Sådan fungerer Maglev -tog

Udviklingen inden for massetransport har fundamentalt ændret den menneskelige civilisation. I 1860'erne, en transkontinentale jernbane gjorde det måneder lange slag mod Amerika til en ugelang rejse. Bare et par årtier senere, personbiler gjorde det muligt at hoppe over landet meget hurtigere end til hest. Og selvfølgelig, under første verdenskrig, de første kommercielle flyvninger begyndte at ændre vores rejser igen, gør kyst-til-kyst-rejser til et par timer. Men togrejser i USA er ikke meget hurtigere i dag, end de var for et århundrede siden. For ingeniører, der leder efter det næste store gennembrud, måske er "magiske" flydende tog bare billetten.

I det 21. århundrede er der et par lande, der bruger kraftfulde elektromagneter til at udvikle højhastighedstog, hedder maglev tog . Disse tog flyder over føringsveje ved hjælp af de grundlæggende principper for magneter til at erstatte det gamle stålhjul og banetog. Der er ingen jernbanefriktion at tale om, hvilket betyder, at disse tog kan nå hastigheder på hundredvis af miles i timen.

Alligevel er høj hastighed kun en stor fordel ved maglev -tog. Fordi togene sjældent (hvis nogensinde) rører banen, der er langt mindre støj og vibrationer end typisk, jordrystende tog. Mindre vibrationer og friktion resulterer i færre mekaniske sammenbrud, hvilket betyder, at maglev-tog er mindre tilbøjelige til at støde på vejrrelaterede forsinkelser.

De første patenter for magnetisk svævning (maglev) teknologier blev arkiveret af den franskfødte amerikanske ingeniør Emile Bachelet helt tilbage i begyndelsen af ​​1910'erne. Selv før det, i 1904, Den amerikanske professor og opfinder Robert Goddard havde skrevet et papir, der skitserede ideen om maglev -levitation [kilde:Witschge]. Det var ikke længe, ​​før ingeniører begyndte at planlægge togsystemer baseret på denne futuristiske vision. Snart, de troede, passagerer ville gå om bord i magnetisk drevne biler og lynlåse fra sted til sted ved høj hastighed, og uden mange af vedligeholdelses- og sikkerhedsproblemerne ved traditionelle jernbaner.

Den store forskel mellem et maglev -tog og et konventionelt tog er, at maglev -tog ikke har en motor - i hvert fald ikke den slags motor, der bruges til at trække typiske togvogne langs stålskinner. Motoren til maglev -tog er temmelig iøjnefaldende. I stedet for at bruge fossile brændstoffer, magnetfeltet skabt af de elektrificerede spoler i føringsvæggene og sporet kombineres til at drive toget.

Hvis du nogensinde har spillet med magneter, du ved, at modsatte poler tiltrækker og ligesom poler afviser hinanden. Dette er det grundlæggende princip bag elektromagnetisk fremdrift . Elektromagneter ligner andre magneter, idet de tiltrækker metalgenstande, men det magnetiske træk er midlertidigt. Du kan nemt selv oprette en lille elektromagnet ved at forbinde enderne af en kobbertråd med de positive og negative ender af en AA, C- eller D-cellebatteri. Dette skaber et lille magnetfelt. Hvis du afmonterer hver ende af ledningen fra batteriet, magnetfeltet fjernes.

Magnetfeltet, der er skabt i dette tråd-og-batteri-eksperiment, er den enkle idé bag et maglev-togskinnesystem. Der er tre komponenter til dette system:

1. En stor elektrisk strømkilde
2. Metalspoler, der forer en føringsbane eller et spor
3. Store styremagneter fastgjort til togets underside

Vi kigger på banen næste gang.

1. Maglevbanen
2. Elektrodynamisk suspension (EDS)
3. Maglev -teknologi i brug

Maglevbanen

Den magnetiserede spole, der løber langs sporet, kaldet a vejbane , afviser de store magneter på togets undervogn, tillader toget at svæve mellem 0,39 og 3,93 tommer (1 til 10 centimeter) over føringsbanen [kilde:Boslaugh]. Når toget er svævet, strøm tilføres spolerne inden for føringsvæggene for at skabe et unikt system af magnetfelter, der trækker og skubber toget langs føringsbanen. Den elektriske strøm, der leveres til spolerne i føringsvæggene, skifter konstant for at ændre polariteten af ​​de magnetiserede spoler. Denne ændring i polaritet får magnetfeltet foran toget til at trække køretøjet fremad, mens magnetfeltet bag toget tilføjer mere fremdrift.

Maglev -tog flyder på en luftpude, eliminerer friktion. Denne mangel på friktion og togens aerodynamiske design gør det muligt for disse tog at nå hidtil usete landtransporthastigheder på mere end 310 mph (500 km / t), eller dobbelt så hurtigt som Amtraks hurtigste pendeltog [kilde:Boslaugh]. Sammenlignet med, et Boeing-777 kommercielt fly, der bruges til langdistanceflyvninger, kan nå en tophastighed på cirka 562 mph (905 kph). Udviklere siger, at maglev -tog i sidste ende vil forbinde byer, der er op til 1, 000 miles (1, 609 kilometer) fra hinanden. Ved 310 mph, du kunne rejse fra Paris til Rom på lidt over to timer.

Nogle maglev -tog er i stand til endnu større hastigheder. I oktober 2016, et Japan Railway maglev -kugletog flammede hele vejen til 374 mph (601 km / t) under et kort løb. Den slags hastigheder giver ingeniører håb om, at teknologien vil vise sig nyttig til ruter, der er hundredvis af kilometer lange.

Tyskland og Japan har begge udviklet maglev -togteknologi, og testede prototyper af deres tog. Selvom det er baseret på lignende begreber, de tyske og japanske tog har tydelige forskelle. I Tyskland, ingeniører udviklet en elektromagnetisk suspension ( EMS ) system, kaldet Transrapid. I dette system, bunden af ​​toget vikles rundt om en stålføringsbane. Elektromagneter fastgjort til togets undervogn rettes op mod føringsbanen, som svæver toget omkring 1/3 tomme (1 centimeter) over føringsbanen og holder toget svævet, selv når det ikke bevæger sig. Andre styremagneter, der er indlejret i togets krop, holder det stabilt under rejsen. Tyskland demonstrerede, at Transrapid maglev -toget kan nå 300 mph med mennesker om bord. Imidlertid, efter en ulykke i 2006 (se sidebjælken) og enorme omkostningsoverskridelser på en foreslået rute fra München Hovedbanegård til lufthavn, planer om at bygge et maglev -tog i Tyskland blev skrottet i 2008 [kilde:DW]. Siden da, Asien er blevet centrum for maglevaktivitet.

Den 11. august, 2006, et maglev -togrum på Transrapid Shanghai -lufthavnslinjen brød i brand. Der var ingen skader, og efterforskere mener, at branden var forårsaget af et elektrisk problem. Den 22. september, 2006, et Transrapid -testtog i Emsland, Tyskland på en testkørsel styrtede ind i en reparationsbil, der ved et uheld var blevet efterladt på banen. Toget kørte mindst 193 km / t på det tidspunkt. Omkring 23 passagerer blev dræbt og 11 såret. En domstol afgjorde, at menneskelige fejl skyldtes hændelsen, hvilket ville have været undgået, hvis medarbejderne havde fulgt etablerede regler og procedurer. Der er ikke blevet rapporteret yderligere maglevulykker siden 2006. Dog er testtogene i Tyskland blev til sidst afbrudt, mens maglev -toget i Shanghai stadig kører.

Elektrodynamisk suspension (EDS)

Japanske ingeniører har udviklet en konkurrerende version af maglev -tog, der bruger en elektrodynamisk suspension ( EDS ) system, som er baseret på magnets afstødningskraft. Den vigtigste forskel mellem japansk og tysk maglev-togteknologi er, at de japanske tog bruger superkølet, superledende elektromagneter. Denne form for elektromagnet kan lede elektricitet, selv efter at strømforsyningen er blevet afbrudt. I EMS -systemet, som bruger standard elektromagneter, spolerne leder kun elektricitet, når der er strømforsyning. Ved at køle spolerne ved kolde temperaturer, Japans system sparer energi. Imidlertid, det kryogene system, der bruges til at afkøle spolerne, kan være dyrt og øge konstruktions- og vedligeholdelsesomkostningerne betydeligt.

En anden forskel mellem systemerne er, at de japanske tog svæver næsten 10 cm over føringsbanen. En potentiel ulempe ved at bruge EDS -systemet er, at maglev -tog skal rulle på gummidæk, indtil de når en løftehastighed på cirka 93 mph (150 km / t). Japanske ingeniører siger, at hjulene er en fordel, hvis et strømsvigt forårsagede en nedlukning af systemet. Også, passagerer med pacemakere skulle beskyttes mod de magnetfelter, der genereres af de superledende elektromagneter.

Det Induktrack er en nyere type EDS, der anvender permanente stuetemperaturmagneter til at producere magnetfelterne i stedet for drevne elektromagneter eller afkølede superledende magneter. Inductrack bruger kun en strømkilde til at accelerere toget, indtil det begynder at svæve. Hvis strømmen svigter, toget kan sænke farten gradvist og stoppe på dets hjælpehjul.

Banen er faktisk en række elektriske kortsluttede kredsløb, der indeholder isoleret ledning. I et design, disse kredsløb er justeret som trin i en stige. Mens toget kører, et magnetfelt afviser magneterne, får toget til at svæve.

Der er i øjeblikket tre Inductrack -designs:Inductrack I, Inductrack II, og Inductrack III. Inductrack I er designet til høje hastigheder, mens Inductrack II er velegnet til lave hastigheder. Inductrack III er specielt designet til meget tunge laster, der flyttes ved lave hastigheder. Inductrack -tog kunne svæve højere med større stabilitet. Så længe den bevæger sig et par miles i timen, et Inductrack -tog vil svæve næsten en tomme (2,54 centimeter) over sporet. Et større hul over banen betyder, at toget ikke ville kræve komplekse sensingsystemer for at opretholde stabiliteten.

Permanente magneter havde ikke været brugt før, fordi forskere mente, at de ikke ville skabe nok svævende kraft. Inductrack -designet omgår dette problem ved at arrangere magneterne i en Halbach -array . Magneterne er konfigureret således, at magnetfeltets intensitet koncentrerer sig over arrayet i stedet for under det. De er fremstillet af et nyere materiale omfattende en neodym-jern-bor-legering, som genererer et højere magnetfelt. Inductrack II -designet indeholder to Halbach -arrays for at generere et stærkere magnetfelt ved lavere hastigheder.

Især det passive magnetiske levitationskoncept er et kendetegn ved foreslåede hyperloop -transportsystemer, som i det væsentlige er et tog i Inductrack-stil, der sprænger gennem et forseglet rør, der omslutter hele sporet. Det er muligt, at hyperloops kan blive den valgte metode, dels fordi de undviger spørgsmålet om luftmodstand på den måde, de almindelige maglevs ikke kan, og dermed, skulle kunne opnå supersoniske hastigheder. Nogle siger, at en hyperloop kan koste endnu mindre end en traditionel højhastighedstogbane.

Men mens maglev -tog allerede er en gennemprøvet teknologi med mange års driftshistorie, ingen har endnu bygget en kommerciel hyperloop overalt i verden [kilde:Davies].

Maglev -teknologi i brug

Mens maglevtransport først blev foreslået for mere end et århundrede siden, det første kommercielle maglev -tog blev ikke til virkelighed før i 1984, da en lavhastigheds-maglev-shuttle blev operationel mellem Det Forenede Kongeriges Birmingham International-banegård og en lufthavnsterminal i Birmingham International Airport. Siden da, forskellige maglev -projekter er startet, gik i stå, eller ligefrem forladt. Imidlertid, der er i øjeblikket seks kommercielle maglevlinjer, og de er alle placeret i Sydkorea, Japan og Kina.

Det faktum, at maglev -systemer er hurtige, glat og effektivt ændrer ikke en lammende kendsgerning - disse systemer er utroligt dyre at bygge. Amerikanske byer fra Los Angeles til Pittsburgh til San Diego havde maglev -linjeplaner i gang, men udgifterne til at bygge et maglev -transportsystem (cirka 50 millioner dollar til 200 millioner dollars per kilometer) har været uoverkommelige og til sidst dræbt de fleste af de foreslåede projekter. Nogle kritikere lambast maglev projekter som omkostninger måske fem gange så meget som traditionelle jernbanelinjer. Men fortalerne påpeger, at omkostningerne ved drift af disse tog er, i nogle tilfælde, op til 70 procent mindre end med old-school togteknologi [kilder:Hall, Hidekazu og Nobuo].

Det hjælper ikke, at nogle højt profilerede projekter er floppet. Administrationen ved Old Dominion University i Virginia havde håbet på at få en super shuttle til at zippe studerende frem og tilbage på tværs af campus fra og med efterårssemesteret 2002, men toget foretog et par testkørsler og nærmede sig aldrig rigtigt de hastigheder på 40 km / t, det lovede. Togstationerne blev endelig dekonstrueret i 2010, men dele af det forhøjede sporsystem står stadig, et bevis på en fiasko på $ 16 millioner [kilde:Kidd].

Men andre projekter vedvarer. En ambitiøs gruppe ønsker at bygge en 64 kilometer lang strækning fra Washington DC til Baltimore, og ideen har masser af fortalere, men projektet forventes at koste op til $ 15 mia. Konceptets ublu pris kan være latterligt stort set alle andre steder i verden, men denne regions sjælknusende gitterlås og begrænset plads betyder, at byplanlæggere og ingeniører har brug for en innovativ løsning, og et superhurtigt maglev-system kan være den bedste løsning. Et vigtigt salgsargument - en udvidelse til dette projekt kan forbinde Washington til New York og reducere rejsetiden til kun 60 minutter, en hurtig pendling, der kunne forvandle handel og rejse i nordøst [kilder:Lazo, Nordøst Maglev].

I Asien, selvom, maglev -bommen er i det væsentlige allerede i gang. Japan arbejder febrilsk på en rute fra Tokyo til Osaka, der kan åbne inden 2037. Når den er færdig, toget vil reducere den næsten tre timers tur til kun 67 minutter [kilde:Reuters].

Kina overvejer seriøst snesevis af potentielle maglev -ruter, dem alle i overfyldte områder, der kræver massetransport med høj kapacitet. Det vil ikke være højhastighedstog. I stedet, de vil flytte mange mennesker over kortere afstande ved lavere hastigheder. Alligevel, Kina fremstiller alle sine egne maglev-teknologier og er ved at afsløre en tredje generations kommercielle maglev-linje med en topfart på omkring 125 mph (201 km / t) og er-i modsætning til tidligere versioner-fuldstændig førerløs, i stedet stole på computersensorer til acceleration og bremsning (landet har allerede nogle maglev -tog i drift, men de har brug for en chauffør.) [kilde:Wong].

Det er umuligt at vide nøjagtigt, hvordan maglevs vil finde ind i fremtiden for menneskelig transport. Fremskridt i selvkørende biler og flyrejser kan komplicere indsættelsen af ​​maglevlinjer. Hvis hyperloop -industrien formår at skabe momentum, det kan forstyrre alle former for transportsystemer. Og nogle ingeniører formoder, at selv flyvende biler, omend utrolig dyr, kan trumfe jernbanesystemer i fremtiden, fordi de ikke har brug for massive infrastrukturprojekter for at komme i gang.

Måske om bare et årti eller to, nationer rundt om i verden vil være kommet til en dom over maglev -tog. Måske bliver de en kæde af højhastighedsrejser, eller simpelthen kæledyrsprojekter, der kun tjener fragmenter af bestemte befolkninger i et overfyldt byområde. Eller måske vil de bare falme ind i historien, en næsten magisk form for levitationsteknologi, der bare aldrig rigtig tog fart.

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer elektromagneter
• Hvordan elektromagnetisk fremdrift vil fungere
• Sådan fungerer Sonic Cruisers
• Sådan fungerer flyvende biler
• Sådan fungerer tidsrejser

Flere store links

• American Maglev Company
• 8 måder Magnetisk levitation kunne forme fremtiden
• Nordøst Maglev
• 9 interessante fakta om verdens hurtigste tog

Kilder

• Beanland, Christopher. "Magnetisk levitation:Transportens store tilbagevenden 'Hvad nu hvis?'" The Guardian. 27. november kl. 2018. https://www.theguardian.com/cities/2018/nov/27/magnetic-levitation-the-return-of-transports-great-what-if-maglev (19. april, kl. 2019)
• Boslaugh, Sarah, "Maglev Tog." Encyclopaedia Brittanica. https://www.britannica.com/technology/maglev-train (19. april, 2019)
• Hal, Dave. "Maglev -tog:Hvorfor glider vi ikke hjem på svævende vogne?" Værgen. 29. maj kl. 2018. https://www.theguardian.com/technology/2018/may/29/maglev-magnetic-levitation-domestic-travel (19. april, 2019)
• Hidekazu, Aoki og Nobuo, Kawamiya. "Slutspil for Japans konstruktionstilstand - The Linear (Maglev) Shinkansen og Abenomics." Asia-Pacific Journal. 15. juni kl. 2017. https://apjjf.org/2017/12/Aoki.html (19. april, 2019)
• Kidd, David. "Bag linsen:Et flop på 16 millioner dollars." Styrende. 21. december kl. 2018. https://www.governing.com/topics/transportation-infrastructure/gov-maglev-train-old-dominion-university.html (19. april, 2019)
• Lazo, Luz. "High-speed 'Maglev' lover mange ting, men til hvilken pris? "Washington Post. 24. februar, 2018. https://www.washingtonpost.com/local/trafficandcommuting/the-high-speed-maglev-promises-many-things-but-at-what-cost/2018/02/24/6ca47838-1715-11e8- b681-2d4d462a1921_story.html? noredirect =on &utm_term =.b426c198ccb1 (19. april, 2019)
• Maglev.net. "De seks operationelle Maglev -linjer i 2018." 16. februar kl. 2018. https://www.maglev.net/six-operational-maglev-lines-in-2018 (19. april, 2019)
• Nordøst Maglev. https://northeastmaglev.com/ (19. april, 2019)
• https://apjjf.org/-Kawamiya-Nobuo—Aoki-Hidekazu/5050/article.pdf (19. april, 2019)
• Plummer, Libby. "Hvordan fungerer Hyperloop? Alt hvad du behøver at vide om magnetisk levitation." Alphr. 1. september kl. 2017. https://www.alphr.com/technology/1006815/how-hyperloop-works-launch-magnetic-levitation (19. april, 2019)
• Prosser, Marc. "Er Maglev-togene (Ultrahurtige, Levitating) Fremtidens transitsystem? "SingularityHub. 1. august, 2018. https://singularityhub.com/2018/08/01/are-maglev-trains-the-ultra-fast-levitating-transit-system-of-the-future/#sm.0005nhmyw182wfo9y8o2i02jwuwvm (19. april, kl. 2019)
• Jernbaneteknologi. "Bliver Maglev nogensinde Mainstream?" 17. januar, 2018. https://www.railway-technology.com/features/will-maglev-ever-become-mainstream/ (19. april, 2019)
• Rektor, Kevin. "'Det kan gøres':Futuristisk japansk Maglev -tog kan revolutionere rejser fra DC til Baltimore, og videre. "Baltimore søn. 27. oktober, 2018. https://www.baltimoresun.com/news/maryland/bs-md-japan-maglev-20180531-htmlstory.html (19. april, 2019)
• Saffer, Barbara. "Sådan fungerer Maglevs." Eduplace. https://www.eduplace.com/science/hmxs/ps/mode2/cricket/sect7cc.shtml (19. april, 2019)
• Tunnel Business Magazine. "Spørgsmål og svar med Brad Swartzwelter:Tunneling og Hyperloop." 4. april kl. 2019. https://tunnelingonline.com/qa-with-brad-swartzwelter-tunneling-and-hyperloop/ (19. april, 2019)
• Det amerikanske energiministerium. "Sådan fungerer Maglev." 14. juni kl. 2016. https://www.energy.gov/articles/how-maglev-works (19. april, 2019)
• Wong, Maggie. "Kina introducerer ny generation af førerløse tog i 2020." CNN. 4. marts 2019. https://www.cnn.com/travel/article/china-driverless-maglev-trains/index.html (19. april, 2019)