Hogyan működnek a mágnesvasutak
A tömegközlekedés fejlődése alapvetően megváltoztatta az emberi civilizációt. Az 1860-as években a transzkontinentális vasút a hónapokig tartó, Amerikát átszelő utat egyhetes utazásra változtatta. Alig néhány évtizeddel később a személygépkocsik lehetővé tették, hogy sokkal gyorsabban pattogjunk át a vidéken, mint lóháton. És persze az első világháború idején az első kereskedelmi járatok újra elkezdték átalakítani utazásainkat, és a tengerparttól a tengerpartig tartó utakat órák alatt tették lehetővé. De a vasúti utazások az Egyesült Államokban ma sem sokkal gyorsabbak, mint egy évszázaddal ezelőtt. A mérnökök számára, akik a következő nagy áttörést keresik, talán a „varázslatos” lebegő vonatok jelentik a megoldást.
A 21. században néhány országban nagy teljesítményű elektromágneseket használnak nagysebességű vonatok kifejlesztésére, amelyeket mágnesvasútnak neveznek. Ezek a vonatok a mágnesek alapelveit használva vezetősíneken lebegnek, hogy felváltják a régi acélkerekes és sínes vonatokat. Nincs sínsúrlódás, amiről beszélni lehetne, ami azt jelenti, hogy ezek a vonatok több száz mérföld/órás sebességre képesek.
A nagy sebesség azonban csak az egyik fő előnye a mágnesvasutaknak. Mivel a vonatok ritkán (vagy egyáltalán nem) érintik a síneket, sokkal kevesebb zaj és rezgés keletkezik, mint a tipikus, földrengésszerű vonatoknál. A kevesebb rezgés és súrlódás kevesebb mechanikai meghibásodást eredményez, ami azt jelenti, hogy a maglev vonatok kisebb valószínűséggel szenvednek időjárás okozta késéseket.
A mágneses lebegtetési (maglev) technológiák első szabadalmait Emile Bachelet francia származású amerikai mérnök nyújtotta be még az 1910-es évek elején. Még ezt megelőzően, 1904-ben Robert Goddard amerikai professzor és feltaláló már írt egy tanulmányt, amelyben felvázolta a mágneses lebegtetés ötletét [forrás: Witschge]. Nem telt el sok idő, mire a mérnökök e futurisztikus vízió alapján kezdtek el vonatrendszereket tervezni. Úgy gondolták, hogy hamarosan az utasok mágneses meghajtású kocsikba szállhatnak, és nagy sebességgel, a hagyományos vasútvonalak karbantartási és biztonsági problémái nélkül zúghatnak majd egyik helyről a másikra.
A nagy különbség a mágnesvasút és a hagyományos vonatok között az, hogy a mágnesvasutaknak nincs motorjuk – legalábbis nem olyan motor, mint amilyennel a tipikus vasúti kocsikat acélsíneken húzzák. A maglev vonatok motorja meglehetősen feltűnő. Fosszilis tüzelőanyagok használata helyett a vezetőpálya falában és a síneken lévő villamosított tekercsek által létrehozott mágneses mező együttesen mozgatja a vonatot.
Ha játszottál már mágnesekkel, tudod, hogy az ellentétes pólusok vonzzák, a hasonló pólusok pedig taszítják egymást. Ez az elektromágneses meghajtás alapelve. Az elektromágnesek abban hasonlítanak más mágnesekhez, hogy vonzzák a fémtárgyakat, de a mágneses vonzás ideiglenes. Könnyen létrehozhatsz magadnak egy kis elektromágnest, ha egy rézhuzal végeit összekötöd egy AA, C vagy D elem pozitív és negatív végével. Ez egy kis mágneses mezőt hoz létre. Ha a vezeték bármelyik végét leválasztja az akkumulátorról, a mágneses mező megszűnik.
Az ebben a drót-akkumulátor kísérletben létrehozott mágneses mező a mágnesvasút sínrendszerének egyszerű ötlete. Ennek a rendszernek három összetevője van:
- Egy nagy elektromos áramforrás
- Fémtekercsek, amelyek egy vezetőpályát vagy sínt bélelnek ki
- A vonat aljára erősített nagy irányító mágnesek.
A mágnesvasút pálya
A sínen futó mágnesezett tekercs, amelyet vezetőpályának neveznek, taszítja a vonat futóművén lévő nagy mágneseket, így a vonat 0,39 és 3,93 hüvelyk (1 és 10 centiméter) között lebeghet a vezetőpálya felett [forrás: Boslaugh]. Amint a vonat lebegő helyzetbe került, a vezetősín falában lévő tekercsek áramot kapnak, és egy egyedi mágneses mezőrendszert hoznak létre, amely húzza és tolja a vonatot a vezetősín mentén. A vezetőpálya falában lévő tekercsekbe táplált elektromos áram folyamatosan váltakozik, hogy a mágnesezett tekercsek polaritását megváltoztassa. Ez a polaritásváltozás azt eredményezi, hogy a vonat előtt lévő mágneses mező húzza előre a járművet, míg a vonat mögött lévő mágneses mező nagyobb előre irányuló tolóerőt ad.
A mágnesvasút vonatok egy légpárnán lebegnek, így kiküszöbölve a súrlódást. A súrlódás hiánya és a vonatok aerodinamikai kialakítása lehetővé teszi, hogy ezek a vonatok elérjék a földi közlekedés eddig nem látott, több mint 310 mph (500 km/h) sebességét, vagyis kétszer olyan gyorsak, mint az Amtrak leggyorsabb ingázó vonata [forrás: Boslaugh]. Összehasonlításképpen, egy hosszú távú repülésekre használt Boeing-777-es kereskedelmi repülőgép körülbelül 562 mph (905 km/h) csúcssebességet tud elérni. A fejlesztők szerint a mágnesvasutak idővel akár 1000 mérföld (1609 kilométer) távolságra lévő városokat is összekötnek majd. A 310 mérföld/órás sebességgel alig több mint két óra alatt lehetne Párizsból Rómába utazni.
Egyes mágnesvasutak még ennél is nagyobb sebességre képesek. 2016 októberében a Japan Railway egyik mágnesvasútja egy rövid út során egészen 374 mérföld/órás (601 km/h) sebességig száguldott. Az ilyen sebességek reményt adnak a mérnököknek, hogy a technológia több száz kilométeres útvonalakon is hasznosnak bizonyulhat.
Németország és Japán egyaránt kifejlesztette a mágnesvasút-technológiát, és tesztelte vonataik prototípusait. Bár a német és a japán vonatok hasonló koncepciókon alapulnak, a vonatok között jelentős különbségek vannak. Németországban a mérnökök egy elektromágneses felfüggesztési rendszert (EMS) fejlesztettek ki, amelyet Transrapidnak neveztek el. Ebben a rendszerben a vonat alja egy acél vezetőpálya köré tekeredik. A vonat futóművére erősített elektromágnesek a vezetőpálya felé irányulnak, ami a vonatot körülbelül 1/3 hüvelyk (1 centiméter) magasságban a vezetőpálya fölött lebegtetik, és a vonatot akkor is lebegésben tartják, amikor az nem mozog. A vonat testébe ágyazott egyéb irányító mágnesek stabilan tartják a vonatot utazás közben. Németországban bebizonyították, hogy a Transrapid mágnesvasút képes elérni a 300 mérföld/órás sebességet, ha emberek is vannak rajta. Egy 2006-os baleset (lásd az oldalsávot) és a müncheni főpályaudvarról a repülőtérre tervezett útvonal hatalmas költségtúllépése után azonban 2008-ban elvetették a mágnesvasút németországi megépítésének tervét [forrás: DW]. Azóta Ázsia lett a mágnesvasút-tevékenység központja.
Elektrodinamikus felfüggesztés (EDS)
Japán mérnökök kifejlesztették a mágnesvasút konkurens változatát, amely elektrodinamikus felfüggesztést (EDS) használ, amely a mágnesek taszító erején alapul. A japán és a német mágnesvasút-technológia közötti legfontosabb különbség az, hogy a japán vonatok szuprahűtött, szupravezető elektromágneseket használnak. Ez a fajta elektromágnes az áramellátás kikapcsolása után is képes vezetni az áramot. Az EMS rendszerben, amely hagyományos elektromágneseket használ, a tekercsek csak akkor vezetik az áramot, ha áramforrás van jelen. A tekercsek fagyos hőmérsékleten történő hűtésével a japán rendszer energiát takarít meg. A tekercsek hűtéséhez használt kriogén rendszer azonban drága lehet, és jelentősen megnöveli az építési és karbantartási költségeket.
Egy másik különbség a rendszerek között, hogy a japán vonatok közel 10 centiméterrel a vezetőpálya felett lebegnek. Az EDS-rendszer használatának egyik lehetséges hátránya, hogy a mágnesvasutaknak gumikerekeken kell gurulniuk, amíg el nem érik a kb. 150 km/órás (93 mph) felszállósebességet. A japán mérnökök szerint a kerekek előnyt jelentenek, ha egy áramkimaradás miatt leállna a rendszer. Emellett a pacemakerrel rendelkező utasokat le kellene árnyékolni a szupravezető elektromágnesek által keltett mágneses mezőtől.
Az Inductrack egy újabb típusú EDS, amely a mágneses mezők előállításához állandó, szobahőmérsékletű mágneseket használ a működtetett elektromágnesek vagy hűtött szupravezető mágnesek helyett. Az Inductrack csak addig használ áramforrást a vonat gyorsítására, amíg az lebegni nem kezd. Ha az áramellátás meghibásodik, a vonat fokozatosan lelassul és a segédkerekein megáll.
A pálya tulajdonképpen egy sor elektromosan rövidre zárt áramkör, amely szigetelt huzalokat tartalmaz. Az egyik konstrukcióban ezek az áramkörök úgy vannak elrendezve, mint egy létra lépcsőfokai. Ahogy a vonat mozog, a mágneses mező taszítja a mágneseket, és a vonat lebegni kezd.
Jelenleg három Inductrack-konstrukció létezik: Inductrack I, Inductrack II és Inductrack III. Az Inductrack I-et nagy sebességre tervezték, míg az Inductrack II lassú sebességre alkalmas. Az Inductrack III kifejezetten a lassú sebességgel mozgó, nagyon nehéz rakományok szállítására lett tervezve. Az Inductrack szerelvények nagyobb stabilitás mellett magasabbra tudtak lebegni. Amíg néhány mérföld per órával halad, egy Inductrack vonat közel egy hüvelyk (2,54 centiméter) magasságban lebeg a sínek felett. A nagyobb távolság a pálya felett azt jelenti, hogy a vonatnak nem lenne szüksége bonyolult érzékelőrendszerekre a stabilitás fenntartásához.
Korábban nem használtak állandó mágneseket, mert a tudósok úgy gondolták, hogy azok nem tudnának elegendő lebegőerőt létrehozni. Az Inductrack konstrukció megkerüli ezt a problémát azáltal, hogy a mágneseket Halbach-tömbben rendezi el. A mágnesek úgy vannak kialakítva, hogy a mágneses mező intenzitása a tömb fölött koncentrálódik, nem pedig alatta. Egy újabb anyagból készültek, amely neodímium-vas-bór ötvözetből áll, és amely nagyobb mágneses mezőt hoz létre. Az Inductrack II konstrukció két Halbach-mágneses tömböt tartalmaz, hogy alacsonyabb sebességnél erősebb mágneses mezőt tudjon létrehozni.
A passzív mágneses lebegtetés koncepciója a javasolt hiperhurok közlekedési rendszerek egyik fő jellemzője, amely lényegében egy Inductrack típusú vonat, amely egy lezárt csövön keresztül robban át, amely a teljes pályát körülveszi. Lehetséges, hogy a hiperhurok lesz a választott megközelítés, részben azért, mert a légellenállás kérdését úgy kerülik ki, ahogyan a hagyományos mágnesvasutak nem, és így képesek lehetnek szuperszonikus sebességek elérésére. Egyesek szerint a hiperhurok még kevesebbe is kerülhet, mint egy hagyományos nagysebességű vasútvonal.
De míg a mágnesvasutak már bevált technológia, több éves működési múlttal, addig a világon még sehol sem építettek kereskedelmi célú hiperhurkot.
Használatban lévő mágnesvasút-technológia
Bár a mágnesvasút-közlekedést több mint egy évszázaddal ezelőtt javasolták először, az első kereskedelmi mágnesvasút csak 1984-ben vált valósággá, amikor is egy alacsony sebességű mágnesvasutas ingajárat kezdte meg működését az Egyesült Királyság birminghami nemzetközi vasútállomása és a birminghami nemzetközi repülőtér egyik terminálja között. Azóta különböző mágnesvasút-projektek indultak el, akadtak el, vagy teljesen elvetették őket. Jelenleg azonban hat kereskedelmi mágnesvasútvonal létezik, és ezek mindegyike Dél-Koreában, Japánban és Kínában található.
Az a tény, hogy a maglev rendszerek gyorsak, zökkenőmentesek és hatékonyak, nem változtat egy bénító tényen – ezeket a rendszereket hihetetlenül drága megépíteni. Los Angelestől Pittsburghig és San Diegóig az Egyesült Államok városai terveztek mágnesvasútvonalakat, de a mágnesvasúti közlekedési rendszerek építésének költségei (mérföldenként nagyjából 50-200 millió dollár) megfizethetetlenek voltak, és végül a legtöbb javasolt projektet elvetették. Egyes kritikusok a mágnesvasút-projektek költségeit talán ötször annyiba kerül, mint a hagyományos vasútvonalak. A támogatók azonban rámutatnak, hogy e vonatok üzemeltetési költségei egyes esetekben akár 70 százalékkal is alacsonyabbak, mint a régi típusú vasúti technológia esetében [források: Hall, Hidekazu és Nobuo].
Ezen az sem segít, hogy néhány nagy feltűnést keltő projekt megbukott. A virginiai Old Dominion Egyetem vezetősége azt remélte, hogy a 2002-es őszi szemeszterben egy szuperjárat fogja ide-oda repíteni a diákokat az egyetemen, de a vonat csak néhány próbaútra indult, és soha nem érte el az ígért 40 mérföld/órás (64 km/órás) sebességet. A vonatállomásokat végül 2010-ben lebontották, de a magaslati pályarendszer egyes részei még mindig állnak, ami egy 16 millió dolláros kudarc bizonyítéka [forrás: Kidd].
Más projektek azonban továbbra is fennállnak. Egy ambiciózus csoport egy 40 mérföldes (64 kilométeres) szakaszt szeretne megépíteni Washington D.C.-től Baltimore-ig, és az ötletnek rengeteg támogatója van, de a projekt várhatóan akár 15 milliárd dollárba is kerülhet. A koncepció túlzó ára a világ bármely más pontján nevetséges lenne, de a régió lélekölő zsúfoltsága és a korlátozott hely miatt a várostervezőknek és a mérnököknek innovatív megoldásra van szükségük, és a szupergyors mágnesvasút lehet a legjobb megoldás. A legfontosabb értékesítési szempont – a projekt bővítése összekötné Washingtont New Yorkkal, és az utazási időt mindössze 60 percre csökkentené, ami olyan gyors ingázást jelentene, amely átalakíthatná a kereskedelmet és az utazást az északkeleti régióban [források: Lazo, Northeast Maglev].
Ázsiában azonban a mágnesvasút boomja lényegében már elkezdődött. Japánban lázasan dolgoznak a Tokió és Osaka közötti útvonalon, amely 2037-re megnyílhat. Ha elkészül, a vonat a közel háromórás utat mindössze 67 percre csökkenti majd [forrás: Reuters].
Kína több tucat potenciális mágnesvasútvonalat fontolgat komolyan, mindegyiket olyan zsúfolt területeken, ahol nagy kapacitású tömegközlekedésre van szükség. Ezek nem lesznek nagysebességű vonatok. Ehelyett sok embert szállítanak majd rövidebb távolságokon, alacsonyabb sebességgel. Mindazonáltal Kína minden mágnesvasút-technológiát maga állít elő, és hamarosan bemutatja a harmadik generációs kereskedelmi mágnesvasútvonalat, amelynek végsebessége körülbelül 125 mérföld/óra (201 km/óra), és – a korábbi változatokkal ellentétben – teljesen vezető nélküli, ehelyett a gyorsítás és fékezés számítógépes érzékelőkre támaszkodik (Az országban már működik néhány mágnesvasút, de ezekhez vezetőre van szükség). [forrás: Wong].
Nem lehet pontosan tudni, hogy a mágnesvasút hogyan fog szerepelni az emberi közlekedés jövőjében. Az önvezető autók és a légi közlekedés fejlődése megnehezítheti a mágnesvasútvonalak kiépítését. Ha a hiperloop-iparnak sikerül lendületet vennie, az mindenféle közlekedési rendszert megzavarhat. Egyes mérnökök pedig azt gyanítják, hogy még a repülő autók is – bár hihetetlenül drágák – a jövőben felülmúlhatják a vasúti rendszereket, mivel nincs szükségük hatalmas infrastrukturális projektekre ahhoz, hogy beinduljanak.
Talán már egy-két évtizeden belül a világ országai ítéletet hoznak a mágnesvasutakról. Talán a nagysebességű utazás egyik alappillére lesz, vagy egyszerűen csak kedvtelésből megvalósuló projektek, amelyek csak egyes népességcsoportok töredékeit szolgálják ki zsúfolt városi területeken. Vagy talán egyszerűen csak a történelem homályába vesznek, a levitációs technológia szinte varázslatos formájaként, amely soha nem is vált be igazán.
