Come funzionano i treni Maglev

L'evoluzione del trasporto di massa ha cambiato radicalmente la civiltà umana. Negli anni '60 dell'Ottocento, una ferrovia transcontinentale trasformò lo slog di mesi attraverso l'America in un viaggio di una settimana. Solo pochi decenni dopo, le automobili passeggeri hanno permesso di rimbalzare attraverso la campagna molto più velocemente che a cavallo. E, naturalmente, durante l'era della prima guerra mondiale, i primi voli commerciali iniziarono di nuovo a trasformare i nostri viaggi, rendendo i viaggi da costa a costa una questione di ore. Ma i viaggi in treno negli Stati Uniti non sono molto più veloci oggi di quanto non fossero un secolo fa. Per gli ingegneri che cercano la prossima grande svolta, forse i treni galleggianti "magici" sono solo il biglietto.

Nel 21 ° secolo ci sono alcuni paesi che utilizzano potenti elettromagneti per sviluppare treni ad alta velocità, chiamati treni a levitazione magnetica . Questi treni galleggiano su guide utilizzando i principi di base dei magneti per sostituire le vecchie ruote in acciaio e binari. Non c'è attrito ferroviario di cui parlare, il che significa che questi treni possono raggiungere velocità di centinaia di miglia all'ora.

Tuttavia l'alta velocità è solo uno dei principali vantaggi dei treni a levitazione magnetica. Poiché i treni toccano raramente (se mai) i binari, ci sono molto meno rumore e vibrazioni rispetto ai tipici treni che scuotono la terra. Meno vibrazioni e attrito si traducono in meno guasti meccanici, il che significa che i treni a levitazione magnetica hanno meno probabilità di incontrare ritardi dovuti alle condizioni meteorologiche.

I primi brevetti per le tecnologie di levitazione magnetica (maglev) furono depositati dall'ingegnere americano di origine francese Emile Bachelet all'inizio degli anni '10. Anche prima di allora, nel 1904, il professore e inventore americano Robert Goddard aveva scritto un documento che delineava l'idea della levitazione maglev [fonte: Witschge ]. Non passò molto tempo prima che gli ingegneri iniziassero a progettare sistemi ferroviari basati su questa visione futuristica. Presto, credevano, i passeggeri sarebbero saliti a bordo di auto a propulsione magnetica e avrebbero sfrecciato da un luogo all'altro ad alta velocità, e senza molti dei problemi di manutenzione e sicurezza delle ferrovie tradizionali.

La grande differenza tra un treno a levitazione magnetica e un treno convenzionale è che i treni a levitazione magnetica non hanno un motore , almeno non il tipo di motore utilizzato per tirare le tipiche carrozze ferroviarie lungo i binari d'acciaio. Il motore per i treni a levitazione magnetica è piuttosto poco appariscente. Invece di utilizzare combustibili fossili , il campo magnetico creato dalle bobine elettrificate nelle pareti della guida e il binario si combinano per spingere il treno.

Se hai mai giocato con i magneti, sai che i poli opposti si attraggono e i poli simili si respingono a vicenda. Questo è il principio di base alla base della propulsione elettromagnetica . Gli elettromagneti sono simili ad altri magneti in quanto attraggono oggetti metallici, ma l'attrazione magnetica è temporanea. Si può facilmente creare un piccolo elettromagnete te collegando le estremità di un filo di rame alle estremità positive e negative di AA, C o D-celle di batteria . Questo crea un piccolo campo magnetico. Se si scollega una delle estremità del cavo dalla batteria, il campo magnetico viene rimosso.

Il campo magnetico creato in questo esperimento di filo e batteria è la semplice idea alla base di un sistema ferroviario a levitazione magnetica. Ci sono tre componenti in questo sistema:

Vedremo la traccia dopo.

1. Il Maglev Track
2. Sospensione elettrodinamica (EDS)
3. Tecnologia Maglev in uso

La bobina magnetizzata che corre lungo il binario, chiamata guida , respinge i grandi magneti sul carrello del treno, consentendo al treno di levitare tra 0,39 e 3,93 pollici (da 1 a 10 centimetri) sopra la guida [fonte: Boslaugh ]. Una volta che il treno viene fatto levitare, l'alimentazione viene fornita alle bobine all'interno delle pareti della guida per creare un sistema unico di campi magnetici che tirano e spingono il treno lungo la guida. La corrente elettrica fornita alle bobine nelle pareti della guida è costantemente alternata per cambiare la polarità delle bobine magnetizzate. Questo cambiamento di polarità fa sì che il campo magnetico davanti al treno spinga il veicolo in avanti, mentre il campo magnetico dietro il treno aggiunge più spinta in avanti.

I treni Maglev galleggiano su un cuscino d'aria, eliminando l'attrito. Questa mancanza di attrito e disegni aerodinamiche dei treni è permettere a questi treni di raggiungere velocità senza precedenti di trasporto a terra di oltre 310 mph (500 km orari), o due volte più veloce più veloce del treno della Amtrak pendolari [fonte: Boslaugh ]. In confronto, un Boeing-777 commerciale aereo utilizzato per i voli a lungo raggio in grado di raggiungere una velocità massima di circa 562 mph (905 kmh). Gli sviluppatori affermano che i treni a levitazione magnetica alla fine collegheranno città distanti fino a 1.000 miglia (1.609 chilometri). A 310 mph, potresti viaggiare da Parigi a Roma in poco più di due ore.

Alcuni treni a levitazione magnetica sono in grado di raggiungere velocità ancora maggiori. Nell'ottobre 2016, un treno proiettile a levitazione magnetica della Japan Railway è esploso fino a 601 km / h durante un breve periodo. Questo tipo di velocità dà agli ingegneri la speranza che la tecnologia si rivelerà utile per percorsi lunghi centinaia di miglia.

La Germania e il Giappone hanno sviluppato la tecnologia dei treni a levitazione magnetica e hanno testato i prototipi dei loro treni. Sebbene basati su concetti simili, i treni tedeschi e giapponesi presentano differenze nette. In Germania, gli ingegneri hanno sviluppato un sistema di sospensioni elettromagnetiche ( EMS ), chiamato Transrapid. In questo sistema, il fondo del treno si avvolge attorno a un acciaiobinario di guida. Gli elettromagneti attaccati al carrello del treno sono diretti verso la guida, che fa levitare il treno di circa 1/3 di pollice (1 centimetro) sopra la guida e mantiene il treno levitato anche quando non è in movimento. Altri magneti guida incorporati nel corpo del treno lo mantengono stabile durante il viaggio. La Germania ha dimostrato che il treno Transrapid a levitazione magnetica può raggiungere i 300 mph con persone a bordo. Tuttavia, dopo un incidente nel 2006 (vedi barra laterale) e un enorme superamento dei costi su un percorso proposto dalla stazione centrale di Monaco all'aeroporto, i piani per costruire un treno a levitazione magnetica in Germania sono stati demoliti nel 2008 [fonte: DW ]. Da allora, l'Asia è diventata il fulcro dell'attività del maglev.

Maglev Accidents

L'11 agosto 2006, uno scompartimento di un treno a levitazione magnetica sulla linea Transrapid dell'aeroporto di Shanghai ha preso fuoco. Non ci sono stati feriti e gli investigatori ritengono che l'incendio sia stato causato da un problema elettrico. Il 22 settembre 2006, un treno di prova Transrapid a Emsland, in Germania, durante un giro di prova si è schiantato contro un'auto di riparazione che era stata accidentalmente lasciata sul binario. Il treno stava andando almeno 120 mph (193 km / h) in quel momento. Circa 23 passeggeri sono rimasti uccisi e 11 feriti. Un tribunale ha stabilito che l'errore umano fosse la causa dell'incidente, che sarebbe stato evitato se i dipendenti avessero seguito le normative e le procedure stabilite. Non sono stati segnalati ulteriori incidenti a levitazione magnetica dal 2006. Tuttavia, i treni di prova in Germania sono stati interrotti mentre il treno a levitazione magnetica di Shanghai è ancora in funzione.

Gli ingegneri giapponesi hanno sviluppato una versione concorrente di treni maglev che utilizzano un sistema di sospensione elettrodinamica ( EDS ), che si basa sulla forza repulsiva dei magneti. La differenza fondamentale tra la tecnologia dei treni maglev giapponese e tedesca è che i treni giapponesi utilizzano elettromagneti super-raffreddati e superconduttori. Questo tipo di elettromagnete può condurre elettricità anche dopo che l'alimentazione è stata interrotta. Nel sistema EMS, che utilizza elettromagneti standard, le bobine conducono elettricità solo quando è presente un'alimentazione. Raffreddando le bobine a temperature gelide, il sistema giapponese risparmia energia. Tuttavia, il sistema criogenico utilizzato per raffreddare le bobine può essere costoso e aumentare notevolmente i costi di costruzione e manutenzione.

Un'altra differenza tra i sistemi è che i treni giapponesi levitano quasi 4 pollici (10 centimetri) sopra la guida. Un potenziale svantaggio nell'utilizzo del sistema EDS è che i treni a levitazione magnetica devono rotolare su pneumatici in gomma fino a raggiungere una velocità di decollo di circa 150 km / h. Gli ingegneri giapponesi affermano che le ruote sono un vantaggio se un'interruzione di corrente ha causato l'arresto del sistema. Inoltre, i passeggeri con pacemaker dovrebbero essere schermati dai campi magnetici generati dagli elettromagneti superconduttori.

L' Inductrack è un nuovo tipo di EDS che utilizza magneti permanenti a temperatura ambiente per produrre i campi magnetici invece di elettromagneti alimentati o magneti superconduttori raffreddati. Inductrack utilizza una fonte di energia per accelerare il treno solo finché non inizia a levitare. In caso di interruzione di corrente, il treno può rallentare gradualmente e fermarsi sulle ruote ausiliarie.

Il binario è in realtà un array di circuiti in cortocircuito elettrico contenenti fili isolati. In un progetto, questi circuiti sono allineati come pioli in una scala. Mentre il treno si muove, un campo magnetico respinge i magneti, facendo levitare il treno.

Attualmente sono disponibili tre design Inductrack: Inductrack I, Inductrack II e Inductrack III. Inductrack I è progettato per alte velocità, mentre Inductrack II è adatto per basse velocità. Inductrack III è progettato specificamente per carichi di carichi molto pesanti spostati a bassa velocità. I treni Inductrack potrebbero levitare più in alto con maggiore stabilità. Finché si muove a poche miglia all'ora, un treno Inductrack leviterà quasi 2,54 centimetri sopra il binario. Uno spazio maggiore sopra il binario significa che il treno non richiederebbe sistemi di rilevamento complessi per mantenere la stabilità.

I magneti permanenti non erano stati usati prima perché gli scienziati pensavano che non avrebbero creato una forza di levitazione sufficiente. Il design Inductrack aggira questo problema disponendo i magneti in una matrice Halbach . I magneti sono configurati in modo che l'intensità del campo magnetico si concentri sopra la matrice anziché sotto di essa. Sono realizzati con un materiale più recente che comprende una lega di neodimio-ferro-boro, che genera un campo magnetico più elevato. Il design Inductrack II incorpora due array Halbach per generare un campo magnetico più forte a velocità inferiori.

In particolare, il concetto di levitazione magnetica passiva è una caratteristica fondamentale dei sistemi di trasporto hyperloop proposti , che è essenzialmente un treno in stile Inductrack che attraversa un tubo sigillato che racchiude l'intero binario. È possibile che gli hyperloops possano diventare l'approccio preferito, in parte perché schivano il problema della resistenza dell'aria nel modo in cui i normali maglev non possono e quindi dovrebbero essere in grado di raggiungere velocità supersoniche. Alcuni dicono che un hyperloop potrebbe costare anche meno di una tradizionale linea ferroviaria ad alta velocità.

Ma mentre i treni a levitazione magnetica sono già una tecnologia collaudata con anni di storia operativa, nessuno ha ancora costruito un hyperloop commerciale in nessuna parte del mondo [fonte: Davies ].

Mentre il trasporto a levitazione magnetica è stato proposto per la prima volta più di un secolo fa, il primo treno a levitazione magnetica commerciale non è diventato una realtà fino al 1984, quando una navetta a levitazione magnetica a bassa velocità è diventata operativa tra la stazione ferroviaria internazionale di Birmingham del Regno Unito e un terminal dell'aeroporto di Birmingham International Aeroporto. Da allora, vari progetti maglev sono stati avviati, bloccati o completamente abbandonati. Tuttavia, attualmente ci sono sei linee commerciali a levitazione magnetica e si trovano tutte in Corea del Sud, Giappone e Cina.

Il fatto che i sistemi maglev siano veloci, fluidi ed efficienti non cambia un fatto paralizzante: questi sistemi sono incredibilmente costosi da costruire. Le città degli Stati Uniti da Los Angeles a Pittsburgh a San Diego avevano piani di linee maglev in cantiere, ma la spesa per la costruzione di un sistema di trasporto a levitazione magnetica (da circa $ 50 milioni a $ 200 milioni per miglio ) è stata proibitiva e alla fine ha ucciso la maggior parte dei progetti proposti. Alcuni critici criticano i progetti maglev in quanto costa forse cinque volte di più delle linee ferroviarie tradizionali. Ma i sostenitori sottolineano che il costo di esercizio di questi treni è, in alcuni casi, fino al 70% inferiore rispetto alla tecnologia dei treni della vecchia scuola [fonti: Hall , Hidekazu e Nobuo ].

Non aiuta che alcuni progetti di alto profilo siano falliti. L'amministrazione della Old Dominion University in Virginia sperava di avere un super shuttle che faceva andare avanti e indietro gli studenti attraverso il campus a partire dal semestre autunnale del 2002, ma il treno ha fatto alcuni giri di prova e non si è mai avvicinato veramente ai 40 mph (64 km / h) accelera che prometteva. Le stazioni ferroviarie sono state finalmente decostruite nel 2010, ma alcune parti del sistema di binari sopraelevati sono ancora in piedi, a testimonianza di un fallimento di 16 milioni di dollari [fonte: Kidd ].

Ma altri progetti persistono. Un gruppo ambizioso vuole costruire un tratto di 40 miglia (64 chilometri) da Washington DC a Baltimora, e l'idea ha molti sostenitori, ma il progetto dovrebbe costare fino a $ 15 miliardi. Il prezzo esorbitante del concept potrebbe essere ridicolo praticamente in qualsiasi altra parte del mondo, ma lo stallo e lo spazio limitato di questa regione significa che gli urbanisti e gli ingegneri hanno bisogno di una soluzione innovativa e un sistema maglev super veloce potrebbe essere l'opzione migliore. Un punto chiave di vendita: un'espansione di questo progetto potrebbe collegare Washington a New York City e ridurre i tempi di viaggio a soli 60 minuti, un pendolarismo veloce che potrebbe trasformare il commercio e i viaggi nel nord-est [fonti: Lazo , Northeast Maglev ].

In Asia, tuttavia, il boom del maglev è essenzialmente già in corso. Il Giappone sta lavorando febbrilmente su una rotta da Tokyo a Osaka che potrebbe aprire entro il 2037. Quando sarà completo, il treno ridurrà il viaggio di quasi tre ore a soli 67 minuti [fonte: Reuters ].

La Cina sta prendendo seriamente in considerazione dozzine di potenziali rotte a levitazione magnetica, tutte in aree congestionate che richiedono un trasporto di massa ad alta capacità. Questi non saranno treni ad alta velocità. Invece, sposteranno molte persone su distanze più brevi a velocità inferiori. Tuttavia, la Cina produce tutte le proprie tecnologie maglev e sta per svelare una linea maglev commerciale di terza generazione con una velocità massima di circa 125 mph (201 km / h) e - a differenza delle versioni precedenti - è completamente senza driver, basandosi invece sui sensori del computer per accelerazione e frenata (Il paese ha già alcuni treni a levitazione magnetica in funzione ma hanno bisogno di un conducente.) [fonte: Wong ].

È impossibile sapere esattamente come i maglev figureranno nel futuro del trasporto umano. I progressi nelle auto a guida autonoma e nei viaggi aerei possono complicare lo spiegamento delle linee a levitazione magnetica. Se l' industria dell'hyperloop riesce a generare slancio, potrebbe interrompere tutti i tipi di sistemi di trasporto. E alcuni ingegneri sospettano che anche le auto volanti, sebbene incredibilmente costose, potrebbero avere la meglio sui sistemi ferroviari in futuro perché non hanno bisogno di enormi progetti infrastrutturali per decollare.

Forse in appena un decennio o due, le nazioni di tutto il mondo arriveranno a un verdetto sui treni a levitazione magnetica. Forse diventeranno un fulcro dei viaggi ad alta velocità, o semplicemente progetti per animali domestici che servono solo frammenti di determinate popolazioni in aree urbane affollate. O forse semplicemente svaniranno nella storia, una forma quasi magica di tecnologia di levitazione che non è mai davvero decollata.

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