Los trenes de maglev usan el magnetismo para levitar sobre las vías por las que viajan. Son más rápidos, más eficientes y más ecológicos que los trenes de ruedas modernos. Puede ser que algún día, pronto, la tecnología de levitación magnética sea algo común en todo el mundo. Este artículo revisa la historia de estos trenes, cómo funcionan, así como sus beneficios e inconvenientes. También analiza la importancia de la ingeniería eléctrica en el desarrollo de levitación magnética y cómo los ingenieros eléctricos pueden hacer de esta tecnología la próxima revolución del transporte.

Introducción

Imagine un tren sin ruedas. En lugar de rodar por la vía, flota silenciosamente y se desliza suavemente desde el origen hasta el destino sin ni siquiera tocar un riel. Esto puede parecer ciencia ficción, pero ya existen instancias de esta tecnología en varios lugares del mundo. Se conocen como trenes de levitación magnética (derivado del término levitación magnética). Estas locomotoras futuristas ofrecen muchas posibilidades nuevas y emocionantes para viajar. Tienen el potencial de ser más rápidos, más seguros y más eficientes energéticamente que los sistemas de transporte convencionales. Aunque estos trenes son pocos y distantes entre sí, son un semillero de investigación en la comunidad de ingenieros eléctricos. Como resultado, el maglev puede ser algo común antes de lo que piensas.

Historia del maglev

Las ideas fundamentales detrás de la tecnología del maglev se remontan a principios del siglo XX. Se trabajó mucho para sentar las bases para estos trenes, incluido el desarrollo de motores eléctricos y la investigación del magnetismo. Algunos científicos, a saber, Robert Goddard y Emile Bachelet, incluso se atrevieron a proponer un vehículo que flotaría usando imanes (Yadav, 2013). En 1934, un alemán de nombre Hermann Kemper recibió una patente para el primer concepto de un tren magnético levitando (Yadav, 2013). No fue hasta la década de 1960 que la idea realmente comenzó a manifestarse. En este momento, Alemania y Japón comenzaron a investigar el potencial del levitación magnética. Durante los años 70 y 80, ambos países hicieron grandes avances en el desarrollo de estos trenes. Alemania construyó y probó una serie de prototipos de sistemas de levitación magnética y llamó a su diseño TransRapid (Figura 1). Los trenes alcanzaron velocidades de más de 402 kph (250 mph) en la pista de prueba (Luu, 2005). Japón también probó dos series de sus propios diseños, llamados ML-500 y más tarde MLU. Sus trenes pudieron superar las 300 mph (483 kph) (Luu, 2005).

Figura 1

Transrapid en un centro de pruebas en Alemania cerca de Bremen. Fuente: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Japón continuó desarrollando su tecnología de levitación magnética en los años 90 y más allá. Probaron una nueva serie, llamada MLX, que superó las 350 mph (563 kph) en 2003 (Yadav, 2013). No se han establecido líneas comerciales en el país, pero aún se están realizando investigaciones. En Alemania, en 1992 se propuso una línea comercial TransRapid que conectaba Berlín y Hamburgo. Sin embargo, en 2000, el gobierno cerró el proyecto (Luu, 2005). Sin embargo, no todo estaba perdido, ya que los chinos se dieron cuenta y encargaron a los alemanes la construcción de un tren TransRapid en Shanghai. El Shanghai Maglev (Figura 2), que resultó de esta empresa, es ahora el único tren maglev de alta velocidad en uso comercial. Transporta pasajeros a una distancia de 19 millas (30 km) en 8 minutos, alcanzando una velocidad máxima de más de 250 mph (431 kph) (Coates, 2004). Por lo tanto, China se ha convertido rápidamente en un actor importante en el mercado mundial de levitación magnética. El país planea continuar el desarrollo de su infraestructura de levitación magnética.

Figura 2

Shanghai Maglev saliendo del aeropuerto internacional de Pudong, con el mapa ferroviario del Shanghai Transit Map que muestra la ruta a Longyang Road. Fuentes de collage: © Alex Needham / Public Domain y Metropedia

¿Cómo funciona?

Los trenes Maglev no tienen ruedas ni rieles. Como se muestra en la Figura 3, tienen guías, y flotan por estas guías sin tocarlas.

Figura 3

Comparación de riel-rueda frente a carriles-guía. Fuente: Autor, derivado de Lee (2006).

Hay tres partes esenciales para lograr la funcionalidad de levitación magnética: levitación, propulsión y guía (como se ve a continuación).

Figura 4

Levitación, propulsión y guía en levitación magnética. Fuente: Autor, derivado de Lee (2006).

Levitación

La levitación es la capacidad del tren de permanecer suspendido sobre la vía. Hay dos tipos importantes de tecnología de levitación:

• Suspensión electromagnética (EMS): EMS (Figura 5) utiliza la fuerza de atracción de los electroimanes colocados en la vía guía y en el tren para lograr la levitación.Los beneficios de este método son que es más sencillo de implementar que la suspensión electrodinámica (que se analiza a continuación) y que mantiene la levitación a velocidad cero. Los inconvenientes son que el sistema es inherentemente inestable. A altas velocidades, resulta difícil mantener la distancia correcta entre el tren y la vía guía. Si no se puede mantener esta distancia, el tren no levitará y se detendrá con un chirrido. Para tener en cuenta esto, EMS requiere complejos sistemas de control de retroalimentación para garantizar que el tren esté siempre estable (Lee, 2006).

Figura 5

Suspensión electromagnética (EMS). Utiliza fuerzas magnéticas atractivas. Fuente: Autor, derivado de Lee (2006).

• Suspensión electrodinámica (EDS): EDS (Figura 6) utiliza la fuerza repulsiva de imanes (superconductores) colocados en la vía guía y en el tren para lograr la levitación. Los imanes se mueven uno al lado del otro mientras el tren está en marcha y generan la fuerza repulsiva. Los beneficios de este método son que es increíblemente estable a altas velocidades. Mantener la distancia correcta entre el tren y la vía guía no es una preocupación (Lee, 2006). Los inconvenientes son que es necesario aumentar la velocidad suficiente para que el tren levite. Además, este sistema es mucho más complejo y costoso de implementar.

Figura 6

Suspensión electrodinámica (EDS). Utiliza fuerzas magnéticas repulsivas. Fuente: Autor, derivado de Lee (2006).

Propulsión

La propulsión es la fuerza que impulsa el tren hacia adelante. Maglev utiliza un motor lineal eléctrico para lograr la propulsión. Un motor rotativo eléctrico normal usa magnetismo para crear torque y hacer girar un eje. Tiene una pieza estacionaria, el estator, que rodea una pieza giratoria, el rotor. El estator se utiliza para generar un campo magnético giratorio. Este campo induce una fuerza de rotación en el rotor, lo que hace que gire. Un motor lineal es simplemente una versión desenrollada de esto (ver Figura 7). El estator se coloca plano y el rotor descansa sobre él. En lugar de un campo magnético giratorio, el estator genera un campo que viaja a lo largo de su longitud. De manera similar, en lugar de una fuerza de rotación, el rotor experimenta una fuerza lineal que lo empuja hacia abajo del estator. Por tanto, un motor eléctrico lineal produce directamente movimiento en línea recta. Sin embargo, este motor solo puede producir una fuerza mientras el rotor está por encima del estator. Una vez que el rotor llega al final, deja de moverse.

Figura 7

Motor rotativo versus motor lineal. Fuente: Autor, derivado de Lee (2006).

Al describir un motor lineal, el estándar es usar el término «primario» en lugar de «estator» y «secundario» en lugar de «rotor». En los trenes de levitación magnética, el secundario está unido a la parte inferior de los vagones del tren y el principal está en la vía guía. Entonces, un campo magnético se envía por la vía guía y arrastra al tren detrás de él. Entonces, en cierto modo, toda la longitud de una vía de levitación magnética puede considerarse parte del motor del tren. El sistema que se ha descrito hasta ahora es un Motor de Inducción Lineal (LIM). Se llama así porque el campo magnético en el primario induce un campo magnético en el secundario. Es la interacción entre el campo original y el campo inducido lo que hace que el secundario sea arrastrado. Sin embargo, en esta configuración, el secundario siempre va un poco por detrás del campo móvil en el primario. Este retraso es una fuente de pérdida de energía y velocidad. En un motor síncrono lineal (LSM), el retraso se elimina conectando imanes permanentes al secundario. Debido a que el secundario ahora está produciendo su propio campo magnético estacionario, viaja por el primario en sincronía con el campo en movimiento, de ahí el nombre de esta variante de motor (Gieras, 2011). Debido a que los LSM son más rápidos y eficientes, son el motor de elección en los trenes de levitación magnética de alta velocidad (Lee, 2006).

Guía

La guía es lo que mantiene el tren centrado sobre el carril-guía. Para maglev de alta velocidad, se utilizan fuerzas magnéticas repulsivas para lograr esto (Figura 8). En el TransRapid, hay dos rieles electromagnéticos colocados en el tren que miran a ambos lados de la guía. Estos rieles evitan que el tren se desvíe demasiado de su curso (Lee, 2006). En el MLX, la guía se combina con el sistema de levitación. Los rieles de levitación a ambos lados del tren están conectados entre sí. A través de esta conexión, cuando el tren se acerca a un lado, se induce una fuerza de recuperación que lo empuja hacia el centro. Por lo tanto, el MLX levita y se guía al mismo tiempo (Lee, 2006).

Figura 8

Sistema de guiado de Transrapid y MLX. Ambos usan imanes repulsivos. Fuente: Autor, derivado de Lee (2006).

Beneficios de Maglev

El atractivo más obvio de los trenes de maglev es que pueden viajar más rápido que los trenes de ferrocarril tradicionales. El único maglev comercial de alta velocidad, el Shanghai Maglev, es ahora el tren más rápido que existe.Viaja a más de 80 kph (50 mph) más rápido que el riel de rueda de alta velocidad más rápido (Hayabusa de 320 kph, 2013). Y es solo el primero. La falta de fricción entre el tren y la vía guía elimina muchos límites que limitaban a los trenes tradicionales. Maglev solo se volverá más rápido desde aquí (Luu, 2005). Hay otras cualidades más sutiles que también hacen atractivo el maglev:

• Longevidad: las ruedas y rieles convencionales sufren mucho estrés con el tiempo. Deben reemplazarse y repararse periódicamente para que sigan funcionando. En maglev, no hay contacto entre el tren y la vía guía, por lo que hay un desgaste sustancialmente menor. La vida útil de las piezas de levitación magnética es mucho más prolongada debido a este hecho (Powell, 2003). Económicamente, esto es un gran incentivo, ya que la reparación y el mantenimiento son actividades costosas y que requieren mucho tiempo.
• Seguridad: puede parecer contradictorio que estos trenes sean más seguros, ya que viajan mucho más rápido que sus ruedas. contrapartes. Sin embargo, es cierto. Los trenes Maglev son casi imposibles de descarrilar (Luu, 2005). Se necesitaría algo así como el colapso total de la vía para separar un tren de su vía. Además, el clima no es un gran problema. Dado que los trenes no dependen de la fricción para moverse, la nieve, el hielo y la lluvia causan poco o ningún efecto (Luu, 2005). Finalmente, es fácil elevar las guías. Si los trenes circulan sobre vías a diez pies sobre el suelo, existe una menor posibilidad de colisión con un objeto en su camino (Luu, 2005).
• Eficiencia energética: Otro beneficio de la levitación es que estos trenes no pierdas energía por la fricción. Esto les da una ventaja en eficiencia (Wang 2010). El consumo de energía es esencial para el éxito de un sistema de transporte. Gran parte del costo de operar uno se destina a pagar la energía. Por lo tanto, esta ventaja en la eficiencia es muy importante. Sin embargo, aunque los trenes de levitación magnética son más eficientes, actualmente no son sustancialmente más eficientes que los modernos trenes de alta velocidad. Sin embargo, tienen el potencial de ser muy superiores en esta categoría.
• Impacto ambiental: los trenes Maglev pueden hacer giros más cerrados que los rieles de alta velocidad. Esto permite la construcción de guías que pueden navegar mucho mejor por el terreno (Wang 2010). Los caminos se pueden diseñar para que tengan el menor efecto posible sobre el medio ambiente. Las guías también ocupan menos área que los rieles (Wang 2010). Esto reduce aún más el impacto medioambiental. Y, como se señaló anteriormente, las guías se elevan fácilmente del suelo (Luu, 2005). Tanto las plantas como los animales están más seguros si el tren viaja por encima de ellos y no pasa rápidamente junto a ellos.
• Contaminación acústica: al considerar un proyecto de transporte, el ruido (dentro de límites razonables) no es tan grande una preocupación como la economía o la seguridad. Sin embargo, la reducción de ruido todavía se considera una característica positiva. Los trenes Maglev son más silenciosos que los trenes contemporáneos, por lo que este es otro punto a su favor (Wang, 2010).

Inconvenientes de Maglev

Aunque hay muchas ventajas, existen siguen siendo razones por las que los trenes de levitación magnética no se están construyendo en todas partes. Quizás la razón más importante es que las guías de levitación magnética no son compatibles con la infraestructura ferroviaria existente. Cualquier organización que intente implementar un sistema de levitación magnética debe comenzar desde cero y construir un conjunto de pistas completamente nuevo. Esto implica una inversión inicial muy alta (Coates, 2004). Aunque las guías cuestan menos que los rieles a lo largo del tiempo (Powell, 2003), es difícil justificar un gasto tanto por adelantado. Otro problema es que los trenes maglev viajan rápido, pero es posible que no viajen lo suficientemente rápido. Los países que ya cuentan con rieles de alta velocidad no quieren gastar miles de millones de dólares en implementar un sistema que es solo un poco mejor que la solución existente. El mercado de estos trenes no es muy grande en este momento. Es difícil negar que estos trenes son superiores a los estándar. Independientemente, es necesario trabajar más antes de que valga la pena implementarlos en todo el mundo.

Ingeniería eléctrica en Maglev

Desde la máquina de vapor, los trenes han estado tradicionalmente en el dominio de los ingenieros mecánicos. . Todos eran motores y ejes, ruedas y motores. Sin embargo, la introducción de la tecnología maglev ha roto esa tradición. El desarrollo de estos trenes ha requerido aportaciones de varios campos diferentes además de la ingeniería mecánica, incluida la física y la química. Sin embargo, lo más importante es que ha traído ingenieros eléctricos a la mesa. Desde el principio, los ingenieros eléctricos han contribuido de manera importante al desarrollo de la tecnología maglev. Eric Laithwaite, ingeniero eléctrico, desarrolló el primer motor de inducción lineal, un precursor importante y necesario de los trenes maglev. Hermann Kemper, quien muchos creen que es el padre del levitación magnética, también fue ingeniero eléctrico. Los ingenieros eléctricos alemanes y japoneses trabajaron para establecer los programas de levitación magnética en sus respectivos países.Y hoy en día, los ingenieros eléctricos están mejorando cada vez más la tecnología para que pueda atraer a países de todo el mundo. Los trenes Maglev tienen sorprendentemente pocas partes móviles. Se tratan de corrientes eléctricas, imanes y bucles de alambre. Algunos temas importantes para el campo son los campos y ondas electromagnéticos, la teoría de circuitos, los sistemas de control de retroalimentación y la ingeniería energética. Todos estos caen bajo la experiencia de los ingenieros eléctricos. Por lo tanto, son los ingenieros eléctricos los que se necesitan para resolver los mayores problemas que enfrenta esta tecnología. Los trenes deben hacerse más rápidos y más eficientes energéticamente. Mientras tanto, deben mantenerse dentro de los límites de seguridad. Las guías deben hacerse más baratas, más fáciles de implementar y quizás más compatibles con los rieles existentes. Los sistemas de control deben ser impecables. Todos estos problemas y más están pidiendo a un ingeniero eléctrico que venga a desentrañar sus respuestas.

El futuro de Maglev

La tecnología Maglev es una gran promesa para el futuro. Tiene el potencial de ser una forma de transporte más barata, rápida, segura y ecológica que la que tenemos hoy. Y con la ayuda de algunos ingenieros eléctricos, se convertirá en todas estas cosas. Hay posibles aplicaciones para esta tecnología en cualquier cosa, desde el transporte público interurbano hasta viajes a través del país. Incluso hay propuestas para construir largos tubos subterráneos, succionar el aire de los tubos y colocar trenes de levitación magnética dentro de ellos. En este entorno, prácticamente no habría resistencia al viento, por lo que un tren podría alcanzar fácilmente velocidades superiores a la velocidad del sonido (Thornton, 2007). Si bien puede pasar mucho tiempo antes de que esta tecnología se vuelva predominante, es difícil negar que en algún momento prevalecerá. Las ventajas son demasiado difíciles de ignorar. A partir de ahora solo hay un tren comercial de levitación magnética en uso, y ya ha eclipsado todo lo que ha venido antes. ¿Cómo evolucionará y mejorará esta tecnología a medida que avanzamos hacia el futuro? Sólo el tiempo dirá. Pero es muy plausible que ahora estemos al borde de una revolución del transporte. Yo, por mi parte, espero deslizarme por el campo a 300 mph en una caja de imanes que levita.

Bibliografía

Enlaces sugeridos

Ver también

• Vehículos autónomos
• Baterías eléctricas para energías renovables
• Infraestructura inteligente