I treni a levitazione magnetica utilizzano il magnetismo per levitare sopra i binari su cui viaggiano. Sono più veloci, più efficienti e più rispettosi dell’ambiente dei moderni treni a ruote. Può darsi che un giorno, presto, la tecnologia maglev diventerà comune in tutto il mondo. Questo articolo esamina la storia di questi treni, come funzionano, nonché i loro vantaggi e svantaggi. Discute anche l’importanza dell’ingegneria elettrica nello sviluppo del maglev e come gli ingegneri elettrici possono trasformare questa tecnologia nella prossima rivoluzione dei trasporti.

Introduzione

Immagina un treno senza ruote. Invece di rotolare lungo la pista, galleggia silenziosamente sopra e scivola dolcemente dall’origine alla destinazione senza mai toccare un binario. Può sembrare fantascienza, ma esistono già esempi di questa tecnologia in un certo numero di posti nel mondo. Sono conosciuti come treni a levitazione magnetica (derivati dal termine levitazione magnetica). Queste locomotive futuristiche offrono molte nuove ed entusiasmanti possibilità di viaggio. Hanno il potenziale per essere più veloci, più sicuri e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai sistemi di trasporto tradizionali. Sebbene tali treni siano pochi e lontani tra loro fino ad ora, sono un focolaio di ricerca nella comunità dell’ingegneria elettrica. Di conseguenza, maglev potrebbe essere un luogo comune prima di quanto si pensi.

Storia di Maglev

Le idee fondamentali alla base della tecnologia maglev possono essere fatte risalire all’inizio del XX secolo. Molto lavoro è stato dedicato alla posa delle basi per questi treni, compreso lo sviluppo di motori elettrici e la ricerca nel magnetismo. Alcuni scienziati, vale a dire Robert Goddard ed Emile Bachelet, hanno persino osato proporre un veicolo che galleggiava utilizzando magneti (Yadav, 2013). Nel 1934, un tedesco di nome Hermann Kemper ottenne un brevetto per il primo concetto di treno levitante magnetico (Yadav, 2013). Fu solo negli anni ’60 che l’idea iniziò a manifestarsi davvero. In questo momento, la Germania e il Giappone iniziarono a ricercare il potenziale del maglev. Durante gli anni ’70 e ’80, entrambi i paesi hanno fatto grandi progressi nello sviluppo di questi treni. La Germania ha costruito e testato una serie di prototipi di sistemi maglev e ha chiamato il loro progetto TransRapid (Figura 1). I treni hanno raggiunto velocità di oltre 250 mph (402 km / h) sulla pista di prova (Luu, 2005). Il Giappone ha anche testato due serie di propri progetti, denominate ML-500 e successivamente MLU. I loro treni erano in grado di superare i 300 mph (483 km / h) (Luu, 2005).

Figura 1

Transrapid sul centro di test in Germania vicino a Brema. Fonte: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Il Giappone ha continuato lo sviluppo della sua tecnologia maglev negli anni ’90 e oltre. Hanno testato una nuova serie, chiamata MLX, che ha superato i 350 mph (563 km / h) nel 2003 (Yadav, 2013). Non sono state stabilite linee commerciali nel paese, ma stanno ancora effettuando ricerche. In Germania, nel 1992 è stata proposta una linea TransRapid commerciale che collegava Berlino e Amburgo. Tuttavia, nel 2000, il governo ha chiuso il progetto (Luu, 2005). Non tutto è andato perduto, però, poiché i cinesi se ne accorsero e commissionarono ai tedeschi la costruzione di un treno TransRapid a Shanghai. Lo Shanghai Maglev (Figura 2), risultato di questa impresa, è ora l’unico treno a levitazione magnetica ad alta velocità in uso commerciale. Trasporta i passeggeri per una distanza di 19 miglia (30 km) in 8 minuti, raggiungendo una velocità massima di oltre 250 mph (431 km / h) (Coates, 2004). Così la Cina è diventata rapidamente un grande attore nel mercato mondiale del maglev. Il paese prevede di continuare lo sviluppo della sua infrastruttura maglev.

Figura 2

Shanghai Maglev in partenza dall’aeroporto internazionale di Pudong, con la mappa ferroviaria della Shanghai Transit Map che mostra il percorso per Longyang Road. Fonti del collage: © Alex Needham / Public Domain e Metropedia

Come funziona?

I treni Maglev non hanno ruote o binari. Come mostrato nella Figura 3, hanno guide e fluttuano lungo queste guide senza mai toccarle.

Figura 3

Confronto tra ruota-rotaia e guide. Fonte: Autore, derivato da Lee (2006).

Ci sono tre parti essenziali per ottenere la funzionalità del maglev: levitazione, propulsione e guida (come mostrato di seguito).

Figura 4

Levitazione, propulsione e guida in maglev. Fonte: Autore, derivato da Lee (2006).

Levitazione

La levitazione è la capacità del treno di rimanere sospeso sopra i binari. Esistono due importanti tipi di tecnologia di levitazione:

• Sospensione elettromagnetica (EMS): EMS (Figura 5) utilizza la forza di attrazione degli elettromagneti posti sulla guida e sul treno per ottenere la levitazione.I vantaggi di questo metodo sono che è più semplice da implementare rispetto alla sospensione elettrodinamica (discussa di seguito) e che mantiene la levitazione a velocità zero. Gli svantaggi sono che il sistema è intrinsecamente instabile. Ad alte velocità, diventa difficile mantenere la distanza corretta tra il treno e la guida. Se questa distanza non può essere mantenuta, il treno non riuscirà a levitare e si fermerà. Per tenere conto di ciò, EMS richiede complessi sistemi di controllo del feedback per garantire che il treno sia sempre stabile (Lee, 2006).

Figura 5

Sospensione elettromagnetica (EMS). Utilizza forze magnetiche attraenti. Fonte: Autore, derivato da Lee (2006).

• Sospensione elettrodinamica (EDS): EDS (Figura 6) utilizza la forza repulsiva dei magneti (superconduttori) posti sulla guida e sul treno per raggiungere la levitazione. I magneti si muovono l’uno sull’altro mentre il treno è in movimento e generano la forza repulsiva. I vantaggi di questo metodo sono che è incredibilmente stabile alle alte velocità. Il mantenimento della distanza corretta tra il treno e la guida non è un problema (Lee, 2006). Gli svantaggi sono che è necessario aumentare una velocità sufficiente per far levitare il treno. Inoltre, questo sistema è molto più complesso e costoso da implementare.

Figura 6

Sospensione elettrodinamica (EDS). Utilizza forze magnetiche repulsive. Fonte: Autore, derivato da Lee (2006).

Propulsione

La propulsione è la forza che spinge il treno in avanti. Maglev utilizza un motore lineare elettrico per ottenere la propulsione. Un normale motore rotativo elettrico utilizza il magnetismo per creare coppia e far ruotare un asse. Ha un pezzo fermo, lo statore, che circonda un pezzo rotante, il rotore. Lo statore viene utilizzato per generare un campo magnetico rotante. Questo campo induce una forza di rotazione sul rotore, che lo fa girare. Un motore lineare è semplicemente una versione srotolata di questo (vedere la Figura 7). Lo statore è piatto e il rotore si trova sopra di esso. Invece di un campo magnetico rotante, lo statore genera un campo che viaggia lungo la sua lunghezza. Allo stesso modo, invece di una forza rotante, il rotore subisce una forza lineare che lo spinge verso il basso nello statore. Pertanto, un motore elettrico lineare produce direttamente il movimento in linea retta. Tuttavia, questo motore può produrre una forza solo mentre il rotore è sopra lo statore. Una volta che il rotore ha raggiunto la fine, smette di muoversi.

Figura 7

Motore rotativo contro motore lineare. Fonte: autore, derivato da Lee (2006).

Quando si descrive un motore lineare, lo standard è quello di utilizzare il termine “primario” invece di “statore” e “secondario” invece di “rotore”. Nei treni a levitazione magnetica, il secondario è fissato alla parte inferiore dei vagoni e il primario è nella guida. Quindi un campo magnetico viene inviato lungo la guida e trascina il treno dopo di esso. In un certo senso, quindi, l’intera lunghezza di un binario a levitazione magnetica può essere considerata parte del motore del treno. Il sistema che è stato descritto finora è un motore a induzione lineare (LIM). È così chiamato perché il campo magnetico nel primario induce un campo magnetico nel secondario. È l’interazione tra il campo originale e il campo indotto che fa sì che il secondario venga trascinato. Tuttavia, in questa configurazione, il secondario è sempre leggermente indietro rispetto al campo mobile del primario. Questo ritardo è una fonte di energia e perdita di velocità. In un motore sincrono lineare (LSM), il ritardo viene rimosso attaccando magneti permanenti al secondario. Poiché il secondario ora produce il proprio campo magnetico stazionario, viaggia lungo il primario in sincronia con il campo in movimento, da cui il nome di questa variante del motore (Gieras, 2011). Poiché gli LSM sono più veloci ed efficienti, sono il motore di scelta nei treni maglev ad alta velocità (Lee, 2006).

Guida

La guida è ciò che mantiene il treno centrato sul binario di guida. Per il maglev ad alta velocità, vengono utilizzate forze magnetiche repulsive per raggiungere questo obiettivo (Figura 8). Nel TransRapid, ci sono due binari elettromagnetici posizionati sul treno rivolti su entrambi i lati della guida. Questi binari impediscono al treno di spostarsi troppo fuori rotta (Lee, 2006). Nell’MLX, la guida è accoppiata al sistema di levitazione. I binari di levitazione su entrambi i lati del treno sono collegati tra loro. Tramite questo collegamento, quando il treno si avvicina ad un lato, viene indotta una forza di ripristino che lo spinge indietro verso il centro. Così l’MLX viene levitato e guidato allo stesso tempo (Lee, 2006).

Figura 8

Sistema di guida di Transrapid e MLX. Entrambi usano magneti repulsivi. Fonte: Autore, derivato da Lee (2006).

Benefici del Maglev

L’attrazione più evidente dei treni a levitazione magnetica è che possono viaggiare più velocemente dei treni ferroviari tradizionali. L’unico maglev commerciale ad alta velocità, lo Shanghai Maglev, è ora il treno più veloce esistente.Viaggia oltre 50 mph (80 km / h) più velocemente della rotaia ad alta velocità più veloce (320 km / h Hayabusa, 2013). Ed è solo il primo. La mancanza di attrito tra il treno e la guida rimuove molti limiti che univano i treni tradizionali. Maglev diventerà solo più veloce da qui (Luu, 2005). Ci sono altre qualità più sottili che rendono anche il maglev attraente:

• Longevità: le ruote e i binari convenzionali subiscono una grande quantità di stress nel tempo. Devono essere sostituiti e riparati periodicamente per rimanere funzionali. In maglev, non c’è contatto tra il treno e la guida, quindi c’è sostanzialmente meno usura. La durata di vita delle parti maglev è opportunamente molto più lunga a causa di questo fatto (Powell, 2003). Dal punto di vista economico, questo è un vero incentivo, poiché la riparazione e la manutenzione sono attività costose e che richiedono tempo.
• Sicurezza: potrebbe sembrare controintuitivo che questi treni siano più sicuri, poiché viaggiano molto più velocemente dei loro ruote controparti. Tuttavia è vero. I treni a levitazione magnetica sono quasi impossibili da deragliare (Luu, 2005). Ci vorrebbe qualcosa come il collasso completo della guida per separare un treno dal suo binario. Inoltre, il tempo non è un grosso problema. Dal momento che i treni non fanno affidamento sull’attrito per il movimento, la neve, il ghiaccio e la pioggia hanno effetti minimi o nulli (Luu, 2005). Infine, è facile sollevare le guide. Se i treni stanno viaggiando su binari a tre metri dal suolo, c’è una minore possibilità di collisione con un oggetto sul suo percorso (Luu, 2005).
• Efficienza energetica: un altro vantaggio della levitazione è che questi treni non perdere energia per attrito. Questo dà loro un vantaggio in termini di efficienza (Wang 2010). Il consumo di energia è essenziale per il successo di un sistema di trasporto. Gran parte del costo di esercizio va a pagare per l’energia elettrica. Pertanto questo vantaggio in termini di efficienza è molto importante. Tuttavia, mentre i treni a levitazione magnetica sono più efficienti, attualmente non sono sostanzialmente più efficienti dei moderni treni ad alta velocità. Tuttavia, hanno il potenziale per essere di gran lunga superiori in questa categoria.
• Impatto ambientale: i treni Maglev possono effettuare curve più strette rispetto ai binari ad alta velocità. Ciò consente di costruire guide che possono navigare molto meglio nel terreno (Wang 2010). I percorsi possono essere progettati per avere il minor impatto possibile sull’ambiente. Inoltre, le guide occupano meno spazio rispetto alle rotaie (Wang 2010). Ciò riduce ulteriormente l’impatto ambientale. E, come notato prima, le guide possono essere facilmente sollevate da terra (Luu, 2005). Piante e animali allo stesso modo sono più sicuri con il treno che viaggia sopra di loro e non si precipita proprio accanto a loro.
• Inquinamento acustico: quando si considera un progetto di trasporto, il rumore (entro limiti ragionevoli) non è così grande una preoccupazione come economia o sicurezza. Tuttavia, la riduzione del rumore è ancora considerata una caratteristica positiva. I treni Maglev sono più silenziosi dei treni contemporanei, quindi questo è un altro punto a loro favore (Wang, 2010).

Inconvenienti di Maglev

Sebbene ci siano molti vantaggi, ci sono ancora i motivi per cui i treni a levitazione magnetica non vengono costruiti ovunque. Forse il motivo principale è che le guide a levitazione magnetica non sono compatibili con l’infrastruttura ferroviaria esistente. Qualsiasi organizzazione che tenti di implementare un sistema maglev deve partire da zero e costruire una serie di binari completamente nuova. Ciò comporta un investimento iniziale molto elevato (Coates, 2004). Anche se le guide costano meno delle rotaie nel tempo (Powell, 2003), è difficile giustificare una spesa così elevata in anticipo. Un altro problema è che i treni a levitazione magnetica viaggiano veloci, ma potrebbero non viaggiare abbastanza velocemente. I paesi con binari ad alta velocità già installati non vogliono spendere miliardi di dollari per implementare un sistema che è solo marginalmente migliore della soluzione esistente. Il mercato per questi treni non è molto ampio al momento. È difficile contestare che questi treni siano superiori a quelli standard. Indipendentemente da ciò, è necessario fare più lavoro prima che valga la pena implementarli in tutto il mondo.

Ingegneria elettrica a Maglev

Sin dai tempi del motore a vapore, i treni sono stati tradizionalmente nel dominio degli ingegneri meccanici . Erano tutti motori e assi, ruote e motori. Tuttavia, l’introduzione della tecnologia maglev ha infranto quella tradizione. Lo sviluppo di questi treni ha richiesto input da una serie di campi diversi dall’ingegneria meccanica, tra cui fisica e chimica. Soprattutto, però, ha portato gli ingegneri elettrici al tavolo. Fin dall’inizio, gli ingegneri elettrici sono stati i principali contributori allo sviluppo della tecnologia maglev. Eric Laithwaite, un ingegnere elettrico, ha sviluppato il primo motore a induzione lineare, un precursore importante e necessario dei treni a levitazione magnetica. Hermann Kemper, che molti credono essere il padre di maglev, era anche un ingegnere elettrico. Gli ingegneri elettrici tedeschi e giapponesi hanno lavorato per stabilire i programmi maglev nelle rispettive nazioni.E oggi, gli ingegneri elettrici stanno migliorando la tecnologia in modo che possa attrarre paesi di tutto il mondo. I treni Maglev hanno sorprendentemente poche parti mobili. Riguardano le correnti elettriche, i magneti e gli anelli di filo. Alcuni argomenti importanti del campo sono i campi e le onde elettromagnetiche, la teoria dei circuiti, i sistemi di controllo del feedback e l’ingegneria energetica. Tutti questi rientrano nella competenza degli ingegneri elettrici. Pertanto sono gli ingegneri elettrici che sono necessari per risolvere i maggiori problemi che questa tecnologia deve affrontare. I treni devono essere resi più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico. Per tutto il tempo devono essere mantenuti entro i confini della sicurezza. Le guide devono essere rese più economiche, più facili da implementare e forse più compatibili con le guide esistenti. I sistemi di controllo devono essere resi impeccabili. Tutti questi problemi e molti altri richiedono che un ingegnere elettrico venga a svelare le loro risposte.

Il futuro di Maglev

La tecnologia Maglev è una grande promessa per il futuro. Ha il potenziale per essere un mezzo di trasporto più economico, più veloce, più sicuro e più verde di quello che abbiamo oggi. E con l’aiuto di alcuni ingegneri elettrici, diventerà tutto questo. Ci sono possibili applicazioni per questa tecnologia in qualsiasi cosa, dal trasporto pubblico interurbano ai viaggi attraverso il paese. Ci sono anche proposte per costruire lunghi tubi sotterranei, aspirare l’aria dai tubi e posizionare i treni a levitazione magnetica al loro interno. In questo contesto non ci sarebbe praticamente nessuna resistenza al vento, quindi un treno potrebbe facilmente raggiungere velocità superiori alla velocità del suono (Thornton, 2007). Sebbene possa passare molto tempo prima che questa tecnologia diventi prevalente, è difficile negare che ad un certo punto sarà prevalente. I vantaggi sono troppo difficili da ignorare. Al momento è in uso un solo treno a levitazione magnetica commerciale, che ha già eclissato tutto ciò che è venuto prima. In che modo questa tecnologia si evolverà e migliorerà mentre ci spostiamo nel futuro? Solo il tempo lo dirà. Ma è altamente plausibile che ora siamo sull’orlo di una rivoluzione dei trasporti. Io, per esempio, non vedo l’ora di planare attraverso la campagna a 300 mph in una scatola di magneti levitante.

Bibliografia

Link suggeriti

Vedi anche

• Veicoli autonomi
• Batterie elettriche per energia rinnovabile
• Infrastruttura intelligente