Studien zufolge haben die alten Römer möglicherweise „Unsichtbarkeitsmäntel“ in Strukturen eingebaut

Wissenschaftler arbeiten hart daran, dank einer speziellen Klasse von exotischen künstlichen „Metamaterialien“ „Unsichtbarkeitsmäntel“ für die reale Welt zu entwickeln. Jetzt hat ein Team französischer Wissenschaftler in einem kürzlich erschienenen Vordruck über die Physik von arXiv vorgeschlagen, dass bestimmte antike römische Strukturen, wie das berühmte Kolosseum,  sehr ähnliche Strukturmuster aufweisen, die sie möglicherweise über die Jahrtausende vor Schäden durch Erdbeben geschützt haben.

Unter einem „Metamaterial“ versteht man technisch jedes Material, dessen mikroskopische Struktur Licht auf eine Weise biegen kann, die es normalerweise nicht kann. Diese Eigenschaft wird als Brechungsindex bezeichnet, d. H. das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum und der Geschwindigkeit, mit der sich die Spitze der Lichtwelle ausbreitet. Natürliche Materialien haben einen positiven Brechungsindex. Bestimmte künstliche Metamaterialien, die im Jahr 2000 erstmals im Labor synthetisiert wurden, weisen einen negativen Brechungsindex auf, was bedeutet, dass sie mit dem Licht so interagieren, dass sie das Licht auch um sehr spitze Winkel biegen.

Das macht Metamaterialien so ideal für Tarnanwendungen – jeder “Unsichtbarkeits-Tarnmantel” muss elektromagnetische Wellen um alles biegen können, wo er sein soll. (Sie eignen sich auch ideal, um sogenannte „Superlinsen“ herzustellen, mit denen Objekte in viel kleineren Maßstäben gesehen werden können, als dies mit natürlichen Materialien möglich ist, da sie deutlich niedrigere Beugungsgrenzen haben.) Die meisten Metamaterialien bestehen aus einem hochleitfähigen Metall wie Gold oder Kupfer, in bestimmten Formen organisiert und in sorgfältig geschichteten periodischen Gitterstrukturen angeordnet. Wenn Licht durch das Material fällt, biegt es sich um das getarnte Objekt und macht es „unsichtbar“. Sie können alles direkt dahinter sehen, aber das Objekt selbst nie wahrnehmen.

Im Gegensatz zu Harry Potters Unsichtbarkeitsmantel existieren Metamaterialien tatsächlich, zumindest im Labor, aber sie sind typischerweise auf bestimmte Wellenlängen beschränkt: beispielsweise Mikrowellen oder Infrarotlicht und sogar bestimmte Frequenzen von Schallwellen. Ihre Arbeit mit sichtbarem Licht ist eine viel schwierigere Aufgabe, obwohl die französischen Physiker 2017 ein Metamaterial nachweisen konnten, das sich aus dünnen Schichten von Galliumnitrid (dem blauen Licht emittierenden Element in LCDs) zusammensetzt, die in Säulen unterschiedlicher Formen eingemeißelt sind und den Fluss des sichtbaren Lichts durch das Material verzögern. Metamaterialien werfen manchmal auch einen verräterischen Schatten, da sie einen Teil des durch sie hindurchscheinenden Lichts absorbieren.

Es kann auch möglich sein, Metamaterialien zu verwenden, um die durch Erdbeben verursachten Schäden an Gebäuden und anderen Infrastrukturen zu verringern, indem so genannte Rayleigh-Wellen umgeleitet werden, die flacheren seismischen Oberflächenwellen, die typischerweise die schlimmsten strukturellen Schäden verursachen. Per Physics World: „Die Idee ist, ein Gebäude mit einem Gitter aus Löchern oder festen Objekten im Boden zu umgeben. Wenn seismische Wellen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs durch das Gitter fließen, stören sich mehrere Reflexionen im Gitter gegenseitig und erzeugen eine Bandlücke, die das Rütteln des Gebäudes erheblich verringert. “

Auf einem kürzlich abgehaltenen Treffen der Seismological Society of America haben Wissenschaftler zwei solcher Schemata für die großflächige seismische Kontrolle beschrieben, die von Metamaterialien inspiriert sind. Eine Möglichkeit besteht darin, die umliegende Landschaft so zu gestalten, dass ausgehobene Löcher und Hügel in erdbebengefährdeten Gebieten eine periodische Barriere bilden. (Strategisch platzierte Baumreihen in einem Wald könnten ebenfalls eine dämpfende Wirkung haben.) Computermodelle weisen darauf hin, dass dies eine bessere Strategie zur Reduzierung der Bodenbewegung wäre, als tiefe, enge Canyons und Hügel herauszuschneiden. In einer zweiten Studie wurde anhand von 3D-Simulationen demonstriert, wie durch das Entwerfen von Gebäuden mit unterschiedlichen Höhen und Breiten und durch die Integration dieses Entwurfs in die umliegenden Berge und Täler eine stadtweite periodische Struktur erzeugt werden kann, die der eines Metamaterials ähnelt. Im Prinzip dienen solche Strukturen als Resonatoren, die den flachen Oberflächenwellen Energie entziehen.

Der Mitautor Stephane Brûlé, Bauingenieur bei der in Lyon ansässigen Firma Menard, hat vor einigen Jahren mit Kollegen des Fresnel-Instituts in Marseille die Möglichkeit einer solchen großflächigen akustischen und seismischen Verschleierung aufgezeigt. Die Forscher bohrten eine periodische Reihe von Bohrlöchern in den Mutterboden und stellten fest, dass Schallwellen den größten Teil ihrer Energie zurück zur Quelle reflektierten, als sie auf die ersten beiden Lochreihen stießen. Brûlé bemerkte eine ähnliche Grundstruktur im Urlaub in Autun (einer Stadt in Mittelfrankreich), dank einer Luftaufnahme des halbkreisförmigen Aufbaus eines galloromanischen Theaters, das unter einem Feld begraben war.

Als Brûlé ein detaillierteres archäologisches Foto der Theaterstruktur über das Bild eines der Metamaterialien legte, die er und seine Fresnel-Kollegen im Labor hergestellt hatten, stimmten die Säulen des antiken Theaters fast perfekt mit den mikroskopischen Elementen des Metamaterials überein. Er entdeckte eine ähnliche Überschneidung mit Bildern der Grundstruktur des römischen Kolosseums und anderer, vollständig umschlossener Amphitheater aus der gleichen Zeit.

“Ich bezweifle, dass die [Römer] ihre Gebäude absichtlich erdbebensicher gestaltet haben.”
Römische Ingenieure haben dies möglicherweise nicht absichtlich getan. Brûlé zufolge hätten sie einfach Glück gehabt. Oder sie haben im Laufe der Jahrhunderte bemerkt, dass bestimmte Bauwerke gegenüber Erdbebenschäden widerstandsfähiger waren als andere und ihre Konstruktionen entsprechend modifiziert. “Genau genommen können wir im Moment nicht mehr sagen”, sagte er zu Physics World.

“Die Einführung archäologischer Metamaterialien ist eine faszinierende Idee”, sagte Greg Gbur, Physiker an der University of North Carolina in Charlotte. „Ich bezweifle, dass die Bauherren in dieser Zeit ihre Gebäude absichtlich erdbebensicher gestaltet haben oder dass sie ihre Entwürfe im Laufe der Zeit unbewusst weiterentwickeln konnten, um sie sicherer zu machen – die Zeitskalen scheinen zu kurz. Ich könnte mir jedoch vorstellen, dass es eine Art „natürliche Auslese“ geben könnte, bei der Megastrukturen, die durch versehentliches Erdbeben entstanden sind, möglicherweise länger überlebt haben als ihre Gegenstücke, sodass wir ihre Überreste jetzt sehen können. “

“In der Vergangenheit wurden einige Artikel über die Möglichkeit des Entwurfs von “seismischen Mänteln” zum Schutz von Gebäuden verfasst, die sich alle darauf konzentrierten, unterirdische Elemente um ein einzelnes Gebäude zu platzieren, um die Wellen zu leiten”, sagte Gbur. „Dieser Rückblick zeigt, wie ein gut gestalteter städtischer Bereich, der aus mehreren Gebäuden besteht, die Gebäude selbst als Elemente des Mantels verwenden kann, um die wichtigsten oder anfälligsten Gebäude (Schulen, Krankenhäuser) vor Schäden zu schützen. Ich hatte meine Zweifel an der Realisierbarkeit, praktische seismische Unsichtbarkeitsmäntel zu entwerfen, als die Forschung zum ersten Mal auf den Markt kam, aber die Forscher haben sich erneut als schlauer erwiesen, als ich es mir vorstellen konnte.“

 

Quelle: ARS TECHNICA