В России создают мантию-невидимку для защиты сооружений от землетрясений

НИТУ «МИСиС» и группа математиков из Кильского университета (Англия) под руководством приглашенного профессора Юлия Каплунова в рамках совместного проекта изучают перспективы создания специальных геоматериалов, которые, будучи заложенными в основание объектов, способны делать их невидимыми для землетрясений.

Учеными разработан уникальный математический аппарат, позволяющий эффективно исследовать выявленную профессором Каплуновым волну-первопричину разрушений на поверхности во время подземных толчков, а также описывающий методы борьбы с ней. Задача объединенных научных групп это определение наилучшего материала для успешной реализации проекта.

«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», — говорит 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. Наше внимание привлекли работы английского ученого 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 исследователи из Сингапура смогли сделать невидимой рыбку из аквариума, правда, пока только под определенным углом наблюдения. И 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. Важное достижение нашей группы заключается в том, что мы смогли показать, что волна Релея 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. 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 Релея будут попросту изгибаться в стороны, не повреждая защищаемого сооружения аналогично тому, как это происходит в экспериментах Пендри, а также сингапурских ученых. Такие метаматериалы в принципе уже существуют, например, на основе меди», — отметил ученый.

Разработанный группой профессора 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 том числе в Докладах РАН, Трудах Лондонского математического общества и международном журнале «Волновое Движение». 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 том числе для ряда стран Европы, Дальнего Востока России, Японии, Китая, Южной Америки, Новой Зеландии и других.