Gebäude, Kraftwerke und Brücken mit Metamaterialien schützen
Wir wissen, dass Erdbeben, die durch Störungen verursacht werden, die weit unter der Erdoberfläche durch die Bewegung tektonischer Platten entstehen, an der Oberfläche Verwüstungen anrichten können. Bodenerschütterungen können aber auch durch andere Quellen verursacht werden, z. B. durch vorbeifahrende Autos und Züge sowie durch Bau- und Bergbauarbeiten. „Abhängig von der Intensität, den Resonanzmerkmalen und der Nähe der Quelle können all diese Erschütterungen erhebliche Auswirkungen auf die bebaute Umwelt haben“, sagt die Koordinatorin des Projekts INSPIRE, Marianna Loli von Grid Engineers in Griechenland. „Die Auswirkungen können von Lärmbelästigung bis hin zu lebensbedrohlichen Einstürzen von Gebäuden und Infrastrukturen reichen, mit erheblichen Folgen für Gesellschaft und Wirtschaft.“
Innovative Lösungen mithilfe von Metamaterialien
Das Hauptziel des Projekts INSPIRE, das von der Nationalen Technischen Universität Athen in Griechenland koordiniert und über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt wurde, bestand darin, innovative Lösungen für einen besseren Schutz der bebauten Umwelt vor gefährlichen Bodenerschütterungen zu entwickeln. Diese Lösungen wurden unter Verwendung von Metamaterialien erschlossen. „Metamaterialien sind technische Werkstoffe, die in der Natur nicht vorkommen, aber hergestellt werden können und außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen“, kommentiert Loli. „Dazu könnte auch die Fähigkeit gehören, seismische Wellen umzuleiten, um strukturelle Erschütterungen abzumildern.“ Das Projekt stützt sich auf eine wachsende Zahl wissenschaftlicher Erkenntnisse, die darauf hindeuten, dass Metamaterialien das Potenzial bergen, die Widerstandsfähigkeit von Gebäuden, Brücken und anderen kritischen Infrastrukturen bei Erdbeben zu erhöhen. Sie könnten außerdem eine bessere Lärmisolierung bieten und so die Lebensbedingungen in den Städten verbessern.
Spitzentechnologien einsetzen
Im Rahmen eines bahnbrechenden Schulungsprogramms wurden neue Konzepte erarbeitet, an dem acht europäische Universitäten und 11 führende Unternehmen der Branche beteiligt waren. Aus über 100 Bewerbungen aus der ganzen Welt wurden in einem wettbewerbsintensiven Verfahren insgesamt 15 Promovierende ausgewählt. „Im Rahmen ihrer dreijährigen Doktoratsprogramme untersuchten die Forschenden ein breites Spektrum an schwingungsdämpfenden Metamaterialkonzepten“, so Loli. „Dazu gehören unterirdische Konstruktionen, die als Abschirmung mit dispersiven, filternden und wellenleitenden Eigenschaften dienen, neuartige Dämpfungsvorrichtungen und passive Schwingungsabsorber sowie technische Werkstoffe aus Kies, die Pipelines schützen können.“ Zu den weiteren erforschten Innovationen gehörten Geräte zur Schwingungsdämpfung, die auf die Optimierung des seismischen Verhaltens von Brücken zugeschnitten sind, sowie Lösungen für die Bahntechnik zur Kontrolle der durch Züge verursachten Erschütterungen, um den Lärm in städtischen Gebieten zu minimieren. Ein anderer Forschender befasste sich mit akustischen Oberflächen und dynamischen Schwingungsdämpfern, die auf die Schallisolierung bei niedrigen Frequenzen zugeschnitten sind. Bei der Entwicklung ihrer Ideen nutzten die Forschenden Spitzentechnologien wie 3D-Druck sowie fortgeschrittene numerische Simulationen mithilfe von Supercomputern. Diese Technologien wurden eingesetzt, um die Entwürfe zu optimieren und die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Lösungen darzulegen.
Sicherheit und Lebensqualität in der bebauten Umwelt bewirken
Das Projekt INSPIRE hat erfolgreich nachgewiesen, wie Metamaterialien eingesetzt werden können, um die Sicherheit und Lebensqualität in der bebauten Umwelt zu erhöhen. „Die Realisierbarkeit der vorgeschlagenen Entwürfe wurde durch fortgeschrittene analytische Simulationen und experimentelle Kampagnen in kleinem Maßstab nachgewiesen“, bemerkt Loli. Das Projektteam hat außerdem ein vielfältiges Instrumentarium an Algorithmen, numerischen Methoden und Verarbeitungsinstrumenten bereitgestellt, das von Forschenden, die an ähnlichen Projekten beteiligt sind, in Zukunft genutzt werden kann. Zu den nächsten Schritten auf dem Weg zur Marktreife der Lösungen gehören groß angelegte Pilotversuche und die weitere Optimierung der Gestaltung. „Endnutzende könnten der Markt für seismische Isolierung, Unternehmen, die Forschung und Entwicklung im Bereich des Bautenschutzes fördern, öffentliche Einrichtungen und Bauunternehmen sein“, sagt Loli. „Wir denken, dass die Ergebnisse von INSPIRE auch zur Verbesserung der professionellen Richtlinien für die Erdbebenplanung beitragen können.“
Schlüsselbegriffe
INSPIRE, Metamaterialien, seismisch, Erdbeben, 3D-Druck, tektonisch
