Как это работает?
О базовых свойствах магнитов мы знаем еще с уроков физики за 6 класс. Если поднести северный полюс постоянного магнита к северному полюсу другого магнита они будут отталкиваться. Если один из магнитов перевернуть, соединив разные полюса – притягиваться. Это простой принцип заложен в поездах-маглевах, которые скользят по воздуху над рельсом на незначительном расстоянии.
Рис. 15 электромагнитный подвес
В основе технологии магнитного подвеса лежат три основных подсистемы: левитации, стабилизации и ускорения. В то же время на данный момент существует две основных технологии магнитного подвеса и одна экспериментальная, доказанная лишь на бумаге.
Поезда, построенные на базе технологии электромагнитного подвеса (EMS) для левитации используют электромагнитное поле, сила которого изменяется по времени. При этом практическая реализация данной системы очень похожа на работу обычного железнодорожного транспорта. Здесь применяется Т-образное рельсовое полотно, выполненное из проводника (в основном металла), но поезд вместо колесных пар использует систему электромагнитов – опорных и направляющих. Опорные и направляющие магниты при этом расположены параллельно к ферромагнитным статорам, размещенным на краях Т-образного пути. Главный недостаток технологии EMS – расстояние между опорным магнитом и статором, которое составляет 15 миллиметров и должно контролироваться и корректироваться специальными автоматизированными системами в зависимости от множества факторов, включая непостоянную природу электромагнитного взаимодействия. К слову, работает система левитации благодаря батареям, установленным на борту поезда, которые подзаряжаются линейными генераторами, встроенными в опорные магниты. Таким образом, в случае остановки поезд сможет достаточно долго левитировать на батареях. На базе технологии EMS построены поезда Transrapid и, в частности, шанхайский маглев.
Рис. 16. Маглев изнутри
Поезда на базе технологии EMS приводятся в движение и осуществляют торможение с помощью синхронного линейного двигателя низкого ускорения, представленного опорными магнитами и полотном, над которым парит магнитоплан. По большому счету, двигательная система, встроенная в полотно, представляет собой обычный статор (неподвижная часть линейного электродвигателя), развернутый вдоль нижней части полотна, а опорные электромагниты, в свою очередь, работают в качестве якоря электродвигателя. Таким образом, вместо получения крутящего момента, переменный ток в катушках генерирует магнитное поле возбуждающихся волн, которое перемещает состав бесконтактно. Изменение силы и частоты переменного тока позволяет регулировать тягу и скорость состава. При этом чтобы замедлить ход, нужно всего лишь изменить направление магнитного поля.
В случае применения технологии электродинамического подвеса (EDS) левитация осуществляется при взаимодействии магнитного поля в полотне и поля, создаваемого сверхпроводящими магнитами на борту состава. На базе технологии EDS построены японские поезда JR–Maglev. В отличие от технологии EMS, в которой применены обычные электромагниты и катушки проводят электричество только в тот момент, когда подается питание, сверхпроводящие электромагниты могут проводить электричество даже после того, как источник питания был отключен, например, в случае отключения электроэнергии. Охлаждая катушки в системе EDS можно сэкономить достаточно много энергии. Тем не менее, криогенная система охлаждения, используемая для поддержания более низких температур в катушках, может оказаться достаточно дорогой
Главным преимуществом системы EDS является высокая стабильность – при незначительном сокращении расстоянии между полотном и магнитами возникает сила отталкивания, которая возвращает магниты в первоначальное положение, в то же время увеличение расстояния снижает силу отталкивания и повышает силу притяжения, что опять же ведет к стабилизации системы. В этом случае никакой электроники для контроля и корректировки расстояния между поездом и полотном не требуется.
Правда, без недостатков здесь также не обошлось – достаточная для левитации состава сила возникает только на больших скоростях. По этой причине поезд на системе EDS должен быть оснащен колесами, которые смогут обеспечивать движение при низких скоростях (до 100 км/ч). Соответственные изменения также должны быть внесены по всей длине полотна, так как поезд может остановиться в любом месте в связи с техническими неисправностями.
Еще одним недостатком EDS является то, что при низких скоростях в передней и задней частях отталкивающих магнитов в полотне возникает сила трения, которая действует против них. Это одна из причин, по которой в JR–Maglev отказались от полностью отталкивающей системы и посмотрели в сторону системы боковой левитации.
Рис. 17. Maglev
Стоит также отметить, что сильные магнитные поля в секции для пассажиров порождают необходимость установки магнитной защиты. Без экранирования путешествие в таком вагоне для пассажиров с электронным стимулятором сердца или магнитными носителями информации (HDD и кредитные карточки), противопоказано.
Подсистема ускорения в поездах на базе технологии EDS работает точно также, как и в составах на базе технологии EMS за исключением того, что после изменения полярности статоры здесь на мгновение останавливаются.
Третьей, наиболее близкой к реализации технологией, существующей пока только на бумаге, является вариант EDS с постоянными магнитами Inductrack, для активации которых не требуется энергия. До недавнего времени исследователи считали, что постоянные магниты не обладают достаточной для левитации поезда силой. Однако эту проблему удалось решить путем размещения магнитов в так называемый «массив Хальбаха». Магниты при этом расположены таким образом, что магнитное поле возникает над массивом, а не под ним, и способны поддерживать левитацию поезда на очень низких скоростях – около 5 км/ч. Правда, стоимость таких массивов из постоянных магнитов очень высока, поэтому пока и не существует ни одного коммерческого проекта данного рода.
Биотопливо
Биото́пливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.
В Великобритании начал ходить первый в Европе пассажирский поезд на биотопливе – он должен сократить выбросы вредных веществ в атмосферу, внести вклад в улучшение экологии острова и борьбу с глобальным потеплением, сообщает Reuters.
Поезд, на торжественный пуск которого приехал будущий британский премьер Гордон Браун, будет ездить с вокзала Лютон в Лондоне до города Лладудно (Llandudno) в Северном Уэльсе. Поезд выпущен компанией Virgin CrossCountry, принадлежащей британскому миллиардеру Ричарду Брэнсону, основателю музыкальной империи Virgin и одноименной авиакомпании. Он
использует в качестве топлива смесь дизельного и экологически чистого биотоплива. Пока объем биотоплива - всего 20%, однако по словам самого Брэнсона, если шестимесячные испытания гибридного поезда пройдут успешно, то все поезда компании будут переведены на новый режим. Это снизит их выбросы углекислого газа в атмосферу на 14%. А в будущем поезда, возможно, будут использовать 100% биотоплива в своих баках, без добавления солярки.
Рис.18. Биотопливо
Топливо для Virgin производится из выращенного в Великобритании рапса, с добавлением соевого масла производства США и пальмового масла, которое компания закупает на Ближнем Востоке. Такое топливо дороже, чем так называемый «red diesel» - вид солярки, на которой ездят сейчас поезда в Англии. Однако компания Greenergy, которая поставляет экологически чистое топливо Virgin, уже ведет переговоры с тремя другими железнодорожными компаниями о том, чтобы те тоже частично перешли на биотопливо.
Некоторое время назад Брэнсон объявил, что будет отдавать всю прибыль от своего авиа и железнодорожного бизнеса на борьбу с глобальным потеплением и выбросами углекислого газа, и сдерживает свое обещание. Помимо поездов, глава Virgin в следующем году планирует перевести на биотопливо и один из используемых его авиакомпанией самолетов.
Ограничением на развитие железнодорожных перевозок на биотопливе пока являются вопросы логистики. Во всей Средней Англии поезда могут залить биотопливо в баки только на двух заправочных станциях. Однако Гордон Браун, выступая на вокзале, заявил, что хочет сделать Британию мировым лидером в производстве экологически чистого транспорта.
Вакуумный поезд
Вакуумный поезд, который совершит переворот в сфере транспорта
Уже в ближайшие годы в сфере транспортных перевозок может произойти настоящий переворот - появится инновационная сеть вакуумных поездов, которая должна охватить весь мир. Главными преимуществами нового транспорта станет высокая скорость и отсутствие вредных выбросов.
Hyperloop был предложен бизнесменом и изобретателем Элоном Маском. Этот амбициозный проект, в основу которого положено использование вакуумных поездов, может в корне изменить подход к пассажирским и грузовым транспортным перевозкам.
Рис.19. Макет Hyperloop.
Впервые о проекте заговорили в 2012 году, и с то времени он претерпел множество изменений. Реализация проекта может начаться уже в ближайшее время. Сначала вакуумные поезда появятся в США, а затем эта транспортная сеть, по задумке разработчиков проекта, должна охватить весь мир.
Эскиз купе.
Кроме технических сложностей, серьёзно стоит и финансовый вопрос. По подсчётам экспертов, только вакуумная дорога между Сан-Франциско и Лос-Анджелесом обойдётся в при нынешнем развитии технологий в колоссальную сумму 7-16 млрд долларов.
Рис.20. Модель трубы.
Труба для испытаний.
Вакуумные поезда Hyperloop будут ходить по специальному, полностью изолированному от окружающего мира, тоннелю, напоминающему газопровод. Двигаться поезда будут за счет электродвигателей.
Труба над автострадой.
В зависимости от рельефа местности под «газопроводом» поезд сможет двигаться со скоростью от 480 до 1 220 км\ч. По уровню комфорта вакуумные поезда не будут уступать более традиционным, в них также будут комфортные места и ресторан. Поездки на Hyperloop не в час пик будут бесплатными.
Принцип работы Hyperloop.
До запуска проекта инженеры Hyperloop планируют провести ряд улучшений: сделать форму корпуса еще более обтекаемой для лучшей аэродинамики, решить проблему нагрева оболочки поезда из-за трения воздуха, решить проблему потенциального вращения капсулы в тоннеле.
Рис.21. Вокзал Hyperloop.
Предполагаемые ветки трубы.
Сегодня к проекту уже привлечено несколько крупных компаний со всего мира. В Калифорнии уже в следующем году должна появиться тестовая замкнутая дорога Hyperloop, на которой будут проходить испытания поезда, тоннелей и станций, а также разгоночных и тормозных элементов.