Pociąg w uniesieniu (1/3)

Pierwsza część tryptyku nt. magnetycznej lewitacji (maglevu). Pociąg unoszący się nad torowiskiem i mknący dzięki magnesom nadprzewodzącym, to najbardziej obiecująca technologia, która odmieni światowy transport.

Aby uciec jak najdalej od amoku Euro 2012 i kultowego zgiełku piłki nożnej, której od dziecka nienawidzę, sięgnąłem w stronę ciekawego i przyjemnego tematu, jakim jest maglev – kolej przyszłości. W Polsce nadal traktujemy jeszcze kolej jako konkurencję dla samochodów. Ale jej prawdziwa przyszłość polega na konkurowaniu z lotnictwem. Magnetyczna lewitacja (maglev), to nazwa zupełnie nowego rodzaju transportu, który wkrótce dołączy do statków, pojazdów kołowych i samolotów jako rewolucyjny sposób przewożenia ludzi i towarów na świecie. Najprościej mówiąc maglev to pociąg, którego wagony unoszą się nad torem, bo są odeń magnetycznie odpychane, a jednocześnie mkną po wyniesionej ponad miastami szynie, bo pociągają je inne potężne magnesy umocowane w podwoziu. Pojazd nie styka się z torowiskiem, nie ma żadnych silników, nie spala paliwa, nie wydaje żadnego dźwięku, nie drży i nie wibruje.

      Maglev osiąga szybkość samolotu, ale jest tańszy w eksploatacji od dzisiejszej kolei i może przewozić na masową skalę ludzi, samochody, kontenery, a także towary, nawet tak masowe jak wodę do nawadniania pustyń. Koszt eksploatacyjny w tym systemie transportu obliczono w USA jako 3 centy na jedną pasażero-milę i 7 centów za jedną tono-milę  ładunku. Większość informacji zaczerpnąłem z opracowań amerykańskich i nie chciało mi się tego przeliczać na złotówki i system metryczny, bo wystarczy porównać z innymi kosztami. Dla samolotów jest to dziś 15 centów za pasażero-milę, a dla pociągów typu intercity 30 centów za tono-milę ładunku. Ogromną zaletą jest też żywotność maglevu. Torowisko jest zaprojektowane na minimum 50 lat praktycznie bez żadnej konserwacji, ponieważ nie ma w nim mechanicznego styku, ścierania ani wibracji. To samo dotyczy wagonów, tym bardziej, że ładunek obciąża w nich podwozie dużo bardziej równomiernie niż przy tradycyjnym nacisku na osie i koła.

     Maglev jest także bardzo wydajny i tani energetycznie. W odróżnieniu od samochodów osobowych, ciężarówek, statków, lokomotyw i samolotów niczego sam nie spala, tylko jest napędzany prądem, który zasila elektromagnesy na jego trasie. A prąd, jak wiadomo, można wytwarzać na zewnątrz w stałych elektrowniach węglowych, wodnych, gazowych, biopaliwowych, wiatrowych, słonecznych, jądrowych, fuzyjnych i jakich tam jeszcze. Przy prędkości 300 mil na godzinę na otwartej przestrzeni maglev zużywa tylko 0,4 megadżula na pasażero-milę, w porównaniu z 4 megadżulami na pasażero-milę w samochodzie spalającym, jak np. w Ameryce 1 galon benzyny na 20 mil, wiozące 1,8 pasażera (średnia w USA) przy szybkości 60 mph. Przy prędkości 150 mph na otwartej przestrzeni maglev potrzebuje tylko 0,1 megadżula na pasażero-milę, czyli tylko 2% energii, jaką zużywa typowy samochód w USA. Jeśli zaś maglev miałby się poruszać w szczelnych tunelach niskociśnieniowych, co proponują szwajcarscy projektanci metra, zużycie energii na pasażero-milę oblicza się jako równowartość 1 galona na 10.000 mil!

      Niemal tak samo ważne jest i to, że maglev nie skaża środowiska. Nawet jeśli zużywa prąd z elektrowni węglowej, emisja dwutlenku węgla jest zdecydowanie niższa niż z silników spalinowych, z uwagi na wysoką wydajność energetyczną (jak wyżej). Niemal bezszelestny i wyniesiony jako kolej napowietrzna maglev jest też o wiele mniej inwazyjny dla zatłoczonych i hałaśliwych miast. Jest też niemal całkowicie bezpieczny. Wzajemny dystans między pociągami i ich szybkość są automatyczne i stałe, bo wszystkie są zasilane z tej samej szyny i jeden nie może dogonić drugiego ani na niego wpaść. Torowisko jest wyniesione ponad drogi i ulice, a więc nie może dojść do kolizji z innymi środkami transportu.

Maglev nie jest wcale ideą nową. Marzył o nim już w 1900 roku Francuz Emile Bachelet, któremu się zdawało, że wystarczy na ziemi ułożyć arkusze aluminiowej blachy, a do wagonów przyczepić pierścienie zmiennoprądowe, aby pociągi latały w powietrzu. No, nie udało się. Niepraktyczne okazały się także wszystkie dalsze projekty oparte na konwencjonalnych elektromagnesach i magnesach stałych. Albo zużycie mocy było za duże, albo zawieszenie niestałe, albo waga lewitującego w doświadczeniach obiektu za mała.

         Pierwszy praktyczny system maglev opracowali i zaproponowali w 1966 roku dwaj znani amerykańscy fizycy-konstruktorzy – dr James Powell i dr Gordon Danby, z których ten pierwszy to także zasłużony specjalista od napędów rakietowych, a ten drugi to pionier badań nad nadprzewodnictwem i zastosowaniami rezonansu magnetycznego w medycynie (MRI). Ich projekt przewidywał wagony wyposażone w lekkie magnesy nadprzewodzące, które wzbudzały prąd w szeregu zwykłych pierścieni aluminiowych zamontowanych na całej długości prowadnicy. Indukowany prąd współdziałał z magnesami nadprzewodzącymi umieszczonymi w wagonach wypychając je lekko ponad torowisko. Uniesiony pojazd w sposób bierny i nieunikniony pozostaje stabilny wobec sił zewnętrznych, w tym wiatrów bocznych i sił odśrodkowych na krzywiznach toru, zarówno w poziomie jak i w pionie. Każde przyciśnięcie pojazdu to toru automatycznie zwiększa jego siłę odpychania, co zapobiega zatarciu. I odwrotnie, każda próba oderwania ponad tor osłabia odpychanie, a wtedy wzrasta siła ciążenia i pojazd opada zawsze pozostając w wymaganym przedziale zawieszenia-uniesienia i wzajemnego oddziaływania tych przeciwstawnych sił. Również każda próba zepchnięcia pojazdu z toru przez boczny wiatr uruchamia automatycznie dodatkowe siły magnetyczne, które trzymają go na prowadnicy.

         Proces magnetycznej lewitacji jest automatyczny dopóki pojazd pozostaje w ruchu i ma prędkość powyżej granicy oderwania. Poniżej tej granicy, która w zależności od projektu waha się od 50-20 mph, opór elektryczny pierścieni aluminiowych wzdłuż prowadnicy zmniejsza prądy indukowane tak bardzo, że siła magnetyczna staje się za słaba, aby odpychać i unosić pociąg. Dlatego przy małych prędkościach pojawia się potrzeba ruchu na zamocowanych pomocniczo kołach, lub też przez miejscowe zasilanie prowadnicy. Takie odcinki niskiej szybkości występują jednak tylko w pobliżu stacji, gdzie są potrzebne do wygaszania lub nabierania prędkości. Oznacza to, że maglev najlepiej sprawdza się na długich dystansach, gdzie odcinków manewrowych tj. dróg hamowania i rozpędu jest niewiele. Sekret praktycznego powodzenia tego projektu leżał od początku w magnesach nadprzewodzących, niezwykle potężnych, lekkich i trwałych. Ponieważ opór elektryczny jest w nich zerowy, nawet gdy płynie przez nie prąd o natężeniu setek tysięcy amperów, to również zużycie mocy jest zerowe, z wyjątkiem tej, która jest potrzebna dla zasilania zamrażarek utrzymujących nadprzewodniki w temperaturze bliskiej zeru Kelvina. 

         Praca Powella i Danby’ego (J.R.Powell and G.T.Danby, 1966 „High Speed Transport by Magnetically Suspended Trains” Paper 66-WA/RR-5, ASME meeting, N.Y., oraz “A 300 mph Magnetically Suspended Train” w Mechanical Engineering, vol. 89, pp.30-35) wzbudziła ogromne zainteresowanie na całym świecie.Praktyczne prace nad projektami zaczęto w kilku krajach, jednak w USA zaniechano ich na początku lat 70-ych, kiedy amerykański Departament Transportu dał dowód swej głupoty uznając, że samochody i samoloty wystarczą Amerykanom na zawsze i prac nad rozwojem kolei prowadzić się tam nie będzie. Badania przeniosły się wtedy do Japonii i Niemiec, które dziś zdecydowanie przodują w tej technologii. (cdn.) 

Bogusław Jeznach 

Dodatek muzy:

Donna Summer, królowa epoki disco zmarła na raka płuc w szpitalu na Florydzie 17 maja 2012. Miała 63 lata. Posłuchajmy jednego z jej najważniejszych przebojów pt. Hot Stuff