Pour protéger nos villes des tremblements de terre, certains cherchent à dévier les ondes sismiques, d’autres espèrent réussir à les atténuer. © My Good Images, Shutterstock

Sciences

Métamatériaux : des forêts pour lutter contre les séismes (MAJ)

ActualitéClassé sous :physique , séisme , invisibilité

Des structures se comportant comme des métamatériaux pourraient servir à bâtir des boucliers antisismiques pour protéger nos villes et les centrales nucléaires des tremblements de terre. On pourrait même utiliser pour cela des arbres convenablement plantés sous forme de forêts, selon des chercheurs.

Comment faire face aux catastrophes naturelles ?  Chaque année de nombreuses catastrophes naturelles ravagent les pays du Sud. Malheureusement, avec le peu de moyens disponibles, la gestion de ces états de crise est souvent problématique. Sébastien Hardy, géographe de l’IRD (institut de Recherche pour le développement) nous parle au cours de cette vidéo des solutions envisagées par l’organisme pour traiter le problème. 

Comme le prouve un article publié dans Scientific Reports par une équipe de chercheurs français et britanniques, la possibilité d'utiliser des structures qui se comportent comme des métamatériaux pour les ondes élastiques dans les solides continue d'être explorée. Avec des ondes lumineuses, on sait que les métamatériaux ont ouvert la porte à la réalisation d'un vieux rêve de l'humanité, l'invisibilité, en déviant celles-ci de façon appropriée. Physiciens et mathématiciens avaient montré il y a quelques années qu'il était en théorie possible également de dévier les ondes sismiques produites par les tremblements de terre en appliquant les mêmes principes responsables de la structure des métamatériaux. On devait donc pouvoir protéger des bâtiments, comme les centrales nucléaires du Japon, en les entourant de l'équivalent des boucliers d'invisibilité déjà réalisés avec des micro-ondes.

Pour obtenir ce résultat, il fallait notamment creuser des puits appropriés dans le sol comme nous l'avions expliqué précédemment plus bas dans cet article. Toutefois, en y regardant de plus près, on remarque que la méthode n'est pas sans défaut.

John William Strutt, plus connu sous son titre lord Rayleigh était un physicien anglais. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1904. Il a fait des travaux importants sur les ondes en physique. © DP, Wikipédia

Des ondes de Rayleigh déviées par des arbres

Les ondes déviées pour protéger un bâtiment peuvent détruire celui qui était voisin et parmi les fameuses ondes sismiques en surface dite de Rayleigh bien connues des sismologues, certaines ont des longueurs d'onde suffisamment importantes pour ne pas être affectées par les systèmes d'invisibilité sismiques déjà envisagés. Heureusement, ces problèmes semblent pouvoir être surmontés en utilisant... des arbres !

Des expériences menées en France avec une petite forêt de pins non loin du Campus de l'université Joseph Fourier à Grenoble, jointes à des simulations numériques confirment en effet que les arbres peuvent se comporter comme des résonateurs réémettant des ondes de Rayleigh dans une certaine bande de fréquence en réponse à l'arrivée de celles produites par un séisme, de sorte qu'au final elles sont envoyées en profondeur dans le sol, et ce même pour de grandes longueurs d'onde. Curieusement, la protection est la plus efficace pour des arbres plantés de façon dense et aléatoire. Elle s'améliore encore en couvrant une plus grande bande de fréquence si les arbres sont arrangés avec des hauteurs décroissantes.

Il y a pourtant un caveat. Pour le moment, le concept ne fonctionne que si les ondes arrivent de deux directions et de deux directions seulement. Mais les chercheurs sont confiants. Ils finiront par faire sauter ce verrou.

----------

Séisme : quand les métamatériaux font bouclier (MAJ)

Mise à jour publiée par Laurent Sacco le 16/09/2016

Des métamatériaux pourraient servir à bâtir des boucliers antisismiques pour protéger nos villes des tremblements de terre. Et ce, dans un futur pas si lointain, selon une équipe de chercheurs européens.

Les tremblements de terre sont parmi les catastrophes naturelles les plus meurtrières. Et si les immeubles et autres habitations peuvent aujourd'hui être bâtis pour résister aux séismes, il reste compliqué de protéger une ville entière ou des constructions anciennes. Mais à en croire les travaux menés par une équipe internationale de chercheurs européens (France, Italie, Royaume-Uni), des métamatériaux pourraient constituer des boucliers efficaces pour protéger nos villes des secousses sismiques.

Le bouclier conçu - à partir de métamatériaux localement résonants et de cristaux phononiques - par l'équipe se présente sous la forme de deux ou trois rangées de cavités entourant les structures à protéger. Une configuration qui permet d'atténuer les ondes sismiques - ou une partie d'entre elles -, qu'elles soient de surface ou de volume. Les formes (en croix, en cylindre, etc.), les dimensions et les  remplissages (acier, béton, caoutchouc, etc.) de ces cavités dépendent notamment du type de sol sur lequel est bâtie la structure. Ainsi par exemple, pour un sol fait essentiellement de sable et dans le cas d'ondes sismiques de basse fréquence, les cavités devraient atteindre une profondeur de 10 mètres. Elles devraient aussi être associées à du béton pour éviter un effondrement des sols avoisinants.

Mais pour passer de l'expérimentation 3D - comme cela a été le cas pour cette étude - à la réalité, il reste encore des difficultés à contourner. Il faudra notamment trouver la configuration qui s'adaptera à des sols et des sous-sols non uniformes, composés de matériaux aux propriétés diverses. Et étendre les propriétés protectrices du bouclier à une gamme de longueurs d'onde encore plus large.

Grâce à un bouclier antisismique à base de métamatériaux et de cavités creusées dans le sol, des chercheurs européens espèrent limiter à l’avenir, les dégâts causés par les tremblements de terre à nos infrastructures. © Jianghaistudio, Shutterstock

----------

Article initial paru le 29/07/2009

Les étonnants concepts théoriques menant à ce que l'on appelle l'invisibilité pourraient aussi servir à protéger des bâtiments... contre les tremblements de terre. C'est ce que démontrent les chercheurs de l'Institut Fresnel de Marseille, qui avaient déjà proposé ce principe contre les tsunamis. Une idée qui pourrait aussi servir à réduire les vibrations d'une voiture.

Un souffle prométhéen traverse visiblement l'esprit de plusieurs Terriens depuis quelques semaines. Après Bill Gates et ses idées pour maîtriser les cyclones, certains imaginent maintenant de contrôler la puissance destructrice des séismes.

Ce sont les récentes propriétés des métamatériaux et les théories mathématiques décrivant la propagation des ondes à l'aide d'équations aux dérivées partielles qui inspirent un groupe de chercheurs travaillant aux universités d'Aix-Marseille et de Liverpool. Récemment, ces mêmes scientifiques avaient proposé de protéger les ports contre les tsunamis grâce aux concepts théoriques de l'invisibilité.

On peut en effet montrer par le calcul et à l'aide de simulations sur ordinateur que le trajet des ondes dans un milieu donné peut être modifié de manière à contourner un obstacle. Depuis quelques années, les chercheurs de différents pays ont pu mettre en pratique ces prédictions théoriques et réaliser de véritables dispositifs d'invisibilité dans le domaine des micro-ondes.

Aujourd'hui Mohamed Farhat, Sebastien Guenneau et Stefan Enoch viennent de publier le résultat de leurs recherches dans la revue Physical Review Letters. En appliquant les mêmes concepts, de nouveau issus de la théorie de l'invisibilité, ils montrent que des séries d'anneaux concentriques constitués de matière plastique, de cuivre et de quatre autres matériaux, différant par leurs duretés et leurs flexibilités, peuvent atténuer fortement les ondes sismiques en les déviant autour d'une construction à protéger.

Les simulations des dispositifs imitant les métamatériaux, constitués d'anneaux concentriques, montrent qu'il est possible de se protéger des séismes en déviant les ondes sismiques. Crédit : M. Farhat et al., PRL 103 (2009)

Les géologues auront leur mot à dire

Leur dispositif ne peut rien contre les ondes de compression (ou ondes P, suites de compressions et de décompressions du sol dans le sens de propagation) ni de cisaillement (ou ondes S, déformations latérales perpendiculaires à la propagation). En revanche, il peut effectivement atténuer le troisième type d'ondes générées par un séisme, celles dites de surface. Or ces ondes, analogues aux rides à la surface de l'eau, sont justement celles qui ont les effets les plus destructeurs.

La réalisation pratique de dispositifs anti-sismiques devra cependant se plier aux contraintes issues de la géologie et les physiciens et mathématiciens devront tenir compte de l'avis des géologues. Des obstacles imprévus risquent donc d'être découverts et il est probablement encore trop tôt pour savoir si les réalisations seront à hauteur des espérances.

D'autres applications, probablement plus facilement réalisables dans un premier temps, peuvent s'imaginer, dans l'industrie automobile et en aéronautique, où des dispositifs similaires à ceux des chercheurs de l'Institut Fresnel pourraient supprimer les vibrations gênantes.