Os trens Maglev usam magnetismo para levitar acima dos trilhos nos quais viajam. Eles são mais rápidos, mais eficientes e mais ecológicos do que os trens de rodas modernos. Pode ser que, um dia em breve, a tecnologia maglev seja comum em todo o mundo. Este artigo revisa a história desses trens, como eles funcionam, bem como suas vantagens e desvantagens. Ele também discute a importância da engenharia elétrica no desenvolvimento do maglev e como os engenheiros elétricos podem fazer dessa tecnologia a próxima revolução do transporte.

Introdução

Imagine um trem sem rodas. Em vez de rolar ao longo dos trilhos, ele flutua silenciosamente acima e desliza suavemente da origem ao destino, sem nunca tocar um trilho. Isso pode soar como ficção científica, mas exemplos dessa tecnologia já existem em vários lugares do mundo. Eles são conhecidos como trens maglev (derivados do termo levitação magnética). Essas locomotivas futurísticas oferecem muitas possibilidades novas e emocionantes para viagens. Eles têm o potencial de ser mais rápidos, seguros e eficientes em termos de energia do que os sistemas de transporte convencionais. Embora esses trens sejam poucos e distantes até agora, eles são um viveiro de pesquisas na comunidade de engenharia elétrica. Como resultado, maglev pode ser comum mais cedo do que você imagina.

História do Maglev

As ideias fundamentais por trás da tecnologia maglev podem ser rastreadas até o início do século 20. Muito trabalho foi feito para lançar as bases para esses trens, incluindo o desenvolvimento de motores elétricos e pesquisas em magnetismo. Alguns cientistas, nomeadamente Robert Goddard e Emile Bachelet, ousaram propor um veículo que flutuasse com ímanes (Yadav, 2013). Em 1934, um alemão de nome Hermann Kemper obteve a patente do primeiro conceito de trem magnético levitando (Yadav, 2013). Foi só na década de 1960 que a ideia realmente começou a se manifestar. Nessa época, a Alemanha e o Japão começaram a pesquisar o potencial do maglev. Durante as décadas de 70 e 80, os dois países fizeram grande progresso no desenvolvimento desses trens. A Alemanha construiu e testou uma série de protótipos de sistemas maglev e chamou seu design de TransRapid (Figura 1). Os trens alcançaram velocidades de mais de 250 mph (402 km / h) na pista de teste (Luu, 2005). O Japão também testou duas séries de seus próprios designs, chamadas de ML-500 e, posteriormente, de MLU. Seus trens eram capazes de ultrapassar 483 km / h (300 mph) (Luu, 2005).

Figura 1

Transrapid no centro de testes na Alemanha perto de Bremen. Fonte: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

O Japão continuou o desenvolvimento de sua tecnologia maglev nos anos 90 e além. Eles testaram uma nova série, chamada MLX, que quebrou 563 km / h (350 mph) em 2003 (Yadav, 2013). Nenhuma linha comercial foi estabelecida no país, mas ainda estão fazendo pesquisas. Na Alemanha, uma linha comercial TransRapid conectando Berlim e Hamburgo foi proposta em 1992. No entanto, em 2000, o governo encerrou o projeto (Luu, 2005). Mas nem tudo foi perdido, pois os chineses perceberam e encomendaram aos alemães a construção de um trem TransRapid em Xangai. O Shanghai Maglev (Figura 2), que resultou desse empreendimento, é agora o único trem maglev de alta velocidade em uso comercial. Ele transporta passageiros por uma distância de 19 milhas (30 km) em 8 minutos, atingindo uma velocidade máxima de mais de 250 mph (431 km / h) (Coates, 2004). Assim, a China rapidamente se tornou um grande player no mercado mundial de maglev. O país planeja continuar o desenvolvimento de sua infraestrutura maglev.

Figura 2

Shanghai Maglev deixando o Aeroporto Internacional de Pudong, com o mapa ferroviário Shanghai Transit Map mostrando a rota para Longyang Road. Fontes de colagem: © Alex Needham / Domínio Público e Metropedia

Como funciona?

Os trens Maglev não têm rodas ou trilhos. Conforme mostrado na Figura 3, eles têm guias e flutuam para baixo nessas guias sem nunca tocá-las.

Figura 3

Comparação entre ferrovias e guias. Fonte: Autor, derivado de Lee (2006).

Existem três partes essenciais para alcançar a funcionalidade do maglev: levitação, propulsão e orientação (como visto abaixo).

Figura 4

Levitação, propulsão e orientação no maglev. Fonte: Autor, derivado de Lee (2006).

Levitação

Levitação é a capacidade do trem de ficar suspenso acima dos trilhos. Existem dois tipos importantes de tecnologia de levitação:

• Suspensão eletromagnética (EMS): a EMS (Figura 5) usa a força atrativa dos eletroímãs colocados na guia e no trem para realizar a levitação.Os benefícios desse método são que ele é mais simples de implementar do que a Suspensão Eletrodinâmica (discutida abaixo) e que mantém a levitação em velocidade zero. As desvantagens são que o sistema é inerentemente instável. Em altas velocidades, torna-se difícil manter a distância correta entre o trem e a guia. Se essa distância não puder ser mantida, o trem não levitará e irá parar. Para explicar isso, o EMS requer sistemas complexos de controle de feedback para garantir que o trem esteja sempre estável (Lee, 2006).

Figura 5

Suspensão eletromagnética (EMS). Usa forças magnéticas atraentes. Fonte: Autor, derivado de Lee (2006).

• Suspensão eletrodinâmica (EDS): EDS (Figura 6) usa a força repulsiva de ímãs (supercondutores) colocados na guia e no trem para alcançar a levitação. Os ímãs se movem uns sobre os outros enquanto o trem está funcionando e geram a força repulsiva. Os benefícios desse método são que ele é incrivelmente estável em altas velocidades. Manter a distância correta entre o trem e a guia não é uma preocupação (Lee, 2006). As desvantagens são que a velocidade suficiente precisa ser construída para que o trem levite. Além disso, esse sistema é muito mais complexo e caro de implementar.

Figura 6

Suspensão eletrodinâmica (EDS). Usa forças magnéticas repulsivas. Fonte: Autor, derivado de Lee (2006).

Propulsão

Propulsão é a força que impulsiona o trem para frente. Maglev usa um motor elétrico linear para obter a propulsão. Um motor rotativo elétrico normal usa magnetismo para criar torque e girar um eixo. Possui uma peça estacionária, o estator, que circunda uma peça giratória, o rotor. O estator é usado para gerar um campo magnético giratório. Este campo induz uma força rotacional no rotor, que faz com que ele gire. Um motor linear é simplesmente uma versão desenrolada disso (veja a Figura 7). O estator é colocado na horizontal e o rotor repousa sobre ele. Em vez de um campo magnético giratório, o estator gera um campo que percorre seu comprimento. Da mesma forma, em vez de uma força de rotação, o rotor sofre uma força linear que o puxa para baixo no estator. Assim, um motor elétrico linear produz diretamente o movimento em linha reta. No entanto, este motor só pode produzir uma força enquanto o rotor estiver acima do estator. Quando o rotor chega ao fim, ele para de se mover.

Figura 7

Motor rotativo versus motor linear. Fonte: Autor, derivado de Lee (2006).

Ao descrever um motor linear, o padrão é usar o termo “primário” em vez de “estator” e “secundário” em vez de “rotor”. Nos trens maglev, o secundário é preso à parte inferior dos vagões e o primário está na guia. Assim, um campo magnético é enviado pela guia e puxa o trem atrás dele. De certa forma, então, todo o comprimento de um trilho maglev pode ser considerado parte do motor do trem. O sistema que foi descrito até agora é um Motor de Indução Linear (LIM). É assim chamado porque o campo magnético no primário induz um campo magnético no secundário. É a interação entre o campo original e o campo induzido que faz com que o secundário seja puxado. No entanto, nesta configuração, o secundário sempre fica um pouco atrás do campo móvel no primário. Este atraso é uma fonte de perda de energia e velocidade. Em um Motor Síncrono Linear (LSM), o retardo é removido anexando ímãs permanentes ao secundário. Como o secundário agora está produzindo seu próprio campo magnético estacionário, ele desce pelo primário em sincronia com o campo móvel – daí o nome para esta variante de motor (Gieras, 2011). Como os LSMs são mais rápidos e eficientes, eles são o motor de escolha em trens maglev de alta velocidade (Lee, 2006).

Orientação

A orientação é o que mantém o trem centrado sobre o guia. Para maglev de alta velocidade, forças magnéticas repulsivas são usadas para conseguir isso (Figura 8). No TransRapid, há dois trilhos eletromagnéticos colocados no trem voltados para os dois lados da guia. Esses trilhos evitam que o trem se afaste muito do curso (Lee, 2006). No MLX, a orientação é acoplada ao sistema de levitação. Os trilhos de levitação de cada lado do trem são conectados uns aos outros. Por meio dessa conexão, quando o trem se move para mais perto de um lado, é induzida uma força restauradora que o empurra de volta para o centro. Assim, a MLX é levitada e guiada ao mesmo tempo (Lee, 2006).

Figura 8

Sistema de orientação do Transrapid e MLX. Ambos usam ímãs repulsivos. Fonte: Autor, derivado de Lee (2006).

Benefícios do Maglev

A atração mais óbvia dos trens maglev é que eles podem viajar mais rápido do que os trens tradicionais. O único maglev comercial de alta velocidade, o Shanghai Maglev, é agora o trem mais rápido que existe.Ele viaja mais de 50 mph (80 km / h) mais rápido do que o trilho de roda de alta velocidade mais rápido (320 km / h Hayabusa, 2013). E é apenas o primeiro. A falta de atrito entre o trem e a guia remove muitos limites que limitam os trens tradicionais. Maglev só vai ficar mais rápido a partir daqui (Luu, 2005). Existem outras qualidades mais sutis que também tornam o maglev atraente:

• Longevidade: rodas e trilhos convencionais sofrem muito estresse com o tempo. Eles devem ser substituídos e reparados periodicamente para permanecerem funcionais. No maglev, não há contato entre o trem e a guia, portanto, há substancialmente menos desgaste. A vida útil das peças do maglev é apropriadamente muito mais longa devido a esse fato (Powell, 2003). Economicamente, isso é um grande incentivo, já que reparos e manutenção são atividades caras e demoradas.
• Segurança: pode parecer um contra-senso que esses trens são mais seguros, já que viajam muito mais rápido do que suas rodas homólogos. No entanto, é verdade. Os trens Maglev são quase impossíveis de descarrilar (Luu, 2005). Seria necessário algo como o colapso completo da guia para separar um trem de seus trilhos. Além disso, o clima não é um grande problema. Uma vez que os trens não dependem do atrito para o movimento, neve, gelo e chuva causam pouco ou nenhum efeito (Luu, 2005). Finalmente, é fácil elevar as guias. Se os trens estiverem circulando em trilhos a dez pés acima do solo, há uma chance menor de colisão com um objeto em seu caminho (Luu, 2005).
• Eficiência energética: Outro benefício da levitação é que esses trens não perca energia com o atrito. Isso lhes dá uma vantagem em eficiência (Wang 2010). O consumo de energia é essencial para o sucesso de um sistema de transporte. Grande parte do custo operacional de um vai para o pagamento da energia. Portanto, essa vantagem em eficiência é muito importante. No entanto, embora os trens maglev sejam mais eficientes, eles atualmente não são substancialmente mais eficientes do que os modernos trens de alta velocidade. No entanto, eles têm potencial para serem muito superiores nesta categoria.
• Impacto ambiental: os trens Maglev podem fazer curvas mais fechadas do que os trilhos de alta velocidade. Isso permite a construção de guias que podem navegar muito melhor no terreno (Wang 2010). Os caminhos podem ser projetados para ter o mínimo efeito possível sobre o meio ambiente. As vias guia também ocupam menos área do que os trilhos (Wang 2010). Isso reduz ainda mais o impacto ambiental. E, como observado antes, as guias são facilmente elevadas do solo (Luu, 2005). Plantas e animais ficam mais seguros com o trem viajando acima deles, e não passando rapidamente ao lado deles.
• Poluição sonora: ao considerar um projeto de transporte, o ruído (dentro de limites razoáveis) não é tão grande uma preocupação como economia ou segurança. No entanto, a redução de ruído ainda é considerada uma característica positiva. Os trens Maglev são mais silenciosos do que os trens contemporâneos, então este é outro ponto a seu favor (Wang, 2010).

Desvantagens do Maglev

Embora haja muitas vantagens, há ainda existem razões pelas quais os trens maglev não estão sendo construídos em todos os lugares. Talvez o maior motivo seja que as guias maglev não são compatíveis com a infraestrutura ferroviária existente. Qualquer organização que tenta implementar um sistema maglev deve começar do zero e construir um conjunto de trilhas completamente novo. Isso envolve um investimento inicial muito alto (Coates, 2004). Mesmo que as guias custem menos do que os trilhos ao longo do tempo (Powell, 2003), é difícil justificar gastar tanto com antecedência. Outro problema é que os trens maglev viajam rápido, mas podem não viajar rápido o suficiente. Os países com trilhos de alta velocidade já implantados não querem gastar bilhões de dólares implementando um sistema que é apenas um pouco melhor do que a solução existente. O mercado para esses trens simplesmente não é muito grande no momento. É difícil contestar que esses trens são superiores aos convencionais. Independentemente disso, mais trabalho precisa ser feito antes que valha a pena implementá-los em todo o mundo.

Engenharia Elétrica em Maglev

Desde a máquina a vapor, os trens têm estado tradicionalmente no domínio dos engenheiros mecânicos . Eles eram todos motores e eixos, rodas e motores. No entanto, a introdução da tecnologia maglev quebrou essa tradição. O desenvolvimento desses trens exigiu a entrada de vários campos diferentes, além da engenharia mecânica, incluindo física e química. Mais importante, porém, trouxe engenheiros elétricos para a mesa. Desde o início, os engenheiros elétricos têm contribuído significativamente para o desenvolvimento da tecnologia maglev. Eric Laithwaite, um engenheiro elétrico, desenvolveu o primeiro motor de indução linear, um precursor importante e necessário para trens maglev. Hermann Kemper, que muitos acreditam ser o pai de maglev, também era engenheiro elétrico. Engenheiros elétricos alemães e japoneses trabalharam para estabelecer os programas maglev em seus respectivos países.E hoje, os engenheiros elétricos estão tornando a tecnologia cada vez melhor para que possa agradar a países de todo o mundo. Os trens Maglev têm surpreendentemente poucas partes móveis. Eles tratam de correntes elétricas, ímãs e laços de fio. Alguns tópicos importantes para o campo são ondas e campos eletromagnéticos, teoria de circuitos, sistemas de controle de feedback e engenharia de energia. Tudo isso depende da expertise de engenheiros elétricos. Portanto, são os engenheiros elétricos que são necessários para resolver os maiores problemas que esta tecnologia enfrenta. Os trens precisam ser mais rápidos e com maior eficiência energética. O tempo todo eles precisam ser mantidos dentro dos limites de segurança. As guias precisam ser mais baratas, fáceis de implementar e talvez mais compatíveis com os trilhos existentes. Os sistemas de controle precisam ser perfeitos. Todas essas questões e outras exigem que um engenheiro elétrico venha desvendar suas respostas.

O futuro do Maglev

A tecnologia Maglev é uma grande promessa para o futuro. Tem potencial para ser um meio de transporte mais barato, rápido, seguro e ecológico do que o que temos hoje. E com a ajuda de alguns engenheiros elétricos, ele se tornará todas essas coisas. Existem aplicações possíveis para essa tecnologia em qualquer coisa, desde transporte público intermunicipal até viagens cross-country. Existem até propostas para construir longos tubos subterrâneos, sugar o ar dos tubos e colocar trens maglev dentro deles. Nesse cenário, não haveria virtualmente nenhuma resistência ao vento, de modo que um trem poderia facilmente atingir velocidades que excediam a velocidade do som (Thornton, 2007). Embora possa levar muito tempo até que essa tecnologia se torne predominante, é difícil negar que em algum momento o será. As vantagens são muito difíceis de ignorar. No momento, há apenas um trem comercial maglev em uso, e ele já eclipsou tudo o que veio antes dele. Como essa tecnologia irá evoluir e melhorar à medida que avançamos para o futuro? Só o tempo irá dizer. Mas é altamente plausível que agora estejamos à beira de uma revolução nos transportes. Eu, pessoalmente, estou ansioso para deslizar pelo interior a 480 km / h em uma caixa de ímãs levitando.

Bibliografia

Links sugeridos

Veja também

• veículos autônomos
• baterias elétricas para energia renovável
• infraestrutura inteligente