget…… etc etc etc etc….)

      Det er samme problem som når du skal koble et fungerende sykehus vekk fra å kunne være akustisk vesentlig kobla til og tilstede i verden. Det er problemer nok inni et sykehus, (se lista over mulige ubehageligheter i motoren også,) om det ikke skal måtte rystes og skakes av hele omverdenen også.

      Det indre maskineri har jeg ofte og med fordel kunnet gjøre mer lydsvakt og smørfint, men det innebærer i regelen at man må tenke helt nytt og omkonstruere hele maskinen, noe man forøvrig også hele tiden må tenke på og ha for øye i sykehusene,……….

      ……… men hvilket ikke er så kurant med en japse dieselmotor, for den er allerede svært velkonstruert og høyraffinert med henblikk på hva den er tenkt å skulle være, og yte.

      Jeg har søkt på nettet og funnet under problem- shooting, at man må være klar over at en dieselmotor er noe mer bråkete enn en bensinmotor. Noe som imidlertid er en sannhet med modifikasjoner. Velkonstruert og velstilt Diesel riktig kjørt, er ypperlig og smørfint på sitt vis, med en særlig beroligende og behagelig lyd. Akkurat som det velfungerende universitetssykehus.

      Men hva man ikke skal tro på og satse på er produksjonshemmelighet i boks med den hemmelige lakken og varemerket LOGO fra expertene utenpå. Stradivarius har heller aldri drevet med sånt.

      Jeg hadde en gang en gammal folkevognbuss og der sa det «…skratt- skratt..» under og nede i forstillinga hver gang jeg kjørte i ei dump. Så jeg spurte bensinmannen Hr. Sagen, som var erfaren bilmekaniker, hva det kunne være.

      «…Det sitter nok ei skjære under der da veit du..» fikk jeg vite.

      Det er sånt man må vite om og være oppmerksom på i akustikken.

      • kee · juli 2, 2014

        Har du dempa av mellom girkasse og propellaksel? Med større masse å svive på der nede kan det slingre. Uavdempet tar dette knekken på pakkboksen din etterhvert. Store gummiknotter i motoroppheng høres også fornuftig ut å vurdere. Har du for mye «direktekontakt» med skroget så durer det.

      • kee · juli 2, 2014

        Yanmar har jeg forresten litt erfaring med. De lager også motorer til minilastere og liknende. Min minilaster hadde stygg gange, diffuse vibrasjoner som forplanta seg og tok vifteinnfestinga. Det viste seg å være ubalanse i vannpumpa. Ny del kom hurtig og kostnadsfritt, garanti som faktisk er verdt noe. Ikke gæærnt.

        • Carbomontanus · juli 3, 2014

          Ja, jeg har i år satt inn fleksibel, hjemmelaget «mellomaksel» det er 25 mm aksel av bløttjern hvor jeg har skjøtt imellom med 25 mm aksel og 25 mm innvendig diameter rør, med vinger sliss og klemskruer. Begge er påført modellert lettmetall sandstøp skiver på endene, ca 41/2″ og avrettet i benk, og imellom dem 3 knotter fra Biltema. Det har iår virket prima og jeg tror ikke det vil rakne. Men det er ikke der værste problem har sittet. Det er motoren først en marna Mb10A og dernest en Volvo penta Md7a som dunker i skroget- motorbeddingen.

          Marnaen var 1 liter direkte akseldrift, oppsatt til 18 hester men det kan ikke være tale om. den har neppe gitt over 5-6-7 hester fordi turtallet har vært holdt nede av dreiemoment belastningen. Den gikk pent på nominell hastighet hvor roten av båtlengden i fot gir optimal fart i knop. Men på toppfart bånn trottel bråkte det fælt.

          Så var forgasseren problematisk med ujevn tomgang og fare for å miste motoren når man skal slå bakk inne i havna, tomgangen må stilles for høyt, og dette slår fælt i akselen hver gang man slår bakk.

          Så skiftet vi over til 600 kubikk Volvo uten å sette inn passende gear( det visste jo ikke jeg,..) Tomgangsproblemet ble borte, men vi fikk det forferdelige problem ved høyere belastning at det køler. Det er som å kjøre tungt lessa diesel i oppoverbakke på feil turtall og med for dyp pedal / tett luftfilter / eller tau i propellen. Den løp helt lett og luftig på alle turtall ubelastet. En mulig løsning er da å gi dieselen surstoff.

          Nå har vi altså Yanmar 2 cyl 600 kubikk med 3:1 gear og turtallet meget høyere. Jeg måtte skifte til meget større propell og det køler fremdeles ikke og det drar meget bra også men det durer for fælt, og jeg tror jeg da må ha større knotter i skroget.

          Jeg har limt fast bedding av tettvokst gran med glassfiber polyester, det skal holde. Utsøkt gran består til flyvemaskin ( det var hastverk, jeg kunne brukt furu eller eik) Og satt i knotter fra Biltema som antagelig er for små, da Yanmar selv leverer meget større motorknotter med god vandring.

          Der må jeg vel da til med stemjern og klubbe og høgge gran og få fast mer orthodoxe Japse- knotter.

          Men det handler om knuter og buker og føle med finga og tenke fysikk, hvor man skal ha en kondensator og hvor man skal ha en motstand for å drepe elektriske svingninger eller støy.

  3. lordimpakt · juli 6, 2014

    Vi får vel lage en ny type nanojord som lar seg kontrolleres til den grad at vi kan riste den i samme frekvens med invertert fase og nulle ut alt?

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s