Treno a levitazione magnetica

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Maglev Transrapid a Shanghai

Un treno a levitazione magnetica o maglev è un tipo di treno che viaggia sospeso in aria su una rotaia grazie alla repulsione magnetica.

La repulsione e l'attrazione magnetica vengono utilizzate anche come mezzo di locomozione. Essendo il treno sospeso in aria non ha un reale contatto con la rotaia e quindi l'unica forza che si oppone al moto del treno è quella dovuta all'attrito con l'aria. Di conseguenza il maglev è in grado di viaggiare a velocità elevatissime con un consumo di energia ragionevole e un livello di rumore accettabile (alcuni sistemi proposti sono in grado di viaggiare a 650 km/h, una velocità comparabile con quella del trasporto aereo). Sebbene la velocità del maglev permetterebbe a questa tipologia di treno di competere con il trasporto aereo anche nei lunghi percorsi, l'elevato costo per la realizzazione delle infrastrutture ne ha limitato attualmente l'utilizzo a brevi tratte molto frequentate. L'unica applicazione commerciale pratica odierna si trova a Shanghai dove una linea a maglev collega la città con l'aeroporto. La linea è lunga 30 chilometri e viene percorsa dal treno in 7 minuti e 20 secondi con una velocità massima di 431 km/h e una velocità media di 250 km/h. Altre implementazioni del maglev sono attualmente allo studio.

[modifica] Tecnologia

Vi sono tre tipologie di tecnologia maglev.

Sospensione elettromagnetica (EMS): utilizza elettromagneti convenzionali montati sull’estremità di una coppia di strutture poste sotto il treno che avvolgono i fianchi e la parte inferiore della guidovia. I magneti, attirati verso i binari laminati in ferro, sorreggono il treno. Questo sistema però è instabile, perché bisogna controllare costantemente la distanza tra il treno e il binario, che deve essere sempre di 1 cm. Per migliorare l'efficienza i magneti sono raffreddati fino al punto di superconduzione

Sospensione elettrodinamica (EDS): il treno ottiene la levitazione sfruttando le polarità opposte dei magneti del veicolo e gli avvolgimenti siti sul binario.

Magneti permanenti (Inductrack): è la tecnologia più economica e promettente, e si basa sull'effetto di repulsione di elementi magnetici permanenti posti sul veicolo

Giappone e Germania sono paesi molto attivi nella ricerca sui maglev e hanno prodotto degli approcci al problema differenti. In un progetto il treno levita grazie alla forza repulsiva dello stesso polo magnetico e si muove grazie alla forza attrattiva che si sviluppa tra due poli opposti. Il treno è mosso da un motore lineare posto nel tracciato o nel treno (o in entrambi). Gli induttori magnetici di grandi dimensioni sono installati nel tracciato e questi generano il campo magnetico necessario a sostenere il treno e a farlo muovere. Alcuni commentatori hanno fatto notare che la realizzazione di infrastrutture ferroviarie basate su questa tecnologia sarebbe estremamente costosa.

Magneti fissi basati su elettromagneti o magneti permanenti sarebbero instabili per il teorema di Earnshaw. D'altra parte magneti diamagnetici e a superconduttori non possono mantenere stabile un maglev. Gli attuali sistemi maglev sono stabilizzati da elettromagneti gestiti elettronicamente. Questi grandi elettromagneti sono molto pesanti e richiedono elevate quantità di corrente elettrica.

Il peso di un grande elettromagnete è una componente importante di un progetto per un maglev. Un campo magnetico molto intenso è necessario per far levitare un pesante treno e la ricerca convenzionale sui maglev punta ad utilizzare superconduttori per realizzare elettromagneti efficienti.

Gli effetti di un intenso campo magnetico sul corpo umano sono in gran parte sconosciuti. Per la sicurezza dei passeggeri potrebbe essere necessario aggiungere degli schermi contro i campi magnetici. L'idea è semplice, ma la progettazione dal punto di vista ingegneristico è molto complessa.

Un nuovo sistema forse più economico dei sistemi convenzionali è chiamato inductrack. Questa tecnologia si basa sull'utilizzo di elettromagneti non alimentati (passivi) e di magneti permanenti. La teoria si basa sull'utilizzo delle correnti indotte dai magneti permanenti negli elettromagneti quando questi attraversano le linee di forma prodotte dai magneti permanenti. Questa tecnologia necessita di corrente solamente durante il movimento del mezzo e la quantità necessaria è direttamente proporzionale alla velocità del mezzo. Nel prototipo i magneti permanenti erano montati sul carrello orizzontalmente per l'altezza e verticalmente per la stabilità. I magneti e il carrello non sono alimentati se non per dare velocità al carrello. Inductrack venne sviluppato originariamente per creare un motore magnetico che immagazzini energia attraverso il movimento del carrello. Con delle leggere modifiche al progetto la linea originale che era un cerchio chiuso è stata estesa per diventare una retta. L'inductrack è stato sviluppato dal fisico Richard Post del Lawrence Livermore National Laboratory.

L'inductrack utilizza degli Array Halbach per stabilizzarsi. Gli Array Halbach sono un insieme di magneti permanenti che stabilizzano il movimento nelle linee di forza magnetiche senza bisogno di elettronica, questi elementi infatti incrementano il campo magnetico da un lato cancellandone la presenza dal lato opposto. Gli Array Halbach vennero sviluppati originariamente per stabilizzare il fascio degli acceleratori di particelle. Inoltre generano un campo magnetico solo dal lato rivolto verso la pista riducendo i potenziali effetti indesiderati subiti dai passeggeri.

Attualmente molte agenzie spaziali, tra le quali la NASA stanno effettuando ricerche sui maglev per sviluppare un metodo economico di lanciatore spaziale. Le agenzie spaziali vorrebbero sviluppare dei maglev talmente veloci da superare la velocità di fuga terrestre. Utilizzare un maglev per accelerare un carrello permetterebbe di utilizzare piccoli razzi per raggiungere l'orbita. L'attrito dell'aria rende difficile realizzare un maglev che possa entrare in orbita senza utilizzo di razzi a meno di costruire la piattaforma di lancio su una montagna molto elevata come le montagne della catena dell'Himalaya.

[modifica] Maglev esistenti

A Berlino la società M-Bahn ha costruito negli anni '80 un maglev da 1,6 km che collegava tre stazioni U-bahn (metro). Il test con traffico passeggeri partì nell'agosto 1989 e il servizio regolare nel giugno 1991. Dato che il traffico dei passeggeri si modificò dopo la caduta del muro di Berlino la linea venne dismessa nel febbraio del 1992, smantellata e sostituita da una linea di metropolitana normale.

Il primo sistema commerciale automatico basato su maglev a bassa velocità fu quello sviluppato per collegare l'aeroporto internazionale di Birmingham con la stazione ferroviaria internazionale di Birmingham operativo tra il 1984 e il 1995. Il tracciato era lungo 600 metri e il treno era sospeso a 15 millimetri dalle rotaie. Ha funzionato per undici anni ma l'obsolescenza dell'elettronica ha reso il sistema non sicuro e quindi è stato sostituito da un sistema convenzionale.

Transrapid è una compagnia tedesca che ha sviluppato una linea di test a Emsland e ha costruito la prima linea commerciale ad alta velocità di maglev, la Shanghai Maglev Train a Shanghai in Cina nel 2002. Questa linea collega l'aeroporto internazionale di Shanghai, situato a Pudong, con la città. La linea è lunga 30 km e la massima velocità mai raggiunta è di 501 km/h.

Il Giappone ha testato nella prefettura di Yamanashi un treno maglev che ha raggiunto la velocità di 581 km/h, la maggior velocità mai raggiunta su binario. Il treno utilizza magneti superconduttori e sospensioni elettrodinamiche. Al contrario il Transrapid utilizza convenzionali elettromagneti e sospensioni elettromagnetiche di tipo attrattivo. Il "Superconducting Maglev Shinkansen" sviluppato dalla Central Japan Railway Co. ("JR Central") e Kawasaki Heavy Industries è attualmente il treno più veloce del mondo. Se la proposta del Chuo Shinkansen verrà approvata, Tokyo e Osaka verranno collegate dal maglev e il tracciato di test entrerà a far parte della linea.

Il primo sistema commerciale di maglev urbano è diventato operativo in Giappone nel marzo 2005. Questo sistema è formato di nove stazioni lungo un tracciato di 8,9 chilometri della linea Tobu-kyuryo conosciuta anche come Nagoya East Hill Line. La linea ha un raggio operativo minimo di 75 metri e un'inclinazione di 6°. Il motore lineare a levitazione magnetica ha una velocità massima di 100 km/h. Quella linea serve alla popolazione locale per raggiungere l'Expo 2005. Il treno è stato sviluppato dalla Chubu HSST Development Corporation che ha collaborato anche al tracciato di test a Nagoya. Un maglev urbano simile a quello giapponese è stato presentato in Corea e la versione coreana si chiama Rotem.

Negli Stati Uniti d'America la Federal Transit Administration ha avviato il Urban Maglev Technology Demonstration program. Il programma ha lo scopo di progettare maglev a bassa velocità per utilizzo cittadino ed inizialmente è stata valutata la tecnologia della HSST. La FTA ha finanziato la General Atomics e la California University of Pennsylvania per lo sviluppo di una nuova generazione di maglev, il MagneMotion M3 e il Maglev2000 of Florida, entrambi basati su superconduttori EDS. Un altro progetto per un maglev urbano è il LEVX sviluppato nello stato di Washington, il Magplane sviluppato nel Massachusetts, e il progetto simile al sistema della HSST sviluppato dalla American Maglev Technology of Florida e dalla Old Dominion University in Virginia.

Il 31 dicembre 2000 il primo superconduttore ad alte temperature per maglev è stato testato con successo nella Southwest Jiaotong University, di Chengdu, in Cina. Il sistema si basa su superconduttori ad alta temperatura che vengono fatti levitare su magneti permanenti. Il carico era di 530 chilogrammi e la distanza dai magneti era di 20 millimetri. Il sistema utilizzava azoto liquido, un refrigerante molto economico per i superconduttori.

Il primo brevetto per la levitazione magnetica dei treni con un motore lineare è il US patent 3,470,828, rilasciato nell'ottobre del 1969 a James R. Powell e Gordon T. Danby. La tecnologia utilizzata è stata inventata da Eric Laithwaite, e descritta nel "Proceedings of the Institution of Electrical Engineers", vol. 112, 1965, pp. 2361-2375, con il titolo di "Electromagnetic Levitation" (levitazione magnetica). Laithwaite brevettò il motore lineare nel 1948.

[modifica] Proposte future

In Germania, a Monaco di Baviera, è in progetto un sistema a levitazione magnetica tra la stazione principale (sede di interconnessione con diverse linee metropolitane e linee di trasporto ferroviario locale) e l'aeroporto. È prevista la riduzione del tempo medio di collegamento dagli attuali 40 minuti a 10 minuti circa. Nell'atrio dell'aeroporto è presente un modello visitabile in scala reale del treno.

Tale progetto potrebbe subire ritardi nella sua realizzazione a causa di un incidente avvenuto il 22 settembre 2006 durante un collaudo; il treno, che viaggiava a una velocità di circa 200 km/h ha investito un carrello per la manutenzione; il primo vagone, che trasportava una trentina di passeggeri, è andato completamente distrutto e 23 persone fra occupanti e personale della manutenzione sono rimaste uccise.

Unimodal ha proposto un sistema di trasporto personale basto su sospensioni Inductrack, il sistema proposto sarebbe in grado di raggiungere i 160 km/h in città.

La Cina sta valutando la possibilità di utilizzare il maglev per collegare le principali città, anche se il costo potrebbe rendere il progetto non realizzabile. Comunque una linea Shanghai-Hangzhou è in fase di studio.

Una linea basata su maglev è stata recentemente proposta nel Regno Unito per collegare Londra e Glasgow. Questa linea sarebbe dotata anche di diverse opzioni lungo l'itinerario da realizzare. Sembra che il governo locale abbia preso seriamente in considerazione la proposta. [1] [2]

In Svizzera è stato proposto lo Swissmetro, una linea ferroviaria sotterranea a levitazione magnetica. Secondo questo progetto il treno corre in un tunnel in cui è fatto il vuoto, in modo da migliorare gli effetti aerodinamici. La velocità massima prevista è di 500 km/h. È previsto un asse Est-Ovest da Ginevra a San Gallo e un asse Nord-Sud da Basilea a Bellinzona. Malgrado le sovvenzioni della Confederazione le possibilità di vedere realizzato il progetto nel sottosuolo elvetico sono molto basse, tanto che i responsabili del progetto hanno già cominciato delle trattative con la Cina. [3] [4]

Una proposta particolare di maglev punta a realizzare dei tunnel interrati senza aria in modo da poter far viaggiare il treno senza doversi preoccupare dell'attrito dell'aria. Queste linee sarebbero in grado di utilizzare treni che viaggiano a velocità massime di 6000 - 8000 km/h e se costruite abbastanza in profondità potrebbero attraversare gli oceani. Ma senza un radicale miglioramento delle tecniche di perforazione queste idee sono irrealizzabili. [5]

[modifica] Riferimenti

Science & Technology Review giugno 1998 A New Approach for Magnetically Levitating Trains--and Rockets [6]

[modifica] Altri progetti

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[modifica] Collegamenti esterni

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