Un treno a levitazione magnetica (maglev) sviluppato dalla Central Japan Railways Co. effettua una corsa di prova l'11 maggio. 2010 a Tsuru, Giappone. Junko Kimura/Getty Images L'evoluzione del trasporto di massa ha cambiato radicalmente la civiltà umana. Nel 1860, una ferrovia transcontinentale ha trasformato la fatica di mesi attraverso l'America in un viaggio di una settimana. Solo pochi decenni dopo, le autovetture consentivano di rimbalzare attraverso la campagna molto più velocemente che a cavallo. Ed ovviamente, durante il periodo della prima guerra mondiale, i primi voli commerciali hanno ricominciato 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 "magici" treni galleggianti sono solo il biglietto.
Nel 21° secolo ci sono alcuni paesi che utilizzano potenti elettromagneti per sviluppare treni ad alta velocità, chiamato treni Maglev . Questi treni galleggiano sulle guide utilizzando i principi di base dei magneti per sostituire la vecchia ruota in acciaio e i treni a binario. Non c'è attrito ferroviario di cui parlare, il che significa che questi treni possono raggiungere velocità di centinaia di miglia all'ora.
Eppure l'alta velocità è solo uno dei principali vantaggi dei treni Maglev. Perché i treni raramente (se non mai) toccano i binari, c'è molto meno rumore e vibrazioni del normale, treni che fanno tremare la terra. Meno vibrazioni e attriti si traducono in meno guasti meccanici, il che significa che i treni Maglev hanno meno probabilità di incontrare ritardi dovuti al tempo.
I primi brevetti per levitazione magnetica (maglev) sono state presentate dall'ingegnere americano di origine francese Emile Bachelet all'inizio degli anni '10. Anche prima di ciò, nel 1904, Il professore e inventore americano Robert Goddard aveva scritto un articolo 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. Prossimamente, Loro credevano, i passeggeri salirebbero a bordo di auto a propulsione magnetica e sfreccerebbero da un posto all'altro ad alta velocità, e senza molti dei problemi di manutenzione e sicurezza delle ferrovie tradizionali.
La grande differenza tra un treno maglev e un treno convenzionale è che i treni maglev non hanno un motore, almeno non il tipo di motore utilizzato per trainare i tipici vagoni 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 nel binario si combinano per spingere il treno.
Se hai mai giocato con i magneti, sai che i poli opposti si attraggono e i poli uguali si respingono. Questo è il principio di base dietro propulsione elettromagnetica . Gli elettromagneti sono simili ad altri magneti in quanto attraggono oggetti metallici, ma l'attrazione magnetica è temporanea. Puoi facilmente creare un piccolo elettromagnete collegando le estremità di un filo di rame alle estremità positiva e negativa di un AA, Batteria a celle C o D. Questo crea un piccolo campo magnetico. Se si scollega un'estremità del cavo dalla batteria, il campo magnetico viene sottratto.
Il campo magnetico creato in questo esperimento con filo e batteria è la semplice idea alla base di un sistema di binari ferroviari a levitazione magnetica. Ci sono tre componenti di questo sistema:
Vedremo la traccia dopo.
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Il binario Maglev consente al treno di galleggiare sopra il binario attraverso l'uso di magneti repellenti. Scopri la traccia Maglev e guarda un diagramma di una traccia Maglev. Come funzionano le cose La bobina magnetizzata che corre lungo il binario, chiamato a guida , respinge i grandi magneti sul telaio del treno, permettendo 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 è levitato, 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 il design aerodinamico dei treni consentono a questi treni di raggiungere velocità di trasporto via terra senza precedenti di oltre 310 miglia orarie (500 km/h), o due volte più veloce del treno per pendolari più veloce di Amtrak [fonte:Boslaugh]. In confronto, un aereo commerciale Boeing-777 utilizzato per voli a lungo raggio può raggiungere una velocità massima di circa 562 mph (905 km/h). Gli sviluppatori affermano che i treni Maglev alla fine collegheranno città fino a 1, 000 miglia (1, 609 chilometri) a parte. A 310 miglia orarie, potresti viaggiare da Parigi a Roma in poco più di due ore.
Alcuni treni Maglev sono in grado di raggiungere velocità ancora maggiori. Nell'ottobre 2016, un treno proiettile Maglev della Japan Railway ha raggiunto una velocità di 601 km/h durante una breve corsa. Questi tipi di velocità danno agli ingegneri la speranza che la tecnologia si dimostrerà utile per percorsi lunghi centinaia di miglia.
Sia la Germania che il Giappone hanno sviluppato la tecnologia dei treni Maglev, e testato prototipi dei loro treni. Pur basandosi su concetti simili, i treni tedeschi e giapponesi hanno differenze nette. In Germania, gli ingegneri hanno sviluppato un sospensione elettromagnetica ( SME ) sistema, chiamato Transrapido. In questo sistema, il fondo del treno avvolge una guida in acciaio. Gli elettromagneti fissati al sottocarro 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 di guida incorporati nel corpo del treno lo mantengono stabile durante il viaggio. La Germania ha dimostrato che il treno Maglev Transrapid può raggiungere i 300 mph con persone a bordo. Però, dopo un incidente nel 2006 (vedi barra laterale) e l'enorme aumento dei costi su una proposta di percorso dalla stazione centrale di Monaco all'aeroporto, i piani per costruire un treno maglev in Germania sono stati demoliti nel 2008 [fonte:DW]. Da allora, L'Asia è diventata il fulcro dell'attività dei maglev.
Incidenti MaglevL'11 agosto 2006, uno scompartimento del treno maglev sulla linea dell'aeroporto di Shanghai Transrapid 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 nell'Emsland, La Germania durante una corsa di prova si è schiantata contro un'auto di riparazione che era stata accidentalmente lasciata in pista. Il treno stava andando ad almeno 120 mph (193 km/h) in quel momento. Circa 23 passeggeri sono stati uccisi e 11 feriti. Un tribunale ha stabilito che l'errore umano era la causa dell'incidente, che sarebbe stato evitato se i dipendenti avessero seguito i regolamenti e le procedure stabilite. Non sono stati segnalati ulteriori incidenti con maglev dal 2006. Tuttavia, i treni di prova in Germania sono stati infine interrotti mentre il treno maglev di Shanghai è ancora in funzione.
Sopra è un'immagine della guida per la linea di prova maglev Yamanashi in Giappone. Foto per gentile concessione dell'Istituto di ricerca tecnica ferroviaria Gli ingegneri giapponesi hanno sviluppato una versione concorrente dei treni maglev che utilizzano un sospensione elettrodinamica ( EDS ) sistema, che si basa sulla forza repulsiva dei magneti. La differenza chiave tra la tecnologia dei treni maglev giapponese e tedesca è che i treni giapponesi utilizzano un super-raffreddamento, elettromagneti superconduttori. Questo tipo di elettromagnete può condurre elettricità anche dopo che l'alimentazione è stata interrotta. Nel sistema SME, che utilizza elettromagneti standard, le bobine conducono elettricità solo quando è presente l'alimentazione. Raffreddando le bobine a temperature rigide, Il sistema giapponese risparmia energia. Però, 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 di 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 di gomma fino a raggiungere una velocità di decollo di circa 93 mph (150 km/h). Gli ingegneri giapponesi affermano che le ruote sono un vantaggio se un'interruzione di corrente ha causato l'arresto del sistema. Anche, i passeggeri con pacemaker dovrebbero essere schermati dai campi magnetici generati dagli elettromagneti superconduttori.
Il 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 fino a quando non inizia a levitare. Se viene a mancare l'alimentazione, il treno può rallentare gradualmente e fermarsi sulle ruote ausiliarie.
La pista è in realtà una serie di circuiti in cortocircuito contenenti cavi isolati. In un disegno, 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 esistono tre modelli di Inductrack:Inductrack I, Inductrack II, e Inductrack III. Inductrack I è progettato per alte velocità, mentre Inductrack II è adatto per le basse velocità. Inductrack III è progettato specificamente per carichi molto pesanti spostati a basse velocità. I treni Inductrack potrebbero levitare più in alto con una maggiore stabilità. Finché si muove a poche miglia all'ora, un treno Inductrack leviterà quasi un pollice (2,54 centimetri) sopra il binario. Un divario maggiore sopra il binario significa che il treno non richiederebbe complessi sistemi di rilevamento per mantenere la stabilità.
I magneti permanenti non erano stati usati prima perché gli scienziati pensavano che non avrebbero creato una forza levitante sufficiente. Il design Inductrack aggira questo problema disponendo i magneti in a serie Halbach . I magneti sono configurati in modo tale che l'intensità del campo magnetico si concentri al di sopra dell'array anziché al di sotto di esso. Sono realizzati con un materiale più recente che comprende una lega di neodimio-ferro-boro, che genera un campo magnetico più elevato. Il design dell'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 esplode attraverso un tubo sigillato che racchiude l'intero binario. È possibile che gli hyperloop diventino l'approccio di scelta, in parte perché evitano il problema della resistenza dell'aria come non possono fare i normali maglev, e quindi, dovrebbe 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 Maglev sono già una tecnologia collaudata con anni di storia operativa, nessuno ha ancora costruito un hyperloop commerciale in nessuna parte del mondo [fonte:Davies].
Un treno Transrapid all'Emsland, impianto di prova in Germania. Immagine utilizzata sotto GNU Free Documentation License Mentre il trasporto maglev è stato proposto per la prima volta più di un secolo fa, il primo treno commerciale Maglev non è diventato realtà fino al 1984, quando una navetta maglev a bassa velocità è diventata operativa tra la stazione ferroviaria internazionale di Birmingham del Regno Unito e un terminal dell'aeroporto internazionale di Birmingham. Da allora, sono stati avviati vari progetti Maglev, in stallo, o essere stato completamente abbandonato. Però, ci sono attualmente sei linee commerciali Maglev, e si trovano tutti in Corea del Sud, Giappone e Cina.
Il fatto che i sistemi Maglev siano veloci, fluido ed efficiente 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 linea maglev in lavorazione, ma la spesa per la costruzione di un sistema di trasporto Maglev (circa $ 50 milioni a $ 200 milioni per miglio) è stata proibitiva e alla fine ha annullato la maggior parte dei progetti proposti. Alcuni critici criticano i progetti Maglev perché costano forse cinque volte tanto quanto le linee ferroviarie tradizionali. Ma i sostenitori sottolineano che il costo di gestione di questi treni è, in alcuni casi, fino al 70% in meno rispetto alla tecnologia ferroviaria 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 aveva sperato di avere una super navetta che portasse gli studenti avanti e indietro attraverso il campus a partire dal semestre autunnale del 2002, ma il treno ha fatto alcune corse di prova e non si è mai avvicinato alla velocità di 40 mph (64 km/h) promessa. Le stazioni ferroviarie sono state finalmente demolite nel 2010 ma parti del sistema di binari sopraelevati sono ancora in piedi, una testimonianza di un fallimento da $ 16 milioni [fonte:Kidd].
Ma altri progetti persistono. Un gruppo ambizioso vuole costruire un tratto di 40 miglia (64 chilometri) da Washington D.C. 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 in qualsiasi altra parte del mondo, ma l'ingorgo devastante di questa regione e lo spazio limitato significano 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 di forza chiave:un'espansione di questo progetto potrebbe collegare Washington alla città di New York 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, Maglev nord-orientale].
In Asia, anche se, il boom del maglev è essenzialmente già in corso. Il Giappone sta lavorando febbrilmente su una rotta Tokyo-Osaka che potrebbe essere aperta entro il 2037. Quando sarà completata, il treno ridurrà il viaggio di quasi tre ore a soli 67 minuti [fonte:Reuters].
La Cina sta seriamente valutando dozzine di potenziali rotte maglev, tutti in aree congestionate che richiedono trasporti di massa ad alta capacità. Questi non saranno treni ad alta velocità. Anziché, sposteranno molte persone su distanze più brevi a velocità inferiori. Tuttavia, La Cina produce tutte le proprie tecnologie Maglev e sta per presentare una linea commerciale Maglev di terza generazione con una velocità massima di circa 125 mph (201 km/h) e, a differenza delle versioni precedenti, è completamente senza conducente, affidandosi invece a sensori computerizzati per l'accelerazione e la frenata (il paese ha già alcuni treni maglev in funzione ma hanno bisogno di un autista.) [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 Maglev. Se l'industria hyperloop riesce a generare slancio, potrebbe disturbare tutti i tipi di sistemi di trasporto. E alcuni ingegneri sospettano che anche le macchine volanti, anche se incredibilmente costoso, potrebbero superare i 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 saranno giunte a un verdetto sui treni maglev. Forse diventeranno il fulcro del viaggio 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 decollata davvero.
