Moni haaveilee merinäköalasta. Unelma täyttyy, kun metapinnoite alkaa häivyttää kokonaisia kerrostaloja. Kuvitus Klaus Welp
Moni haaveilee merinäköalasta. Unelma täyttyy, kun metapinnoite alkaa häivyttää kokonaisia kerrostaloja. Kuvitus Klaus Welp
Kuulumattomuusverhoilu takaa rauhallisen tv-tuokion niille, joita lähipuiston rockkonsertti ei kiinnosta.
Kuulumattomuusverhoilu takaa rauhallisen tv-tuokion niille, joita lähipuiston rockkonsertti ei kiinnosta.
Metamateriaaleista kehitetään myös turvatekniikkaa. Tulevaisuuden ydinvoimalaa suojaavat betonisylinterit, jotka muuttavat järistysaallot ääniaalloiksi.
Metamateriaaleista kehitetään myös turvatekniikkaa. Tulevaisuuden ydinvoimalaa suojaavat betonisylinterit, jotka muuttavat järistysaallot ääniaalloiksi.

Kun ainetta järjestellään sopivasti, se ohjaa valo- ja ääniaallot ohitseen. Metamateriaalien taikamaassa maanjäristyskin kesyyntyy huokaukseksi.

Pakoon näkyvää valoa

Hittituote Harry Potter -fanien naamiaisiin: näkymättömyysviitta. Toistaiseksi sen prototyypit eivät muistuta edes etäisesti viittaa, vaikka osaavatkin taikoa esineitä näkymättömiin. Useimmat tutkijoiden valmistamat näkymättömyysverhot ovat olleet pieniä rakennelmia, jotka ovat piiloutuneet mikroaalloilta. Alkuun on päästy myös näkyvän valon hämäämisessä.

Kuvittele peililattia ja siihen keskelle muhku. Karlsruhen teknisen yliopiston tutkijat ja heidän työtoverinsa onnistuivat 2010 kätkemään muhkuran niin, että peililattia vaikutti täysin sileältä näkyvässä valossa. Kokeen muhkura oli vain millimetrin tuhannesosan kokoinen. Periaatteessa se voisi olla vaikka talon suuruinen.

Kun kätketystä mikrometrin kokoisesta muhkurasta päästään isompaan mittakaavaan, kiinnostuvat naamiaisasujen valmistajien lisäksi ainakin arkkitehdit. Yhä useammalle ihmiselle voisi näet tarjota merinäköalan. Ei tarvitse kuin päällystää rantatonttien talot metamateriaalilla, niin sisempienkin talojen asukkaat pääsevät nauttimaan upeista näkymistä.

Näkymättömyystutkimukseen saa helposti rahaa myös suurvaltojen asevoimilta. Kenraalit haluavat piilottaa hävittäjänsä ja amiraalit aluksensa. Täydelliset häivealukset jäävät kuitenkin haaveeksi, sanoo näkymättömyysverhoilua tutkinut akatemiaprofessori Matti Lassas Helsingin yliopistosta. Kaikille  aallonpituuksille näkymätöntä kohdetta ei näet voi rakentaa yhtä aikaa.

Taika onnistuu ohittamalla

Näkymättömyyden ja kuulumattomuuden taika synnytetään keinotekoisilla metamateriaaleilla. Niillä on ominaisuuksia, joita luonnonmateriaaleilla ei voi olla. Tavallisen aineen ominaisuudet määräytyvät lähinnä aineen kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Metamateriaalit  saavat erikoisefektin aikaan rakenteellaan.

Metamateriaalilla voi olla niin sanottu negatiivinen taitekerroin, jonka ansiosta se taittaa valoa luonnottomasti. Ilmiötä havainnollistaa vesilasissa oleva pilli. Kun katsot pilliä, se näyttää hieman taipuvan vedessä. Jos lasi olisi täytetty nesteellä, jolla on negatiivinen taitekerroin, pilli näyttäisi nojaavan vastakkaiseen suuntaan.

Metamateriaalit ovat toisteisia, hilamaisia rakennelmia, joilla voidaan käännellä aaltoliikettä lähes miten halutaan. Valo esimerkiksi saadaan taittumaan väärään suuntaan. Kun rakenne on sopivasti valmistettu, sillä voidaan panna valo kiertämään jokin kohde – vaikkapa Harry Potter. Silloin näyttää, kuin häntä ei olisi ollenkaan.

Jotta metamateriaali toimisi, se tulee rakentaa pienemmistä osasista kuin manipuloitavan aaltoliikkeen aallonpituus. Mikroaaltosäteily on suhteellisen helposti jallitettavissa, koska sen aallonpituus on suuri, senttimetristä kymmeneen senttimetriin. Näkyvän valon hämääminen vaatii nanokokoisia osasia. Silti sekin jo onnistuu.

Hiljaisuuden saari syntyy melun keskelle

Vuonna 2050 taajama-asukas katsoo kotonaan häiriintymättä harppumusiikkikonserttia tai tiededokumenttia, vaikka kadulla papattaa ohitse harrikkajengi ja urheilukentällä jytisee rockkonsertti. Kuulumattomuusverhoja – näkymättömyysviittojen vastineita äänille – on jo rakennettukin tutkijoiden laboratorioissa.

Äskettäin Duke-yliopiston tutkijat kertoivat rakentaneensa ensimmäisen kolmiulotteisen kuulumattomuusverhon rei’itetyistä muovilevyistä. Rakennelma ohjaa ääniaallot kulkemaan niin kuin sen takana olevaa kohdetta ei olisi olemassakaan.

Neljän vuosikymmenen päästä televisiokaan ei ole nykyinen teräväpiirto. Litteä on käynyt latteaksi, ja katsomme kolmiulotteista meta-tv:tä.

Uuden television tekniset ratkaisut perustuvat akatemiaprofessorin Matti Lassaksen ja hänen työtovereidensa ideoimaan putkimaiseen näkymättömyysverhoon. Televisio koostuu lukuisista kaapeleista, jotka tököttävät alustaltaan ylös ja muodostavat kuution.

Katsojalle kaapelit ovat kuitenkin pelkkää ilmaa. Hän ei näe niitä, koska ne on päällystetty metamateriaalilla, jonka valo kiertää. Vain kaapeleiden kärkiin syttyy valopisteitä. Näistä pikseleistä muodostuu kolmiulotteinen televisiokuva.

Pylväikkö torjuu järistyksen

Maanjäristysalueille sijoitettuja ydinvoimaloita suojataan nykyisin rakentamalla ne joustamaan, kun maa alla liikehtii. Tulevaisuudessa voimala voidaan myös suojata maahan rakennetulla metamateriaalivallilla.

Maata vavahduttava järistys on aaltoliikettä. Kamaran läpi kulkee kahdenlaisia aaltoja, runkoaaltoja ja pinta-aaltoja. Pinta-aallot tekevät eniten tuhoa matalan taajuutensa, pitkän kestonsa ja suuren värähtelylaajuutensa takia.

Näille tuhoaalloille voi rakentaa maahan eräänlaisen aallonmurtajan, joka kääntää seismiset aallot pois suojeltavasta rakennuksesta. Kuten muissa metasovelluksissa, myös seismisten aaltojen ohjauksessa toistuvan rakenteen pitää koostua aallonpituutta pienemmistä osasista.

Seismistä suojaamista on jo testattukin.

Toissa vuonna ranskalaistutkijat porasivat Grenoblen lähellä maahan viisi metriä syviä reikiä sopivaan järjestykseen kolmeksi riviksi. Sitten he tärisyttivät maata reikävallin edessä ja mittasivat, miten tärinä kulki muodostelman lävitse. Ei kulkenut. Seismiset aallot juuri ja juuri saavuttivat toisen rivistön mutta eivät ulottuneet lähellekään kolmatta. Maarakennelma onnistui heijastamaan pinta-aallot sivuun.

Jos kyse olisi ollut maanjäristysaalloista, jotka käyvät kaupun­kitalon kimppuun, suojausmenetelmä ei olisi ollut naapuriystävällinen. Se näet olisi heijastanut aallot muiden talojen perustuksiin.

Vallin voi kuitenkin rakentaa toisella konseptilla. Pari vuotta sitten tutkijakaksikko Etelä-Koreasta ja Australiasta esitteli Yhdysvaltain akustiikan tutkijoiden kokouksessa keinon vaimentaa seismiset aallot pienemmiksi aalloiksi, jotka sitten sammuvat tykkänään. Menetelmä muuttaa järistyksen ääneksi ja lämmöksi.

Kun kuuden magnitudin järistystä vastaavat seismiset aallot muuttuvat ääneksi, syntyy 120 desibelin jyminä. Se vastaa hälytyssireenin tai rockkonsertin melutasoa. Joku voisi haluta kuunnella järistyksen kuolinkorinaa turvavallin suojista, mutta äänen taajuus jää niin matalaksi, että sitä tuskin erottaa.

Tällä tavoin voisi suojata kokonaisia alueita maan liikunnoilta. Vallin rakentaminen tosin on iso urakka, kun järeitä betonisylintereitä pitää upottaa maahan leveiksi rivistöiksi.

Tsunami uuvahtaa mereen

Fukushiman ydinvoimala olisi säästynyt tuholta, jos se olisi osattu panna piiloon päälle karkaavalta tsunamiaallolta. Ranskalaisen Fresnel-instituutin tutkija Stefan Enoch on osoittanut, että temppu on mahdollinen mereen asennetulla kehämäisellä pylväsrivistöllä.

Pylväikkö toimii samalla periaatteella kuin valolta suojaava näkymättömyysviitta tai ääntä torjuva kuulumattomuusverho. Ne kaikki manipuloivat aaltoja halutun kohteen ohitse.

Pylväikkö ei torju hyökyjä kuten tavallinen aallonmurtaja. Aallot pääsevät rakennelman sisään, missä ne pylväisiin törmätessään ohjautuvat kehämäisiin käytäviin ja lopulta pääosin jatkavat kulkuaan rakennelman takana. Rakennelman keskusta jää koskemattomaksi.

Temppu on toistaiseksi tehty laboratorion pienessä aaltoaltaassa kymmenen senttimetrin mittaisella rakennelmalla. Tutkijoiden mukaan sen voisi kuitenkin toteuttaa suuremmassa mitassa öljynporauslauttojen tai rannikolla sijaitsevien voimalaitosten suojaksi.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja

Artikkelia varten haastateltiin asiantuntijoina akatemiaprofessori Matti Lassasta ja tutkija Henrik Kettusta Helsingin yliopiston matematiikan laitoksesta.

Julkaistu Tiede-lehdessä 6/2014