Pociąg w uniesieniu (2/3)

Niecierpliwi komentatorzy już po pierwszej części wyciągnęli wszystkie wnioski, a tu przed nami dopiero drugi odcinek tryptyku nt. maglevu i dalsze szczegóły techniczne. O kosztach będzie w trzecim.

Są dwa systemy maglevu: unoszenie elektrodynamiczne EDS, czyli przez przyciąganie, w którym magnesy nadprzewodzące są zamontowane w torowisku i unoszenie elektromagnetyczne EMS, czyli przez odpychanie, w którym elektromagnesy są w podwoziu wagonów. Z tego wynikają dalsze różnice i wyzwania techniczne. Japończycy skupili się na modelu nadprzewodzącym EDS według oryginalnego pomysłu Powella i Danby’ego i zbudowali pierwszy 20-kilometrowy tor testowy w pobliżu Kofu w prefekturze Yamanashi, gdzie ich pociągi pobiły absolutny rekord szybkości (581 km/h) należący przedtem do francuskiego pociągu kołowego TGV. Japoński maglev jeździ zarówno na otwartej przestrzeni jak i w głębokich tunelach górskich, bądź jako pojedyncze wagony, bądź w jednostkach spiętych nawet z pięciu i więcej wagonów naraz. Wagony mają po 90 wygodnych foteli. W bocznych ścianach betonowej rynny, w której pędzi pociąg mieszczą się bierne dipolowe pierścienie aluminiowe o zerowym przepływie, które unoszą przez podciąganie i z obu stron stabilizują pędzący pojazd bocznie. Napęd zapewnia drugi zestaw aluminiowych pierścieni wzdłuż boków rynny, stanowiących tzw. linearny motor synchroniczny (Linear Synchronous Motor, LSM). Te drugie pierścienie są już aktywne, podłączone do linii energetycznej i kontrolowane przez łącza elektroniczne. Kiedy zostają wzbudzone, prąd zmienny w pierścieniach LSM odpycha pierścienie nadprzewodzące w podwoziu pojazdu i pociąg rozpędza się wzdłuż prowadnicy. Po odwróceniu pola służy też do wyhamowania pociągu. Napęd LSM działa właściwie tak samo jak konwencjonalny synchroniczny silnik obrotowy, tyle, że jest rozwinięty wzdłuż linii, a nie zamknięty w cylindrze. Popycha wagony ze stałą prędkością, która jest zależna od częstotliwości prądu zmiennego w pierścieniach LSM, niezależnie od tego czy wiatr uderza w pociąg z przodu, z tyłu czy z boku, a także bez względu na to, czy pociąg zjeżdża po szynie w dół, czy się wspina pod górę. Zachowuje też stałą odległość między wszystkimi pojazdami na tej samej trasie. Napęd LSM jest bardzo wydajny – ponad 90% energii elektrycznej, jaką zasila się pierścienie LSM jest przekształcana w siłę, która porusza wagony. Tu warto przypomnieć, że silnik spalinowy w samochodzie wykorzystuje w ten sposób tylko ok. 10% energii spalanej benzyny, a  w samochodzie elektrycznym można uzyskać wydajność energetyczną ok. 40%.

Dobre wyobrażenie o zasadach działania maglevu i możliwościach technicznych, jakie się z tym wiążą dają załączone filmy z miniatur i zabaw, łącznie z modelami lego. Używa się w nich magnesów nadprzewodzących schładzanych do -183 st.C za pomocą ciekłego azotu, co daje widoczny efekt kondensacji  pary u podwozia wagoników. Aby wprawić model w ruch trzeba dać mu pierwszy impuls ręką. Ponieważ nie ma tarcia, wagonik krąży po torze, dopóki magnes nie ‘odmrozi się’  na tyle, że straci właściwości nadprzewodzące.

    Koleje japońskie, które są właścicielem eksperymentalnego maglevu wraz z torem prób w Yamanashi, już wydały na ten projekt kilkanaście miliardów $ i planują zbudowanie całej 500-kilometrowej trasy, która przewoziłaby codziennie 100.000 pasażerów z aglomeracji Tokio do zagłębia przemysłowego Kansai (Osaka) w ciągu jednej godziny. Miasta te łączy już od 1964 roku słynna i bardzo zasłużona superszybka kolej kołowa Shinkansen (新幹線,dosł. ‘nowa magistrala’, znana jako „pociąg-pocisk”), biegnąca wzdłuż wybrzeża, która jest jednak dość droga w eksploatacji i konserwacji. Ponad 60% projektowanej trasy maglevu, o wiele krótszej od Shinkansenu, miałaby przebiegać w głębokich tunelach pod górami w środkowej części głównej wyspy Honsiu. Przyjęto, że już sama budowa trasy maglevu ożywi gospodarczo słabiej zaludnione rejony wyspy. Ze względu jednak na astronomiczne koszty inwestycji projekt posuwa się bardzo powoli. Infrastrukturalny koszt budowy całości projektu na trasie Tokio-Osaka ocenia się na sto miliardów dolarów! Mówiąc z grubsza budowa jednego kilometra maglevu jest przynajmniej dwa razy droższa od kilometra trasy Shinkansenu, ale przejazd maglevem miałby być dwukrotnie szybszy. Do tego dochodzi koszt samych pociągów, koszty eksploatacji systemu, no i koszt prawie pół wieku eksperymentowania. Japoński maglev z Yamanashi ma za sobą wiele sprawdzonych eksperymentalnie rozwiązań, jak np. wysuwane pod pociągiem – tak jak w samolocie – koła, na których pociąg podjeżdża do stacji lub porusza się na wolniejszych odcinkach, gdzie może po prostu przejść na normalne tory istniejącej sieci kolejowej. Japoński maglev rozpędza się na torze od 0 do 500 km/h w ciągu zaledwie półtorej minuty. Testuje się na nim ciągle wszystkie skrajne warunki jazdy, a w tym np. krytyczną stabilność w chwili, gdy dwa takie pociągi będą się mijać prawie się o siebie ocierając ze zsumowaną prędkością 1026 km/h. Ogółem w Japonii maglev wyjeździł już na testach pół miliona kilometrów. Ze względu na koszty japoński entuzjazm dla maglevu wydaje się ostatnio słabnąć, a obrońcy Shinkansenu coraz śmielej podnoszą głowę twierdząc, że przewaga maglevu nie jest warta aż takich kosztów. W międzyczasie zresztą Shinkansen odzyskał jakby drugą młodość i zasługuje na osobny artykuł, podobnie jak TGV lub Pendolino.

Od strony technicznej Niemcy podeszli do maglevu inaczej. Zamiast magnesów nadprzewodzących ich system EMS, nazwany Transrapid, używa konwencjonalnych elektromagnesów działających w zwykłej temperaturze. Zużywają one mniej prądu niż wentylacja pociągu konwencjonalnego. Są zamocowane w podwoziu obejmując z obu stron szynę o przekroju w kształcie litery T. Siła magnetyczna, która unosi pojazd pochodzi z tych magnesów w podwoziu, które są zasilane z baterii pokładowych i mogą unosić wagon przez godzinę bez dopływu energii z zewnątrz. Jazda wymaga ładowania z generatorów linearnych. Powoduje to jednak ważny problem niestabilności lewitacji. W rozwiązaniu nadprzewodzącym (japońskim) mamy stabilny automatyzm: im bardziej pojazd naciska na tor, tym silniej jest odpychany. W rozwiązaniu elektromagnetycznym (niemieckim) im bardziej pojazd „wali się” na tor, tym silniej jest przyciągany. Aby zapobiec wtarciu się podwozia w szynę i przezwyciężyć tę groźną sprzeczność niemiecki Transrapid używa systemu kontroli servo, która bezustannie dostraja prąd w magnesach i to w skali tysięcznych części sekundy, tak, aby na bieżąco utrzymać właściwą odległość czyli dynamikę przyciągania i odpychania pomiędzy elektromagnesami pojazdu i stalową szyną toru. Ponieważ co do zasady elektromagnesy zużywają dużo prądu dla wytworzenia pola magnetycznego, odległość miedzy szyną, a podwoziem musi być możliwie minimalna, rzędu około 8-10 mm. To bardzo duża i niekorzystna różnica w porównaniu z japońskimi magnesami nadprzewodzącymi, które wygodnie unoszą pojazd jakieś 10-12 cm nad torem. Transrapid jest od wielu lat testowany na doświadczalnym torowisku w kształcie koła w Emsland w Niemczech, gdzie już bezpiecznie przewiózł dziesiątki a może i setki tysięcy ciekawskich pasażerów ze średnią prędkością ok. 450 km/h. Rekord pociągu z załogą na tym torze wynosi 501 km/h.

       Pierwszy i jak dotąd w pełni komercyjny system Transrapid na świecie zbudowano w Szanghaju w Chinach w roku 2003, na 31-kilometrowym odcinku między lotniskiem, a dzielnicą Pudong. Podróż trwa tylko 7 minut i 20 sekund, a maksymalna szybkość pociągu wynosi 430 km/h. Bilet kosztuje ok. 5 euro (2x drożej niż autobus) ale jest to linia nadal silnie dotowana przez państwo, traktowana jako techniczna ciekawostka i wizytówka Chin dla imponowania ‘długonosym’ (tzn. cudzoziemcom).  Niemcy (Siemens) budują także w Chinach drugą, dłuższą linię komercyjną. Ma ona wydłużyć istniejącą linię Pudong o ponad 200 km i połączyć Szanghaj z historycznym i przepięknie położonym na jeziorze miastem Hangczou, zwanym „stolicą poetów”, w prowincji Zhejiang, które ma szansę stać się światowym hitem turystycznym. Budowa nowego odcinka jest już właściwie ukończona, a podróż z Szanghaju do Hangczou, dziś obsługiwana przez ekspres i trwająca ponad 2 godziny, zostanie skrócona do około 25 minut. Za częściowo komercyjną można też uznać nadal czynną Linimo, o długości 8900 m, jaka po wystawie Expo 2005 pozostała w pobliżu Nagoi w Japonii. Wcześniej próbowano też budować maglev komercyjny w Europie: w Birmingham (1984-95) i w Berlinie (1989-91). Wszędzie sprawa potyka się głównie o zwrot z inwestycji. Same koszty operacyjne, jak już pisałem wcześniej, są zaskakująco małe, aczkolwiek w praktyce nadal wyższe od oczekiwanych.

       Japoński maglev nadprzewodzący wydaje się technicznie rozwiązaniem lepszym od niemieckiego, elektromagnetycznego. Dużo większy prześwit między torem a podwoziem zapewnia bezpieczeństwo i łagodzi problem ewentualnych zaśnieżeń lub oblodzeń otwartej trasy w warunkach zimnego klimatu. Pozwala też na dużo większą tolerancję w dokładności wyprofilowania torowiska, co zmniejsza koszt jego budowy i utrzymania. Ponadto pozwala na przewożenie ciężkich naczep i pojemników, a więc towarów, a nie tylko pasażerów, przez co jego komercyjna wydajność może być dużo większa. Najważniejsze jednak, że w prostszy, automatyczny sposób zapewnia pełne bezpieczeństwo działania. (cdn.)

Bogusław Jeznach

W tekst tego wpisu wplatam kolejno następujące filmy:

1. Krótki film z animacją modeli i schematami maglevu

2. Pokaz modeli maglevu przez zespół inżynierski z Drezna

3. Linear Motor Car, jazda próbna na torze Yamanashi

4. Amatorski film z przejażdżki maglevem w Szanghaju