Czy pociągi maglev są transportem przyszłości? Jak działa pociąg maglev?

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Już ponad dwieście lat minęło od chwili, gdy ludzkość wynalazła pierwsze lokomotywy parowe. Jednak naziemny transport kolejowy przewożący pasażerów i ciężkie ładunki, wykorzystujący energię elektryczną i olej napędowy, jest nadal bardzo powszechny.

Warto powiedzieć, że przez te wszystkie lata inżynierowie i wynalazcy aktywnie pracowali nad stworzeniem alternatywnych sposobów poruszania się. Efektem ich pracy były pociągi na poduszkach magnetycznych.

Historia wyglądu

Sama idea tworzenia pociągów na poduszkach magnetycznych była aktywnie rozwijana na początku XX wieku. Jednak realizacja tego projektu w tamtym czasie nie była możliwa z wielu powodów. Produkcja takiego pociągu rozpoczęła się dopiero w 1969 roku. Wtedy to na terenie Republiki Federalnej Niemiec położono tor magnetyczny, po którym miał przejeżdżać nowy pojazd, który później nazwano pociągiem maglev. Został uruchomiony w 1971 roku. Pierwszy pociąg maglev, nazwany Transrapid-02, przejechał po torze magnetycznym.

Ciekawostką jest to, że niemieccy inżynierowie stworzyli alternatywny pojazd na podstawie zapisów pozostawionych przez naukowca Hermanna Kempera, który w 1934 roku otrzymał patent potwierdzający wynalezienie płaszczyzny magnetycznej.

"Transrapid-02" trudno nazwać bardzo szybko. Mógł poruszać się z maksymalną prędkością 90 kilometrów na godzinę. Jego pojemność również była niska - tylko cztery osoby.

W 1979 roku powstał bardziej zaawansowany model maglev. Pociąg ten, nazwany „Transrapid-05”, mógł już przewozić sześćdziesięciu ośmiu pasażerów. Poruszał się wzdłuż linii znajdującej się w mieście Hamburg, której długość wynosiła 908 metrów. Maksymalna prędkość, jaką rozwinął ten pociąg, wynosiła siedemdziesiąt pięć kilometrów na godzinę.

W tym samym 1979 roku w Japonii wypuszczono kolejny model maglev. Nazywano ją „ML-500”. Japoński pociąg na poduszce magnetycznej rozwijał prędkość do pięciuset siedemnastu kilometrów na godzinę.

Konkurencyjność

Prędkość, jaką mogą rozwinąć się pociągi z poduszkami magnetycznymi, można porównać do prędkości samolotów. Pod tym względem ten rodzaj transportu może stać się poważnym konkurentem dla tych tras lotniczych, które działają w odległości do tysiąca kilometrów. Szerokie zastosowanie maglevów utrudnia fakt, że nie mogą one poruszać się po tradycyjnych nawierzchniach kolejowych. Pociągi na poduszkach magnetycznych muszą budować specjalne autostrady. A to wymaga dużej inwestycji kapitału. Uważa się również, że pole magnetyczne wytworzone dla maglevów może mieć negatywny wpływludzkiego ciała, co niekorzystnie wpłynie na zdrowie kierowcy i mieszkańców regionów położonych w pobliżu takiej trasy.

Zasada działania

Pociągi z poduszkami magnetycznymi to szczególny rodzaj transportu. Podczas ruchu maglev wydaje się unosić nad torami kolejowymi, nie dotykając go. Wynika to z faktu, że pojazd sterowany jest siłą sztucznie wytworzonego pola magnetycznego. Podczas ruchu magleva nie ma tarcia. Siła hamowania to opór aerodynamiczny.

Jak to działa? Każdy z nas zna podstawowe właściwości magnesów z lekcji fizyki w szóstej klasie. Jeśli dwa magnesy zostaną połączone z ich biegunami północnymi, będą się odpychać. Powstaje tak zwana poduszka magnetyczna. Podczas łączenia różnych biegunów magnesy będą się do siebie przyciągać. Ta dość prosta zasada leży u podstaw ruchu pociągu maglev, który dosłownie szybuje w powietrzu w niewielkiej odległości od torów.

Obecnie opracowano już dwie technologie, za pomocą których aktywowana jest poduszka magnetyczna lub zawieszenie. Trzeci jest eksperymentalny i istnieje tylko na papierze.

Zawieszenie elektromagnetyczne

Ta technologia nazywa się EMS. Opiera się na sile pola elektromagnetycznego, które zmienia się w czasie. Powoduje lewitację (wznoszenie się w powietrzu) magleva. Do ruchu pociągu w tym przypadku wymagane są szyny w kształcie litery T, które są wykonaneprzewodnik (zwykle wykonany z metalu). W ten sposób działanie systemu jest podobne do konwencjonalnej kolei. Jednak w pociągu zamiast par kół montowane są magnesy podporowe i prowadzące. Są one umieszczone równolegle do stojanów ferromagnetycznych umieszczonych wzdłuż krawędzi żebra w kształcie litery T.

Główną wadą technologii EMS jest konieczność kontrolowania odległości między stojanem a magnesami. I to pomimo tego, że zależy to od wielu czynników, w tym od niestabilnego charakteru oddziaływania elektromagnetycznego. Aby uniknąć nagłego zatrzymania pociągu, montuje się na nim specjalne akumulatory. Są w stanie naładować generatory liniowe wbudowane w magnesy nośne, a tym samym utrzymać proces lewitacji przez długi czas.

Pociągi oparte na EMS są hamowane przez synchroniczny silnik liniowy o niskim przyspieszeniu. Reprezentują go magnesy nośne, a także jezdnia, nad którą unosi się maglev. Szybkość i ciąg kompozycji można kontrolować, zmieniając częstotliwość i siłę generowanego prądu przemiennego. Aby zwolnić, po prostu zmień kierunek fal magnetycznych.

Zawieszenie elektrodynamiczne

Istnieje technologia, w której ruch maglev występuje, gdy dwa pola wchodzą w interakcję. Jeden z nich tworzony jest na płótnie autostrady, a drugi na pokładzie pociągu. Ta technologia nazywa się EDS. Na jego podstawie zbudowano japoński pociąg maglev JR–Maglev.

Ten system różni się od EMS, gdziezwykłe magnesy, do których prąd elektryczny jest dostarczany z cewek tylko wtedy, gdy doprowadzone jest zasilanie.

Technologia EDS oznacza stałe dostawy energii elektrycznej. Dzieje się tak nawet po wyłączeniu zasilania. W wężownicach takiego systemu zainstalowane jest chłodzenie kriogeniczne, co pozwala na znaczne oszczędności energii elektrycznej.

Zalety i wady technologii EDS

Dodatnią stroną systemu działającego na zawieszeniu elektrodynamicznym jest jego stabilność. Nawet niewielkie zmniejszenie lub zwiększenie odległości pomiędzy magnesami a płótnem jest regulowane siłami odpychania i przyciągania. Dzięki temu system może być w niezmienionym stanie. Dzięki tej technologii nie ma potrzeby instalowania elektroniki sterującej. Nie ma potrzeby używania urządzeń do regulacji odległości między wstęgą a magnesami.

Technologia EDS ma pewne wady. Tak więc siła wystarczająca do lewitacji kompozycji może powstać tylko przy dużej prędkości. Dlatego maglevy są wyposażone w koła. Zapewniają swój ruch z prędkością do stu kilometrów na godzinę. Kolejną wadą tej technologii jest siła tarcia generowana z tyłu i z przodu magnesów odpychających przy niskich prędkościach.

Ze względu na silne pole magnetyczne w części przeznaczonej dla pasażerów konieczne jest zainstalowanie specjalnej ochrony. W przeciwnym razie osoba z rozrusznikiem serca nie może podróżować. Ochrona jest również potrzebna dla magnetycznych nośników danych (karty kredytowe i HDD).

Opracowanytechnologia

Trzeci system, który obecnie istnieje tylko na papierze, to zastosowanie magnesów trwałych w wariancie EDS, które do aktywacji nie wymagają energii. Do niedawna uważano, że jest to niemożliwe. Naukowcy sądzili, że magnesy trwałe nie mają takiej siły, która mogłaby spowodować lewitację pociągu. Uniknięto jednak tego problemu. Aby go rozwiązać, magnesy zostały umieszczone w tablicy Halbacha. Taki układ prowadzi do powstania pola magnetycznego nie pod tablicą, ale nad nią. Pomaga to utrzymać lewitację pociągu nawet przy prędkości około pięciu kilometrów na godzinę.

Ten projekt nie został jeszcze wdrożony w praktyce. Wynika to z wysokich kosztów tablic wykonanych z magnesów trwałych.

Godność maglevów

Najbardziej atrakcyjną stroną pociągów maglev jest perspektywa osiągnięcia dużych prędkości, które pozwolą im konkurować nawet z samolotami odrzutowymi w przyszłości. Ten rodzaj transportu jest dość ekonomiczny pod względem zużycia energii elektrycznej. Niskie są również koszty jego eksploatacji. Staje się to możliwe dzięki brakowi tarcia. Przyjemny jest również niski poziom hałasu maglevów, co pozytywnie wpłynie na sytuację środowiskową.

Wady

Wadą maglevów jest to, że ich wykonanie zajmuje zbyt wiele czasu. Wysokie są również wydatki na utrzymanie torów. Ponadto rozważany środek transportu wymaga złożonego systemu torów i ultraprecyzyjnegourządzenia kontrolujące odległość między płótnem a magnesami.

Wdrożenie projektu w Berlinie

W stolicy Niemiec w latach 80. miało miejsce otwarcie pierwszego systemu maglev o nazwie M-Bahn. Długość płótna wynosiła 1,6 km. Pociąg maglev kursował w weekendy między trzema stacjami metra. Podróż dla pasażerów była bezpłatna. Po upadku muru berlińskiego populacja miasta prawie się podwoiła. Wymagało to stworzenia sieci transportowych z możliwością zapewnienia dużego ruchu pasażerskiego. Dlatego w 1991 roku rozebrano płótno magnetyczne, a na jego miejscu rozpoczęto budowę metra.

Birmingham

W tym niemieckim mieście w latach 1984-1995 połączył się wolnoobrotowy maglev. lotnisko i dworzec kolejowy. Długość ścieżki magnetycznej wynosiła tylko 600 m.

Droga działała przez dziesięć lat i została zamknięta z powodu licznych skarg pasażerów na istniejące niedogodności. Następnie kolej jednoszynowa zastąpiła maglev w tej sekcji.

Szanghaj

Pierwsza droga magnetyczna w Berlinie została zbudowana przez niemiecką firmę Transrapid. Porażka projektu nie odstraszyła deweloperów. Kontynuowali badania i otrzymali rozkaz od chińskiego rządu, który postanowił zbudować w kraju tor magnetyczny. Ta szybka (do 450 km/h) trasa połączyła Szanghaj i lotnisko Pudong. Droga o długości 30 km została otwarta w 2002 roku. Plany na przyszłość obejmują jej rozszerzenie do 175 km.

Japonia

Ten kraj był gospodarzem wystawy w 2005 rokuExpo-2005. Wraz z jego otwarciem uruchomiono tor magnetyczny o długości 9 km. Na linii jest dziewięć stacji. Maglev obsługuje obszar przylegający do miejsca wystawy.

Maglewy są uważane za transport przyszłości. Już w 2025 roku planowane jest otwarcie nowej autostrady w kraju takim jak Japonia. Pociąg maglev przewiezie pasażerów z Tokio do jednej z dzielnic centralnej części wyspy. Jego prędkość wyniesie 500 km/h. Na realizację projektu potrzeba około czterdziestu pięciu miliardów dolarów.

Rosja

Stworzenie pociągu dużych prędkości planują także Koleje Rosyjskie. Do 2030 r. maglev w Rosji połączy Moskwę i Władywostok. Pasażerowie pokonają trasę 9300 km w 20 godzin. Prędkość pociągu maglev osiągnie do pięciuset kilometrów na godzinę.