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StartseiteForschung aktuellTarnkappe gegen Schall und Erdbeben17.12.2019

Akustische MetamaterialienTarnkappe gegen Schall und Erdbeben

Metamaterialien können Objekte vor dem Licht abschirmen und so regelrecht unsichtbar machen. Gerade steht eine verwandte Materialklasse kurz vor der Einführung, die stattdessen Schall- und sogar Erdbebenwellen wirksam verschwinden lässt.

Von Karl Urban

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Ein Wald aus mikroskopisch kleinen Säulen bedeckt die Oberfläche der "Metalinse". (Computergrafik) (Peter Allen/Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)
"Metamaterialien" haben extrem winzige Strukturen die magnetische und elektromagnetische Felder ablenken. (Peter Allen/Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)
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Die Welt ist laut, viel zu laut. Und unsere Mittel gegen den Lärm sind oft nicht optimal.

"Wenn auf beiden Seiten der Autobahn eine Schallschutzwand steht, werfen die den Schall ja nur hin und her. Viel besser wäre es, den Schall stattdessen zu absorbieren."

Die Idee ist nicht neu: Schaumstoff oder Platten mit vielen kleinen Löchern darin können den Lärm dämpfen. Solche Schallschutz-Elemente hängen heute in Konzertsälen, Tonstudios oder Schwimmbädern. Vor 13 Jahren kam aber eine neue Idee auf, erzählt Sebastien Guenneau vom Fresnel-Institut in Marseille: Akustische Metamaterialien, die den Schall komplett verschlucken. Der Franzose ist ein weltweit führender Experte dafür.

"Ein Metamaterial bringt traditionellen Lärmschutz eine Stufe weiter, weil sich Schallwellen auf ganz neue Weisen absorbieren, zurückwerfen oder umlenken lassen – und zwar auf engem Raum."

Lärmreduzierung nur mit Metaoberfläche

Ein Metamaterial ist eine Oberfläche mit einer regelmäßigen und sich im Kleinen wiederholenden Struktur, die mit ankommenden Wellen wechselwirkt. Ein akustisches Metamaterial besteht oft aus zwei Werkstoffen, beispielsweise einer harten Betonwand mit vielen kleinen Löchern, die mit Gummi verfüllt sind. Es gibt auch Waben oder andere dreidimensionale Strukturen, deren Geometrie die Schallwellen ganz im Sinne ihrer Erfinder manipuliert.

"Wenn Sie den Lärm verringern wollen, der von einer Flugzeugturbine ausgeht, dann ist das nur mit einer Metaoberfläche möglich."

Auch in einem Kernspintomografen ist der Platz begrenzt und der Lärm für den Patienten unangenehm.

"Kinder und sogar manche Erwachsene weigern sich deshalb immer wieder gegen Kernspinuntersuchungen. Das Problem ist, dass es in der Röhre sehr wenig Platz für einen Schallschutz gibt. Man braucht also eine sehr leistungsfähige akustische Metaoberfläche.

Auch ungewollte Vibrationen werden abgeschirmt

In einem Kernspintomografen müsste ein althergebrachter Schallschutz mehrere Meter dick sein – mit einem schallschluckenden Metamaterial sind es nur wenige Zentimeter. Mittlerweile werden diese Materialien von einzelnen Firmen vermarktet und dürften in die nächste Generation von Kernspintomografen oder Flugzeugen Einzug halten. Und auch ungewollte Vibrationen werden zunehmend von Metamaterialien abgeschirmt.

"Ein absorbierendes Metamaterial lässt sich auf beiden Seiten einer Bahnlinie installieren. Das wird gerade schon von einem Startup in Italien umgesetzt."

Die Erdbebenwelle wird quasi umgelenkt

Auch bei der Abschirmung von Erdbebenwellen sind die Forscher mittlerweile weitergekommen. Weil die Wellenlänge von Erdstößen ungleich größer ist, müssen seismische Metamaterialien als gewaltige Strukturen im Erdreich installiert werden. In Zukunft sollen Altbauten damit geschützt werden.

"Bei einem historischen Gebäude lässt sich das Fundament ja nicht mehr nachträglich verändern. Stattdessen versenken wir rund herum eine Art Kranz aus Betonsäulen im Erdboden, die das Gebäude dann vor Erdbeben mit niedriger Amplitude schützen können."

Die Idee dahinter: Die Erdbebenwelle wird quasi um das zu schützende Objekt herum gelenkt. Für ein mittelalterliches Schloss in der Toskana wurde ein solcher Erdbebenschutz mit einem detaillierten Computermodell berechnet. In Frankreich wiesen Forscher mit mechanisch erzeugten Vibrationen und tausenden Seismometern nach, dass so eine Erdbeben-Tarnkappe auch praktisch funktioniert. Bezahlbar wäre so ein Schutzschild im Boden vermutlich aber nur für ausgewählte, besonders schützenswerte Gebäude.

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