Métamatériaux, invisibilité et protection

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Protections sismique et hydrodynamique

Les nouvelles possibilités offertes par les métamatériaux ont été judicieusement mises à profit pour imaginer des applications très prometteuses en hydrodynamique et en sismique. Ces travaux reposent sur les analogies entre les différentes équations d’onde, comme par exemple entre les ondes de plasmon de surface et les ondes Rayleigh en élastodynamique ou les vagues en hydrodynamique. Ces activités de recherche bénéficient d’un financement européen ERC.
Exemple de structure (échelle métrique) permettant de contrôler les vagues : photo du tapis à gauche, et simulations du champ de vagues réfléchi par le bord biseauté du canal à houle (17 mètres de long) sans le tapis en haut à droite et avec le tapis en bas à droite. Les derniers travaux en hydrodynamique reposent sur une première série d’études sur des capes d’invisibilité pour les vagues (collaboration avec IRPHE, Marseille) [Dup-2]. Ces connaissances ont été mises en œuvre pour proposer de nouvelles solutions pour la protection contre les vagues océaniques qui pourraient être utilisées pour concevoir de nouvelles générations de digues structurées [Dup-1]. Ces solutions ont fait l’objet de deux brevets, et leur pertinence en terme d’application est étudiée dans un projet de maturation avec la SATT-SE (voir figure 4.3a).
En 2009, les chercheurs de l’Institut Fresnel ont proposé de protéger des bâtiments sensibles en utilisant des métamatériaux sismiques, comme montré par l’image artistique (figure 4.3b) qui schématise des ondes de Rayleigh détournées par un ensemble de différentes couches concentriques. Un premier prototype de métamatériau sismique a été caractérisé expérimentalement en 2012 en collaboration avec l’industriel Ménard du groupe Vinci (collaborateurs industriels S. Brûlé et E. Javelaud) [Bru-4]. Ces résultats très prometteurs montrent que le concept de cape sismique pourrait permettre de créer des barrières protectrices contre des effets destructeurs des tremblements de terre. Des solutions avec des colonnes de béton dans le sol, ou bien des piliers rigides sur le sol sont actuellement étudiées, pour notamment contrôler les ondes dans les bassins sédimentaires (en collaboration avec ISTERRE, Grenoble).
Vue artistique d'une cape sismique (à gauche, infographie Popular Sciences) et dispositif expérimental de la première réalisation de cape sismique (à droite, infographie Ménard).
[Dup-2] Guillaume Dupont, Olivier Kimmoun, Bernard Molin, Sébastien Guenneau, Stefan Enoch. Numerical and experimental study of an invisibility carpet in a water channel. Physical Review E, 2015, 91, pp.023010.
[Dup-1] G. Dupont, S. Guenneau, O. Kimmoun, B. Molin, S. Enoch. Cloaking a vertical cylinder via homogenization in the mild-slope equation. Journal of Fluid Mechanics, 2016, 796, pp. R1-R12.
[Bru-4] Stéphane Brulé, Emmanuel Javelaud, Stefan Enoch, Sébastien Guenneau. Experiments on Seismic Metamaterials : Molding Surface Waves. Physical Review Letters, 2014, 112, pp.133901.

Contact : Sébastien Guenneau