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Mantos da invisibilidade para terremotos e maremotos

Notícia enviada em 09/04/2014
por Rodolfo Bonafim - São Paulo/SP
A Ciência dos materiais é uma das áreas científico-tecnológicas de maior avanço nas últimas décadas. Filmes finos para células solares, para detectores de infravermelho, para filtros óticos, cerâmicas varistoras e nanopartículas magnéticas, são alguns exemplos de aplicação. No campo da indústria bélica, blindagens balísticas e de aeronaves são ",a bola da vez",.

E neste caso de blindagens, os metamateriais (o prefixo meta provém do grego e significa além de) que são materiais produzidos artificialmente, dotados de propriedades físicas que não são encontradas normalmente na natureza, tais como índice de refração negativo e efeito doppler invertido, que estão por trás disto!

Os primeiros metamateriais produzidos foram capazes de desviar com índice de refração negativo, ondas eletromagnéticas de comprimentos de onda relativamente pequenos, tais como as microondas. Isto se aplicado à aviação, revestindo desse material a carcaça de um jato por exemplo, faria com que as ondas de um radar apenas contornassem a estrutura do avião, sem chance de detectá-lo. Já a utilização dessas estranhas propriedades dos metamateriais com ondas na faixa da luz visível dependeria de se obter nanoestruturas de aproximadamente 50 nanômetros, o que equivale a 5 átomos em fila, o suficiente para refratar a luz verde, que tem aproximadamente 500 nanômetros. Observemos que a estrutura nanométrica tem de ser menor do que o comprimento de onda do qual se quer afetar. Para se poder no caso, ocultar um jato por exemplo visualmente, o desafio seria muito grande, pois precisaria-se criar um tipo de manto da invisibilidade que cobrisse todos os comprimentos de onda da luz visível...

Maremotos e terremotos: mantos da invisibilidade para desvio das ondas sísmicas?

O pesquisador Xinhua Hu e seus colegas da Universidade Fudan, em Xangai idealizaram um sistema composto por uma matriz retangular de cilindros estacionários, fixos no fundo do mar, próximo à costa ou praia que se quer proteger das poderosas ondas de um maremoto (tsunami).

",A matriz de ressonância dos cilindros pode ser vista como uma espécie de metamaterial para ondas de água do mar,", afirma Xinhua Hu.

Cada cilindro oco é dividido verticalmente em quatro seções, com fendas para o exterior, que permitem que eles se encham de água ou se esvaziem, dependendo do nível da água ao redor deles. Ainda que os cilindros sejam completamente imóveis, estes enchimentos e esvaziamentos constantes são um tipo de oscilação, à semelhança aos osciladores eletromagnéticos que interferem com os comprimentos de ondas de luz ou com os comprimentos de ondas de microondas, como já comentado acima, em metamateriais ",convencionais",.

Ajustando a largura das fendas verticais, o tamanho dos cilindros e seu espaçamento, Hu e sua equipe demonstraram que a matriz pode ser configurada para ondas do mar de uma determinada frequência.

Sendo assim, a estrutura vai drenar os picos, ou seja as ondas de maiores amplitudes (ou mais altas), e se esvaziar para preencher as depressões ou vales das ondas (ou mais baixas), o que acarretaria no bloqueio das ondas.

Se fosse utilizar diversas matrizes com espaçamentos diferentes e vários tamanhos de cilindros poderia ser possível bloquear ondas de diversas frequências diferentes e eventualmente até maremotos!

Energia das ondas de água não é absorvida e sim desviada

O amortecimento gerado pelo bloqueador de ondas na verdade não absorve a energia destas e sim transforma essa energia em ondas de reflexão, produzidas na direção oposta.

E aí, surge um drama: as ondas de um maremoto uma vez desviadas da direção preferencial da costa que estaria na iminência de ser atingida, poderiam atingir, outras áreas.... Então, o que fazer com toda essa energia? Bem, os pesquisadores propõem que a energia seja aproveitada e transformada em energia elétrica.

Contudo, para isso funcionar adequadamente, seria necessário efetivamente absorver a energia das ondas usando geradores apropriados, instalados dentro dos cilindros.

A equipe demonstrou suas idéias com simulações de modelos de computador e uma maquete experimental em escala reduzida do tamanho de uma mesa.

E... quanto aos terremotos?

Bem, assim como no caso dos maremotos, em princípio, os mantos de invisibilidade ou camuflagens anti-terremotos poderiam gerar barreiras protetoras que desviariam a energia do sismo para longe de estruturas sensíveis, como usinas nucleares.

O teste foi feito pela equipe do Dr. Sebastien Guenneau, do Instituto Fresnel da França, que foi o primeiro a perceber que os metamateriais, que funcionam bem com ondas ópticas, sônicas, ondas do mar e até contra o calor, poderiam ser usados também contra ondas sísmicas.

A Física é a mesma em todos os campos

Sabemos que a teoria gravitacional guarda essencialmente os mesmos princípios da teoria eletromagnética - basta simplesmente observar a quase identidade entre as equações que regem a força da gravidade e da força elétrica. Basicamente, o que ",muda",, são as constantes que são necessárias para validar as teorias em quaisquer pontos do universo! Sendo assim, enquanto as ondas eletromagnéticas transferem energia entre os campos elétricos e magnéticos, as ondas sísmicas fazem uma transferência entre a energia potencial armazenada na deformação da crosta terrestre e a energia cinética contida em seu movimento.

O que os pesquisadores descobriram é que se a propriedade ",permissividade elétrica", (ε,) for substituída pela densidade do solo, e a ",permeabilidade magnética", (μ,) pelo seu módulo de elasticidade, a óptica transformacional se ",transforma", em sísmica transformacional.

A camuflagem contra terremotos, assim como para maremotos (tsunamis) não absorve as ondas sísmicas, e sim as desvia ou reflete, deixando as áreas protegidas intactas, mas reforçando o ",tranco", nas cercanias da área atingida, o que não seria nada bom para áreas urbanas, pois desviaria a energia sísmica de uma região de edificações para outra!

E também controlar a densidade do solo e o módulo de elasticidade para toda uma área seria uma empreitada muito complicada, por isso os pesquisadores estão se concentrando inicialmente nas ondas sísmicas que se propagam diretamente na superfície, as ondas superficiais que são as que trazem mais danos....

Em vez de átomos artificiais, como no caso da óptica, foi descoberto que é o suficiente usar buracos para modificar os parâmetros da sísmica transformacional.

E... diante de um terremoto simulado, com ondas na frequência de 50 Hz, a área protegida pela camuflagem contra sismos registrou apenas 20% da amplitude da oscilação original, mostrando que o ",metassolo", de fato desviou as ondas sísmicas.

No entanto, os pesquisadores afirmam que por enquanto, uma camuflagem contra terremotos poderia ser usada na prática apenas em locais muito específicos, uma vez que isso exigiria uma área equivalente à área a ser protegida e como já foi comentado acima, a camuflagem não absorve as ondas, mas as desvia ou reflete, significando que a vizinhança receberá o choque, tornando a técnica inadequada para áreas urbanas....

Mas, num estágio mais avançado, quando estas dificuldades puderem ser contornadas ou minimizadas, um ",manto da invisibilidade", poderá proteger prédios contra terremotos, como por exemplo, a criação de escudos capazes de tornar edificações e outras estruturas, praticamente imunes a terremotos.

Tipos de ondas sísmicas*

Quando ocorre um terremoto, são gerados dois tipos de ondas sísmicas: as ondas de corpo ou de volume, que viajam no interior da Terra, e as ondas superficiais - as mais perigosas para as construções civis!

Segundo os pesquisadores, os metamateriais são capazes de proteger as construções das ondas superficiais, que são as de interesse humano...

A tecnologia, que ainda está na fase inicial de testes, usa anéis concêntricos de plástico, que serão colocados na superfície da Terra nas proximidades das construções a serem protegidas. Esses metamateriais são capazes de assimilar e desviar as ondas superficiais, que passariam ao largo das construções.

Controlando a dureza e a elasticidade dos anéis, as ondas passariam suavemente através do escudo protetor, sendo comprimidas em pequenas flutuações de pressão e densidade. O caminho das ondas sísmicas pode ser dirigido para formar um arco que as levariam para fora do local a ser protegido.

*Para um maior e melhor conhecimento:

As ondas sísmicas que se propagam mais profundamente, as ondas de corpo ou de volume podem ser classificadas como Ondas P (primárias) que são do tipo compressivo, como se fossem ondas que se transmitem ao longo de uma mola.

As ondas P são as mais velozes das ondas sísmicas, podendo propagar-se tanto em meios sólidos como líquidos. A velocidade de propagação no granito, por exemplo, é de cerca de 5,5km/s. Em meios líquidos a velocidade de propagação reduz-se bastante, como por exemplo, na água, cuja velocidade das ondas P é de apenas cerca de 1,5km/s.

Há também como tipo de ondas de corpo, as ondas S (secundárias), quando o movimento de vibração se dá no plano definido pela frente de onda e, como tal, perpendicularmente à direção de propagação, portanto, são ondas transversais. Podemos comparar essas ondas S, como uma corda de guitarra que é posta a vibrar: a passagem da onda transversal obriga os planos verticais do meio a se moverem para cima e para baixo.

As ondas S só se propagam em meios sólidos, sendo que a sua velocidade é menor do que a das ondas P. No granito, por exemplo, é de aproximadamente 3km/s.

Finalmente, temos as ondas superficiais, sendo que podem ser classificadas em duas categorias: as ondas R (ou Rayleigh) e as ondas L (ou Love), que se distinguem entre si pelo tipo de movimento que as partículas descrevem na frente de onda.

As ondas superficiais deslocam-se a menor velocidade do que as ondas de corpo, sendo que em geral, as ondas L têm maior velocidade do que as ondas R.

As ondas sísmicas superficiais têm uma banda larga de frequências, mas inferiores às das ondas de corpo. Normalmente, as frequências das ondas superficiais são menores do que 1 (um) Hertz.

Nota: apesar de que o território do Brasil está situado no interior de uma placa litosférica, a da América do Sul, não está isento de abalos símicos, haja vista os da região Nordeste, principalmente, locais de Minas Gerais, etc. Não podemos esquecer o terremoto na direção do litoral paulista, mais precisamente ocorrido na direção de São Vicente, cidade da Baixada Santista, em abril de 2008, praticamente há seis anos, cuja magnitude foi de respeitáveis 5,2 graus na Escala Richter. O recorde brasileiro foi de 6,2 graus em 1955. Este sismo foi sentido com muita intensidade em diversas cidades paulistas e do estado do Rio de Janeiro, bem como do Paraná e de Santa Catarina.

Além destes sismos, há aqueles de natureza induzida por reservatórios de água, que consistem de sismos de pequenas intensidades, mas que podem causar rachaduras e muita preocupação na população. Estes tipos de sismos começam a aparecer logo após o enchimento (na maioria dos casos, nos primeiros dois anos), sendo que o sismo de maior magnitude pode ocorrer logo nos primeiros anos, ou pode demorar até vários anos.

A causa principal é a difusão da pressão da água (“pore pressure”) nas camadas abaixo do reservatório através de fraturas, zonas de falha e porosidade das rochas. O peso do reservatório tem menor influência. Mas a região já precisa ter tensões geológicas muito grandes (próximas ao limite de ruptura) para ter sismos induzidos. É a chamada SIR - Sismicidade Induzida por Reservatórios. No Brasil, os primeiros casos de sismos induzidos foram relatados em 1971, na Usina de Capivari-Cachoeira (na Serra do Mar, PR), e em 1972, em um pequeno reservatório, com apenas 20 m de profundidade, em Carmo do Cajuru (MG), situado na parte sul do cráton do São Francisco. Quanto maior a profundidade do reservatório (ou a altura da barragem), mais provável é a ocorrência de sismos induzidos. Em reservatórios com barragens de mais de 100 m de profundidade em regiões sedimentares, a probabilidade pode chegar a 50%. Até hoje, em cerca de vinte reservatórios. Em nosso país, os maiores sismos induzidos chegaram a originar pequenas trincas em paredes de casas da região rural. Porém, a maior parte desses sismos tem sido de magnitudes pequenas, inferiores aos sismos naturais da mesma região.

E agora, há uma possível conclusão?

O método de escudo ou manto de invisibilidade para esta categoria de sismo, poderia ser útil aos reservatórios sísmicos brasileiros?

Imagem anexa: anéis concêntricos de plástico, que serão colocados na superfície da Terra nas proximidades das construções a serem protegidas. Controlando a dureza e a elasticidade dos anéis, as ondas passariam suavemente através do escudo antiterremoto. Fonte: Sebastien Guenneau.

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