Wie Maglev-Züge funktionieren

Die Entwicklung des Massentransports hat die menschliche Zivilisation grundlegend verändert. In den 1860er Jahren verwandelte eine transkontinentale Eisenbahn die monatelange Fahrt durch Amerika in eine einwöchige Reise. Nur wenige Jahrzehnte später ermöglichten Personenkraftwagen, viel schneller als zu Pferd über die Landschaft zu springen. Und natürlich haben während des Ersten Weltkriegs die ersten kommerziellen Flüge unsere Reisen erneut verändert und Reisen von Küste zu Küste zu einer Frage von Stunden gemacht. Aber Bahnreisen in den USA sind heute nicht viel schneller als vor einem Jahrhundert. Für Ingenieure, die nach dem nächsten großen Durchbruch suchen, sind vielleicht "magische" schwimmende Züge genau das Richtige.

Im 21. Jahrhundert gibt es einige Länder, die leistungsstarke Elektromagnete verwenden , um Hochgeschwindigkeitszüge, sogenannte Magnetschwebebahnen, zu entwickeln . Diese Züge schweben über Führungsbahnen, wobei die Grundprinzipien von Magneten verwendet werden, um die alten Stahlrad- und Gleiszüge zu ersetzen. Es gibt keine nennenswerte Reibung auf der Schiene, was bedeutet, dass diese Züge Geschwindigkeiten von Hunderten von Meilen pro Stunde erreichen können.

Hohe Geschwindigkeit ist jedoch nur ein Hauptvorteil von Magnetschwebebahnen. Da die Züge selten (wenn überhaupt) das Gleis berühren, sind die Geräusche und Vibrationen weitaus geringer als bei typischen, erderschütternden Zügen. Weniger Vibrationen und Reibung führen zu weniger mechanischen Ausfällen, was bedeutet, dass Magnetschwebebahnen weniger wahrscheinlich wetterbedingten Verzögerungen ausgesetzt sind.

Die ersten Patente für Magnetschwebetechnologien (Magnetschwebetechnologien) wurden bereits Anfang der 1910er Jahre vom in Frankreich geborenen amerikanischen Ingenieur Emile Bachelet angemeldet. Bereits 1904 hatte der amerikanische Professor und Erfinder Robert Goddard einen Artikel über die Idee der Magnetschwebebahn geschrieben [Quelle: Witschge ]. Es dauerte nicht lange, bis die Ingenieure mit der Planung von Zugsystemen begannen, die auf dieser futuristischen Vision basierten. Bald, so glaubten sie, würden Passagiere mit hoher Geschwindigkeit und ohne viele der Wartungs- und Sicherheitsbedenken traditioneller Eisenbahnen von Ort zu Ort in magnetisch angetriebene Autos einsteigen und mit dem Reißverschluss fahren.

Der große Unterschied zwischen einem Magnetschwebebahn und einem konventionellen Zug besteht darin, dass Magnetschwebebahn keinen Motor hat - zumindest nicht die Art von Motor, mit der typische Waggons über Stahlschienen gezogen werden. Der Motor für Magnetschwebebahnen ist eher unauffällig. Anstatt fossile Brennstoffe zu verwenden , treiben die Magnetfelder, die durch die elektrifizierten Spulen in den Führungsbahnwänden und dem Gleis erzeugt werden, zusammen den Zug an.

Wenn Sie jemals mit Magneten gespielt haben, wissen Sie, dass sich entgegengesetzte Pole anziehen und wie Pole sich gegenseitig abstoßen. Dies ist das Grundprinzip des elektromagnetischen Antriebs . Elektromagnete sind anderen Magneten insofern ähnlich, als sie Metallgegenstände anziehen, aber die magnetische Anziehungskraft ist vorübergehend. Sie können ganz einfach selbst einen kleinen Elektromagneten erzeugen, indem Sie die Enden eines Kupferdrahtes mit den positiven und negativen Enden einer AA-, C- oder D-Zellen- Batterie verbinden . Dies erzeugt ein kleines Magnetfeld. Wenn Sie eines der Kabelenden von der Batterie trennen, wird das Magnetfeld entfernt.

Das in diesem Draht-Batterie-Experiment erzeugte Magnetfeld ist die einfache Idee hinter einem Magnetschwebebahnsystem. Dieses System besteht aus drei Komponenten:

Wir werden uns als nächstes die Strecke ansehen.

1. Die Maglev-Spur
2. Elektrodynamische Federung (EDS)
3. Maglev-Technologie im Einsatz

Die magnetisierte Spule entlang der Spur läuft, eine gerufene Führungsweg , stßt die großen Magneten auf dem Fahrgestell des Zuges, so dass die Bahn nach levitate zwischen 0,39 und 3,93 Zoll (1 bis 10 Zentimetern) über die Führungsbahn [Quelle: Boslaugh ]. Sobald der Zug schwebt, werden die Spulen innerhalb der Fahrbahnwände mit Strom versorgt, um ein einzigartiges System von Magnetfeldern zu erzeugen, die den Zug entlang der Fahrbahn ziehen und schieben. Der den Spulen in den Führungsbahnwänden zugeführte elektrische Strom wechselt ständig, um die Polarität der magnetisierten Spulen zu ändern. Diese Änderung der Polarität bewirkt, dass das Magnetfeld vor dem Zug das Fahrzeug nach vorne zieht, während das Magnetfeld hinter dem Zug mehr Vorwärtsschub hinzufügt.

Magnetschwebebahnen schweben auf einem Luftkissen und beseitigen so die Reibung. Dieser Mangel an Reibung und der Züge aerodynamischen Designs ermöglichen diese Züge noch nie da gewesenen Bodentransportgeschwindigkeiten von mehr als erreichen 310 Stundenmeilen (500 kmh) oder doppelt so schnell wie Amtrak am schnellsten S - Bahn [Quelle: Boslaugh ]. Im Vergleich dazu kann ein Boeing-777-Verkehrsflugzeug , das für Langstreckenflüge eingesetzt wird, eine Höchstgeschwindigkeit von 905 km / h erreichen. Entwickler sagen, dass Magnetschwebebahnen Städte verbinden werden, die bis zu 1.609 Kilometer voneinander entfernt sind. Mit 300 km / h können Sie in etwas mehr als zwei Stunden von Paris nach Rom fahren.

Einige Magnetschwebebahnen können noch höhere Geschwindigkeiten erreichen. Im Oktober 2016 schoss ein Magnetschwebebahnzug der Japan Railway während einer kurzen Strecke bis auf 601 km / h. Diese Geschwindigkeiten geben den Ingenieuren die Hoffnung, dass sich die Technologie für Strecken mit einer Länge von mehreren hundert Kilometern als nützlich erweisen wird.

Deutschland und Japan haben beide die Magnetschwebebahn-Technologie entwickelt und Prototypen ihrer Züge getestet. Obwohl sie auf ähnlichen Konzepten basieren, weisen die deutschen und japanischen Züge deutliche Unterschiede auf. In Deutschland entwickelten die Ingenieure ein elektromagnetisches Aufhängungssystem ( EMS ) namens Transrapid. Bei diesem System wickelt sich der Boden des Zuges um einen StahlFührung. Am Fahrgestell des Zuges angebrachte Elektromagnete sind auf die Fahrbahn gerichtet, die den Zug etwa 1 cm über der Fahrbahn schwebt und den Zug auch dann schweben lässt, wenn er sich nicht bewegt. Andere im Körper des Zuges eingebettete Führungsmagnete halten ihn während der Fahrt stabil. Deutschland hat gezeigt, dass der Transrapid-Magnetschwebebahn mit Menschen an Bord 300 Meilen pro Stunde erreichen kann. Nach einem Unfall im Jahr 2006 (siehe Seitenleiste) und enormen Kostenüberschreitungen auf einer geplanten Strecke vom Münchner Hauptbahnhof zum Flughafen wurden die Pläne für den Bau eines Magnetschwebebahns in Deutschland im Jahr 2008 verworfen [Quelle: DW ]. Seitdem ist Asien zum Zentrum für Magnetschwebebahnaktivitäten geworden.

Maglev-Unfälle

Am 11. August 2006 geriet ein Magnetschwebebahnabteil der Transrapid Shanghai Airport Line in Brand. Es gab keine Verletzungen und die Ermittler glauben, dass das Feuer durch ein elektrisches Problem verursacht wurde. Am 22. September 2006 stürzte ein Transrapid-Testzug in Emsland bei einem Testlauf gegen ein Reparaturauto, das versehentlich auf der Strecke zurückgelassen worden war. Der Zug fuhr zu dieser Zeit mindestens 193 km / h. 23 Passagiere wurden getötet und 11 verletzt. Ein Gericht entschied, dass menschliches Versagen für den Vorfall verantwortlich ist, der vermieden worden wäre, wenn die Mitarbeiter die festgelegten Vorschriften und Verfahren befolgt hätten. Seit 2006 wurden keine weiteren Magnetschwebebahnunfälle gemeldet. Die Testzüge in Deutschland wurden jedoch schließlich eingestellt, während der Magnetschwebebahn von Shanghai noch fährt.

Japanische Ingenieure haben eine konkurrierende Version von Magnetschwebebahnen entwickelt, die ein elektrodynamisches Aufhängungssystem ( EDS ) verwenden, das auf der Abstoßungskraft von Magneten basiert. Der Hauptunterschied zwischen japanischer und deutscher Magnetschwebebahn-Technologie besteht darin, dass die japanischen Züge unterkühlte, supraleitende Elektromagnete verwenden. Diese Art von Elektromagneten kann Elektrizität auch nach dem Abschalten der Stromversorgung leiten. In dem EMS-System, das Standard-Elektromagnete verwendet, leiten die Spulen nur dann Strom, wenn eine Stromversorgung vorhanden ist. Durch das Abkühlen der Spulen bei kalten Temperaturen spart Japans System Energie. Das zum Kühlen der Spulen verwendete Kryosystem kann jedoch teuer sein und die Bau- und Wartungskosten erheblich erhöhen.

Ein weiterer Unterschied zwischen den Systemen besteht darin, dass die japanischen Züge fast 10 Zentimeter über der Führungsbahn schweben . Ein möglicher Nachteil bei der Verwendung des EDS-Systems besteht darin, dass Magnetschwebebahnen auf Gummireifen rollen müssen, bis sie eine Startgeschwindigkeit von etwa 150 km / h erreichen. Japanische Ingenieure sagen, dass die Räder von Vorteil sind, wenn ein Stromausfall das System abschaltet. Außerdem müssten Passagiere mit Herzschrittmachern vor den Magnetfeldern geschützt werden, die von den supraleitenden Elektromagneten erzeugt werden.

Der Inductrack ist ein neuerer EDS-Typ, bei dem anstelle von angetriebenen Elektromagneten oder gekühlten supraleitenden Magneten Permanentmagnete zur Erzeugung der Magnetfelder verwendet werden. Inductrack verwendet eine Stromquelle, um den Zug nur so lange zu beschleunigen, bis er zu schweben beginnt. Wenn der Strom ausfällt, kann der Zug allmählich langsamer werden und auf seinen Hilfsrädern anhalten.

Die Spur ist tatsächlich eine Anordnung von elektrisch kurzgeschlossenen Stromkreisen, die isolierten Draht enthalten. In einem Design sind diese Schaltkreise wie Sprossen in einer Leiter ausgerichtet. Während sich der Zug bewegt, stößt ein Magnetfeld die Magnete ab, wodurch der Zug schwebt.

Derzeit gibt es drei Inductrack-Designs: Inductrack I, Inductrack II und Inductrack III. Inductrack I ist für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt, während Inductrack II für langsame Geschwindigkeiten geeignet ist. Inductrack III wurde speziell für sehr schwere Ladungen entwickelt, die mit langsamen Geschwindigkeiten bewegt werden. Inductrack-Züge könnten bei größerer Stabilität höher schweben. Solange sich ein Inductrack-Zug einige Meilen pro Stunde bewegt, schwebt er fast 2,54 Zentimeter über dem Gleis. Eine größere Lücke über dem Gleis bedeutet, dass der Zug keine komplexen Erfassungssysteme benötigt, um die Stabilität aufrechtzuerhalten.

Permanentmagnete wurden bisher nicht verwendet, da die Wissenschaftler der Ansicht waren, dass sie nicht genügend Schwebekraft erzeugen würden. Das Inductrack-Design umgeht dieses Problem, indem die Magnete in einem Halbach-Array angeordnet werden . Die Magnete sind so konfiguriert, dass sich die Intensität des Magnetfelds über dem Array und nicht darunter konzentriert. Sie bestehen aus einem neueren Material, das eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung umfasst, die ein höheres Magnetfeld erzeugt. Das Inductrack II-Design enthält zwei Halbach-Arrays, um bei niedrigeren Geschwindigkeiten ein stärkeres Magnetfeld zu erzeugen.

Insbesondere das Konzept der passiven Magnetschwebebahn ist ein Kernmerkmal der vorgeschlagenen Hyperloop- Transportsysteme, bei denen es sich im Wesentlichen um einen Zug im Inductrack-Stil handelt , der durch ein versiegeltes Rohr sprengt, das das gesamte Gleis umgibt. Es ist möglich, dass Hyperloops zum Ansatz der Wahl werden, auch weil sie dem Problem des Luftwiderstands so ausweichen, wie es die regulären Magnetschwebebahnen nicht können und daher in der Lage sein sollten, Überschallgeschwindigkeiten zu erreichen. Einige sagen, dass ein Hyperloop sogar weniger kosten könnte als eine herkömmliche Hochgeschwindigkeitsstrecke.

Während Magnetschwebebahnen bereits eine bewährte Technologie mit jahrelanger Betriebsgeschichte sind, hat noch niemand auf der Welt einen kommerziellen Hyperloop gebaut [Quelle: Davies ].

Während der Magnetschwebebahn-Transport vor mehr als einem Jahrhundert erstmals vorgeschlagen wurde, wurde der erste kommerzielle Magnetschwebebahn-Zug erst 1984 Realität, als ein Magnetschwebe-Shuttle mit niedriger Geschwindigkeit zwischen dem britischen Bahnhof Birmingham International und einem Flughafenterminal von Birmingham International in Betrieb genommen wurde Flughafen. Seitdem haben verschiedene Magnetschwebebahnprojekte begonnen, sind ins Stocken geraten oder wurden endgültig aufgegeben. Derzeit gibt es jedoch sechs kommerzielle Magnetschwebebahnen, die sich alle in Südkorea, Japan und China befinden.

Die Tatsache, dass Magnetschwebebahnsysteme schnell, reibungslos und effizient sind, ändert nichts an einer lähmenden Tatsache - diese Systeme sind unglaublich teuer in der Herstellung. US-amerikanische Städte von Los Angeles über Pittsburgh bis San Diego hatten Pläne für Magnetschwebebahnen in Arbeit, aber die Kosten für den Bau eines Magnetschwebebahn-Transportsystems ( etwa 50 bis 200 Millionen US-Dollar pro Meile ) waren unerschwinglich und haben letztendlich die meisten der vorgeschlagenen Projekte zum Erliegen gebracht. Einige Kritiker lambastieren Magnetschwebebahnprojekte, deren Kosten vielleicht fünfmal so hoch sind wie bei herkömmlichen Eisenbahnstrecken. Befürworter weisen jedoch darauf hin, dass die Kosten für den Betrieb dieser Züge in einigen Fällen bis zu 70 Prozent niedriger sind als bei der Zugtechnologie der alten Schule [Quellen: Hall , Hidekazu und Nobuo ].

Es hilft nicht, dass einige hochkarätige Projekte gescheitert sind. Die Verwaltung der Old Dominion University in Virginia hatte gehofft, dass im Herbstsemester 2002 ein Super-Shuttle Studenten über den Campus hin und her fahren würde, aber der Zug absolvierte einige Testfahrten und näherte sich nie wirklich den 64 km / h. Geschwindigkeiten, die es versprochen hat. Die Bahnhöfe wurden 2010 endgültig dekonstruiert, aber Teile des Hochbahnsystems bleiben erhalten, ein Beweis für einen Ausfall von 16 Millionen US-Dollar [Quelle: Kidd ].

Aber andere Projekte bleiben bestehen. Eine ehrgeizige Gruppe möchte eine 64 Kilometer lange Strecke von Washington DC nach Baltimore bauen, und die Idee hat viele Befürworter, aber das Projekt wird voraussichtlich bis zu 15 Milliarden US-Dollar kosten. Der exorbitante Preis des Konzepts mag fast überall auf der Welt lächerlich sein, aber der seelenzerstörende Stillstand und der begrenzte Platz in dieser Region bedeuten, dass Stadtplaner und Ingenieure eine innovative Lösung benötigen und ein superschnelles Magnetschwebebahnsystem die beste Option sein könnte. Ein wichtiges Verkaufsargument - eine Erweiterung dieses Projekts könnte eine Verbindung zwischen Washington und New York City herstellen und die Reisezeiten auf nur 60 Minuten verkürzen, ein schneller Pendelverkehr, der den Handel und das Reisen im Nordosten verändern könnte [Quellen: Lazo , Northeast Maglev ].

In Asien ist der Magnetschwebeboom jedoch im Wesentlichen bereits im Gange. Japan arbeitet fieberhaft an einer Strecke von Tokio nach Osaka , die bis 2037 eröffnet werden könnte. Wenn sie fertig ist, wird der Zug die fast dreistündige Fahrt auf nur 67 Minuten verkürzen [Quelle: Reuters ].

China erwägt ernsthaft Dutzende potenzieller Magnetschwebebahnen, alle in überlasteten Gebieten, die Massentransporte mit hoher Kapazität erfordern. Dies werden keine Hochgeschwindigkeitszüge sein. Stattdessen bewegen sie viele Menschen über kürzere Entfernungen bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Trotzdem stellt China alle seine eigenen Magnetschwebetechnologien her und steht kurz vor der Vorstellung einer kommerziellen Magnetschwebebahn der dritten Generation mit einer Höchstgeschwindigkeit von rund 201 km / h. Sie ist im Gegensatz zu früheren Versionen völlig fahrerlos und setzt stattdessen auf Computersensoren für Beschleunigen und Bremsen (Das Land hat bereits einige Magnetschwebebahnen in Betrieb, aber sie brauchen einen Fahrer.) [Quelle: Wong ].

Es ist unmöglich genau zu wissen, wie Magnetschwebebahnen in die Zukunft des menschlichen Transports einfließen werden. Fortschritte bei selbstfahrenden Autos und Flugreisen können den Einsatz von Magnetschwebebahnen erschweren. Wenn es der Hyperloop- Industrie gelingt, Schwung zu erzeugen, könnte dies alle Arten von Transportsystemen stören. Und einige Ingenieure vermuten, dass selbst fliegende Autos, obwohl sie unglaublich teuer sind, in Zukunft die Schienensysteme übertrumpfen könnten, weil sie keine massiven Infrastrukturprojekte benötigen, um in Gang zu kommen.

Vielleicht haben Nationen auf der ganzen Welt in nur ein oder zwei Jahrzehnten in Magnetschwebebahnen ein Urteil gefällt. Vielleicht werden sie zu einem Dreh- und Angelpunkt für Hochgeschwindigkeitsreisen oder einfach zu Haustierprojekten, die nur Fragmente bestimmter Bevölkerungsgruppen in einem überfüllten Stadtgebiet bedienen. Oder vielleicht werden sie einfach in die Geschichte eingehen, eine fast magische Form der Levitationstechnologie, die sich einfach nie wirklich durchgesetzt hat.

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