Con più persone che si preparano a una ferrovia ad alta velocità sostenibile, la riduzione dell'inquinamento acustico e una gestione sofisticata del traffico aumenteranno l'adozione.

Il fischio che scende dai binari è il suono della rinascita ferroviaria europea. L'arrivo dietro la curva è una maggiore adozione del trasporto ferroviario ad alta velocità che promette di ridurre il traffico stradale e di ridurre le emissioni nocive. Le automobili sono le principali colpevoli dell'inquinamento atmosferico, rappresentando il 14,5% delle emissioni totali di carbonio dell'Europa. Circa la metà dei voli in Europa sono viaggi a corto raggio inferiori a 1.500 km, che generano molte più emissioni rispetto all'equivalente viaggio su rotaia.

La politica del Green Deal europeo prevede piani per raddoppiare l'alta velocità entro il 2030 e triplicarla entro il 2050. Al momento, il 75% delle merci viene spostato su strada, quindi il movimento delle merci su rotaia dovrebbe raddoppiare entro il 2050.

Rendere i treni più competitivi con il trasporto su strada e aereo significa riforma del mercato e miglioramenti dell'esperienza dei passeggeri, nonché aggiornamenti infrastrutturali. Dare priorità al trasporto ferroviario sostenibile promette vantaggi significativi, ma sfortunatamente comporta pericoli invisibili di per sé e non solo per i passeggeri.

Bassa frequenza

Uno dei rischi meno noti del trasporto ferroviario è il tipo di inquinamento acustico che nessuno può sentire. Vibrazioni impercettibili al suolo a bassa frequenza provengono dal materiale rotabile sulla ferrovia mentre passa. Oltre a compromettere l'integrità strutturale delle infrastrutture vicine, queste vibrazioni possono avere un effetto dannoso sulla salute delle persone, causando mal di testa, affaticamento e persino irritabilità nelle persone che le subiscono.

"In questo momento è possibile ridurre le vibrazioni mettendo dei gommini sotto i cingoli", ha affermato Giovanni Capellari, co-fondatore di Phononic Vibes. "Quel sistema va bene per le nuove ferrovie perché puoi inserirle durante la costruzione." La sua azienda è specializzata nella tecnologia del rumore e delle vibrazioni. Per una linea ferroviaria esistente, i gommini sono molto costosi perché è necessario rimuovere i binari per installarli, secondo Capellari.

Il progetto BioMetaRail sta ricercando e sviluppando speciali barriere sommerse che possono essere dispiegate lungo il binario per assorbire le vibrazioni. Le pareti della barriera si basano sulla loro forma per le loro prestazioni di riduzione del rumore, piuttosto che sulle proprietà del materiale.

Conosciuti come metamateriali, questi materiali compositi sintetici hanno proprietà di design che non si trovano in natura. Le loro strutture interne sono progettate per interagire con le onde sonore a bassa frequenza di un treno in transito per intrappolarle e isolarle.

"Fondamentalmente, l'idea è che utilizziamo forme che hanno alcuni effetti di risonanza a frequenze tipiche delle vibrazioni nel settore ferroviario", ha affermato Capellari. In questo contesto, la frequenza delle vibrazioni è tipicamente compresa tra 30 e 60 Hertz. Il risultato è un progetto per una struttura in cemento armato di due metri per tre che ricorda una grande finestra.

Funziona per frequenze molto basse, il che è molto buono per i treni ferroviari. Inoltre, i "vetri delle finestre" potrebbero essere divisi in dimensioni ancora più piccole per intrappolare una gamma più ampia di frequenze.

Design distintivo

Se i pannelli non avessero la loro forma e il loro design distintivi e fossero semplicemente lastre di cemento, non sarebbero in grado di fermare le vibrazioni trasmesse dal suolo del treno con la stessa efficacia delle barriere di BioMetaRail. Per facilità di installazione, non è necessario sollevare la linea ferroviaria poiché questi pannelli possono essere inseriti nel terreno lungo il binario come una recinzione incassata, per proteggere agglomerati di case o edifici.

Il team di ricerca sta inoltre studiando il materiale, lo spessore e le dimensioni ideali delle barriere per i loro effetti di smorzamento delle vibrazioni.

Il progetto BioMetaRail di Capellari è una propaggine del progetto BOHEME, che sta per Bio-Inspired Hierarchical MetaMaterials. BOHEME indaga e sviluppa diversi tipi di metamateriali meccanici ispirati a principi che si trovano in natura.

Dalle ragnatele alle spirali di conchiglie, BOHEME caratterizza i sistemi naturali e ne studia le possibili applicazioni. "L'obiettivo è prendere i risultati di BOHEME e cercare di capire la migliore geometria (per le barriere ferroviarie) considerando il mercato, i costi, la produzione e l'installazione", ha affermato Capellari.

"Il prossimo passo è andare sul mercato", ha detto, oltre a ottenere la certificazione per l'intervento di blocco delle vibrazioni. "Non esiste un tale tipo di sistema sul mercato in questo momento."

Infine, questi pannelli rivestiranno il terreno lungo i binari nelle aree residenziali, consentendo alle reti ferroviarie di aumentare significativamente il traffico ferroviario senza incidere negativamente sulle persone e sugli edifici vicini.

Nel 2021 è stato proposto di aumentare i limiti di velocità sui treni della rete transeuropea di trasporto a 160 km/h o più entro il 2040. L'aumento del traffico ferroviario rende inoltre fondamentale che gli operatori di rete siano in grado di monitorare l'intera lunghezza delle loro ferrovie in tempo reale. Il monitoraggio acustico può aiutare a raggiungere entrambi questi obiettivi.

Next Generation Rail Technologies di Richard Aaroe ha sviluppato un dispositivo di ascolto passivo in grado di fornire agli operatori ferroviari un avviso tempestivo sugli ostacoli sui binari. Può anche prevedere quale sia l'ostruzione più probabile e dove potrebbe essere trovata. Il progetto SAFETRACK sta lavorando su un sistema autonomo per "fornire avvisi accurati in tempo reale di tutto ciò che accade sull'infrastruttura", ha affermato Aaroe.

Il sistema comprende sensori, che rilevano le vibrazioni sulla pista, e un software che identifica dove sulla pista ha origine il suono e cosa potrebbe averlo causato.

Microfono sofisticato

"In un certo senso, è un microfono molto, molto sofisticato", ha spiegato Aaroe. Le vibrazioni acustiche sulla pista che vengono captate dai sensori hanno una "impronta digitale unica". Il suono di un ramo di un albero che cade sulla pista è distinto da una frana di fango, per esempio. La compagnia di Aaroe ha creato una "biblioteca" di queste impronte acustiche ferroviarie.

Paragona la tecnologia a quando i sottomarini usano il sonar per rilevare le navi di superficie rilevandone la firma acustica. "Oggi, quella tecnologia si è evoluta in modo che tu non solo possa capire che c'è una nave in transito, ma puoi anche rilevare il tipo di motore, la classe della nave stessa, la velocità, la direzione e così via", Aaroe disse.

Gli stessi principi si applicano all'acustica dei binari. "Ogni incidente ha un'unicità e l'abbiamo identificata e quindi possiamo segnalarlo al controllore del treno, all'operatore o persino al macchinista stesso".

I sensori sono relativamente piccoli, delle dimensioni di uno smartphone. Un'installazione comprende quattro sensori, uno su ciascuna rotaia del binario e poi altri due 10 metri più avanti lungo il binario. Poiché il suono viaggia attraverso binari solidi molto meglio che attraverso l'aria, un pacchetto di sensori è in grado di rilevare le vibrazioni acustiche a cinque chilometri in ciascuna direzione.

La tecnologia è attualmente in fase di sperimentazione sulle reti ferroviarie nazionali nel Regno Unito, in Germania e in Spagna e sarà presto implementata in altri tre paesi, secondo Aaroe.

L'Unione Europea si impegna a far crescere il proprio trasporto ferroviario nell'ambito del Green Deal europeo che mira a rendere l'Europa il primo continente a emissioni zero entro il 2050. Man mano che sempre più persone optano per la ferrovia rispetto alle auto, la tecnologia che rende i treni più sicuri e più silenziosi sarà sempre più importante. + Esplora ulteriormente

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