Jak działają pociągi Maglev

Ewolucja transportu masowego zasadniczo zmieniła ludzką cywilizację. XIX wieku transkontynentalna kolej zamieniła wielomiesięczną wędrówkę przez Amerykę w tygodniową podróż. Zaledwie kilkadziesiąt lat później samochody osobowe umożliwiły podskakiwanie po okolicy znacznie szybciej niż na koniu. Oczywiście podczas I wojny światowej pierwsze loty komercyjne zaczęły na nowo zmieniać nasze podróże, sprawiając, że podróże od wybrzeża do wybrzeża były kwestią godzin. Ale podróże kolejowe w USA nie są dziś dużo szybsze niż sto lat temu. Dla inżynierów szukających kolejnego wielkiego przełomu, być może „magiczne” pływające pociągi są tylko biletem.

W XXI wieku jest kilka krajów wykorzystujących potężne elektromagnesy do tworzenia pociągów dużych prędkości, zwanych pociągami maglev . Te pociągi pływają po prowadnicach, wykorzystując podstawowe zasady magnesów, które zastępują stare stalowe koła i tory. Nie ma tarcia kolejowego, o którym można by mówić, co oznacza, że ​​pociągi te mogą osiągać prędkość setek mil na godzinę.

Jednak duża prędkość to tylko jedna z głównych zalet pociągów maglev. Ponieważ pociągi rzadko (jeśli w ogóle) dotykają torów, jest znacznie mniej hałasu i wibracji niż typowe pociągi, które trzęsą się ziemią. Mniejsze wibracje i tarcie skutkują mniejszą liczbą awarii mechanicznych, co oznacza, że ​​pociągi Maglev są mniej narażone na opóźnienia związane z pogodą.

Pierwsze patenty na technologie lewitacji magnetycznej (maglev) zostały złożone przez urodzonego we Francji amerykańskiego inżyniera Emile'a Bacheleta na początku 1910 roku. Jeszcze wcześniej, w 1904 roku, amerykański profesor i wynalazca Robert Goddard napisał artykuł przedstawiający ideę lewitacji maglev [źródło: Witschge ]. Wkrótce inżynierowie zaczęli planować systemy pociągów w oparciu o tę futurystyczną wizję. Wierzyli, że wkrótce pasażerowie będą wsiadać do samochodów z napędem magnetycznym i przeskakiwać z miejsca na miejsce z dużą prędkością i bez wielu problemów związanych z konserwacją i bezpieczeństwem tradycyjnych kolei.

Duża różnica między pociągiem maglev a pociągiem konwencjonalnym polega na tym, że pociągi maglev nie mają silnika - a przynajmniej nie takiego rodzaju, jaki jest używany do ciągnięcia typowych wagonów po stalowych torach. Silnik pociągów maglev jest raczej niepozorny. Zamiast używać paliw kopalnych , pole magnetyczne wytwarzane przez zelektryfikowane cewki w ścianach prowadnicy i torze łącznie napędzają pociąg.

Jeśli kiedykolwiek bawiłeś się magnesami, wiesz, że przeciwległe bieguny przyciągają się i jak bieguny odpychają się. To jest podstawowa zasada napędu elektromagnetycznego . Elektromagnesy są podobne do innych magnesów, ponieważ przyciągają metalowe przedmioty, ale przyciąganie magnetyczne jest tymczasowe. Możesz łatwo stworzyć mały elektromagnes samodzielnie łącząc końce drutu miedzianego do pozytywnych i negatywnych końcach AA, C lub D-ogniwowym akumulatorem . Tworzy to małe pole magnetyczne. Jeśli odłączysz którykolwiek koniec przewodu od akumulatora, pole magnetyczne zostanie usunięte.

Pole magnetyczne wytworzone w tym eksperymencie z przewodem i baterią jest prostym pomysłem stojącym za systemem kolei maglev. Ten system składa się z trzech elementów:

Następnie przyjrzymy się utworowi.

1. Tor Maglev
2. Zawieszenie elektrodynamiczne (EDS)
3. Technologia Maglev w użyciu

Namagnesowana cewka biegnąca wzdłuż toru, zwana prowadnicą , odpycha duże magnesy na podwoziu pociągu, pozwalając pociągowi lewitować między 0,39 a 3,93 cala (1 do 10 centymetrów) nad prowadnicą [źródło: Boslaugh ]. Gdy pociąg jest lewitowany, zasilanie jest dostarczane do cewek w ścianach prowadnicy, aby stworzyć unikalny system pól magnetycznych, które ciągną i pchają pociąg wzdłuż prowadnicy. Prąd elektryczny dostarczany do cewek w ścianach prowadnicy stale się zmienia, zmieniając polaryzację namagnesowanych cewek. Ta zmiana polaryzacji powoduje, że pole magnetyczne przed pociągiem ciągnie pojazd do przodu, podczas gdy pole magnetyczne za pociągiem zwiększa siłę ciągu do przodu.

Pociągi Maglev unoszą się na poduszce powietrznej, eliminując tarcie. Ten brak tarcia i aerodynamiczna konstrukcja pociągów pozwalają tym pociągom osiągać niespotykane dotąd prędkości transportu naziemnego przekraczające 310 mil na godzinę (500 km / h), czyli dwa razy szybciej niż najszybszy pociąg podmiejski Amtraka [źródło: Boslaugh ]. Dla porównania komercyjny samolot Boeing-777 używany do lotów dalekiego zasięgu może osiągnąć prędkość maksymalną około 562 mil na godzinę (905 km / h). Deweloperzy twierdzą, że pociągi maglev ostatecznie połączą miasta oddalone od siebie do 1000 mil (1609 kilometrów). Przy prędkości 310 mil na godzinę można było podróżować z Paryża do Rzymu w nieco ponad dwie godziny.

Niektóre pociągi maglev mogą osiągać jeszcze większe prędkości. W październiku 2016 r. Pociąg maglev Japan Railway rozpalił się do 374 mil na godzinę (601 km / h) podczas krótkiego biegu. Takie prędkości dają inżynierom nadzieję, że technologia okaże się przydatna na trasach o długości setek mil.

Niemcy i Japonia opracowały technologię pociągów maglev i przetestowały prototypy swoich pociągów. Chociaż pociągi niemieckie i japońskie opierają się na podobnych koncepcjach, różnią się znacznie. W Niemczech inżynierowie opracowali system zawieszenia elektromagnetycznego ( EMS ) o nazwie Transrapid. W tym systemie spód pociągu owija się wokół staliprzewodnik. Elektromagnesy przymocowane do podwozia pociągu są skierowane w górę w kierunku prowadnicy, która lewituje pociąg około 1/3 cala (1 centymetr) nad prowadnicą i utrzymuje pociąg w lewitacji, nawet gdy się nie porusza. Inne magnesy naprowadzające wbudowane w korpus pociągu zapewniają stabilność podczas jazdy. Niemcy wykazały, że pociąg Transrapid może osiągnąć prędkość 300 mil na godzinę z ludźmi na pokładzie. Jednak po wypadku w 2006 r. (Patrz pasek z boku) i ogromnych przekroczeniach kosztów na proponowanej trasie z dworca głównego w Monachium do lotniska, plany budowy pociągu maglev w Niemczech zostały złomowane w 2008 r. [Źródło: DW ]. Od tego czasu Azja stała się ośrodkiem aktywności maglev.

Wypadki Maglev

11 sierpnia 2006 r. W przedziale pociągu maglev na linii lotniska Transrapid w Szanghaju zapalił się. Nie było żadnych obrażeń, a śledczy uważają, że pożar był spowodowany problemem elektrycznym. 22 września 2006 r. Pociąg testowy Transrapid w Emsland w Niemczech podczas jazdy próbnej zderzył się z samochodem naprawczym, który został przypadkowo pozostawiony na torze. W tym czasie pociąg jechał z prędkością co najmniej 120 mil na godzinę (193 km / h). Około 23 pasażerów zginęło, a 11 zostało rannych. Sąd orzekł, że przyczyną incydentu był błąd ludzki, którego można by uniknąć, gdyby pracownicy przestrzegali ustalonych przepisów i procedur. Od 2006 r. Nie odnotowano żadnych dalszych wypadków z Maglevem. Jednak pociągi testowe w Niemczech zostały ostatecznie przerwane, podczas gdy pociąg w Szanghaju nadal kursuje.

Japońscy inżynierowie opracowali konkurencyjną wersję pociągów maglev, które wykorzystują system zawieszenia elektrodynamicznego ( EDS ), który opiera się na sile odpychania magnesów. Kluczowa różnica między japońską a niemiecką technologią pociągów maglev polega na tym, że japońskie pociągi wykorzystują super chłodzone, nadprzewodzące elektromagnesy. Ten rodzaj elektromagnesu może przewodzić prąd nawet po odłączeniu zasilania. W systemie EMS, który wykorzystuje standardowe elektromagnesy, cewki przewodzą prąd tylko wtedy, gdy obecne jest zasilanie. Dzięki chłodzeniu cewek w niskich temperaturach japoński system oszczędza energię. Jednak system kriogeniczny używany do chłodzenia cewek może być drogi i znacznie zwiększać koszty budowy i konserwacji.

Inną różnicą między systemami jest to, że japońskie pociągi lewitują prawie 10 centymetrów nad prowadnicą. Potencjalną wadą korzystania z systemu EDS jest to, że pociągi maglev muszą toczyć się na gumowych oponach, aż osiągną prędkość startową około 150 km / h. Japońscy inżynierowie twierdzą, że koła są zaletą, jeśli awaria zasilania spowodowała wyłączenie systemu. Ponadto pasażerowie z rozrusznikami serca musieliby być chronieni przed polami magnetycznymi wytwarzanymi przez nadprzewodzące elektromagnesy.

Inductrack nowsza typu EDS, który wykorzystuje magnesy trwałe pokojowej temperatury, aby wytworzyć pole magnetyczne zamiast przenośników elektromagnesy lub magnesy chłodzone nadprzewodzących. Inductrack wykorzystuje źródło mocy do przyspieszania pociągu tylko do momentu, gdy zacznie lewitować. W przypadku awarii zasilania pociąg może stopniowo zwolnić i zatrzymać się na kołach pomocniczych.

Ścieżka jest w rzeczywistości szeregiem obwodów zwartych elektrycznie, zawierających izolowany przewód. W jednym projekcie obwody te są ustawione jak szczeble w drabinie. Gdy pociąg się porusza, pole magnetyczne odpycha magnesy, powodując lewitację pociągu.

Obecnie istnieją trzy konstrukcje Inductrack: Inductrack I, Inductrack II i Inductrack III. Inductrack I jest przeznaczony do dużych prędkości, a Inductrack II do małych prędkości. Inductrack III jest specjalnie zaprojektowany do bardzo ciężkich ładunków przemieszczanych z małą prędkością. Pociągi Inductrack mogłyby lewitować wyżej z większą stabilnością. Dopóki porusza się z prędkością kilku mil na godzinę, pociąg Inductrack będzie lewitował prawie cal (2,54 cm) nad torem. Większa przerwa nad torem oznacza, że ​​pociąg nie wymagałby skomplikowanych systemów wykrywania, aby utrzymać stabilność.

Magnesy trwałe nie były wcześniej używane, ponieważ naukowcy sądzili, że nie wytworzą wystarczającej siły lewitującej. Konstrukcja Inductrack omija ten problem, umieszczając magnesy w szyku Halbacha . Magnesy są skonfigurowane w taki sposób, że natężenie pola magnetycznego koncentruje się nad układem zamiast poniżej niego. Wykonane są z nowszego materiału zawierającego stop neodymowo-żelazowo-borowy, który generuje wyższe pole magnetyczne. Konstrukcja Inductrack II obejmuje dwie matryce Halbacha, aby generować silniejsze pole magnetyczne przy niższych prędkościach.

Warto zauważyć, że koncepcja lewitacja magnetyczna pasywny to stanowi istotę proponowanych Hyperloop systemów transportowych, która jest zasadniczo Inductrack stylu pociąg że blastów przez zamkniętej rurze która otacza całą ścieżkę. Jest możliwe, że hyperloopsy mogą stać się preferowanym podejściem, po części dlatego, że omijają problem oporu powietrza w sposób, w jaki zwykłe maglevy nie mogą, a zatem powinny być w stanie osiągnąć prędkości naddźwiękowe. Niektórzy twierdzą, że hyperloop może kosztować nawet mniej niż tradycyjna linia kolei dużych prędkości.

Ale podczas gdy pociągi maglev są już sprawdzoną technologią z wieloletnią historią operacyjną, nikt na świecie nie zbudował jeszcze komercyjnego hyperloopa [źródło: Davies ].

Podczas gdy transport maglev został po raz pierwszy zaproponowany ponad sto lat temu, pierwszy komercyjny pociąg maglev stał się rzeczywistością dopiero w 1984 r., Kiedy to zaczął działać wahadłowiec o małej prędkości między stacją kolejową Birmingham International w Wielkiej Brytanii a terminalem lotniska Birmingham International. Lotnisko. Od tego czasu różne projekty maglev zostały uruchomione, utknęły w martwym punkcie lub zostały porzucone. Jednak obecnie istnieje sześć komercyjnych linii maglevów i wszystkie są zlokalizowane w Korei Południowej, Japonii i Chinach.

Fakt, że systemy maglev są szybkie, płynne i wydajne, nie zmienia jednego paraliżującego faktu - systemy te są niesamowicie drogie w budowie. Amerykańskie miasta od Los Angeles do Pittsburgha i San Diego miały w przygotowaniu plany linii maglev, ale koszt budowy systemu transportowego maglev ( około 50 do 200 milionów dolarów na milę ) był zaporowy i ostatecznie zabił większość proponowanych projektów. Niektórzy krytycy krytykują projekty maglev, które kosztują być może pięć razy więcej niż tradycyjne linie kolejowe. Ale zwolennicy zwracają uwagę, że koszt eksploatacji tych pociągów jest w niektórych przypadkach nawet o 70 procent niższy niż w przypadku technologii pociągów starej szkoły [źródła: Hall , Hidekazu i Nobuo ].

Nie pomaga to, że niektóre głośne projekty upadły. Administracja na Old Dominion University w Wirginii miała nadzieję, że od jesiennego semestru 2002 roku super wahadłowiec przewozi studentów tam iz powrotem po kampusie, ale pociąg wykonał kilka jazd próbnych i nigdy tak naprawdę nie osiągnął prędkości 40 mil na godzinę (64 km / h). prędkości, które obiecał. Stacje kolejowe zostały ostatecznie zdekonstruowane w 2010 roku, ale części podwyższonego systemu torów nadal istnieją, co świadczy o awarii za 16 milionów dolarów [źródło: Kidd ].

Ale inne projekty trwają. Jedna ambitna grupa chce zbudować 40-milowy (64-kilometrowy) odcinek z Waszyngtonu do Baltimore, a pomysł ma wielu zwolenników, ale oczekuje się, że projekt będzie kosztował nawet 15 miliardów dolarów. Wygórowana cena tego pomysłu może być śmieszna w każdym innym miejscu na świecie, ale kruszący duszę korek i ograniczona przestrzeń w tym regionie oznaczają, że planiści i inżynierowie miejscy potrzebują innowacyjnego rozwiązania, a superszybki system maglev może być najlepszą opcją. Kluczowy punkt sprzedaży - rozszerzenie tego projektu może łączyć się z Waszyngtonem do Nowego Jorku i skrócić czas podróży do zaledwie 60 minut, co stanowi szybki dojazd do pracy, który może zmienić handel i podróżowanie na północnym wschodzie [źródła: Lazo , północno-wschodni Maglev ].

Jednak w Azji boom na maglev zasadniczo już się rozpoczął. Japonia gorączkowo pracuje nad trasą z Tokio do Osaki, która może zostać otwarta do 2037 r. Po jej ukończeniu pociąg skróci prawie trzygodzinną podróż do zaledwie 67 minut [źródło: Reuters ].

Chiny poważnie rozważają dziesiątki potencjalnych tras maglevów, wszystkie na zatłoczonych obszarach, które wymagają masowego transportu o dużej przepustowości. To nie będą pociągi dużych prędkości. Zamiast tego będą przemieszczać wielu ludzi na krótsze odległości przy niższych prędkościach. Niemniej jednak Chiny produkują wszystkie własne technologie maglev i mają zamiar zaprezentować komercyjną linię maglev trzeciej generacji o maksymalnej prędkości około 125 mil na godzinę (201 km / h) i - w przeciwieństwie do poprzednich wersji - całkowicie pozbawioną sterowników, polegająca zamiast tego na czujnikach komputerowych. przyspieszanie i hamowanie (w kraju są już w eksploatacji kilka pociągów maglev, ale potrzebują maszynisty) [źródło: Wong ].

Nie można dokładnie wiedzieć, jak maglevy wpłyną na przyszłość transportu ludzi. Postępy w dziedzinie autonomicznych samochodów i podróży lotniczych mogą skomplikować rozmieszczenie linii maglev. Jeśli przemysł hyperloop zdoła wygenerować rozpęd, może to zakłócić wszelkiego rodzaju systemy transportowe. Niektórzy inżynierowie podejrzewają, że nawet latające samochody, choć niewiarygodnie drogie, mogą w przyszłości przebić systemy kolejowe, ponieważ nie potrzebują ogromnych projektów infrastrukturalnych, aby ruszyć z ziemi.

Być może za dekadę lub dwie narody na całym świecie zapadną w werdykcie w sprawie pociągów maglev. Może staną się filarem szybkich podróży lub po prostu projektami dla zwierząt, które obsługują tylko fragmenty niektórych populacji w zatłoczonych obszarach miejskich. A może po prostu znikną w historii, prawie magiczna forma technologii lewitacji, która tak naprawdę nigdy się nie odniosła.

Powiązane artykuły

Więcej świetnych linków