science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe Maglev-treinen werken

Een magnetisch zwevende (maglev) trein, ontwikkeld door Central Japan Railways Co., maakt op 11 mei een testrit. 2010 in Tsuru, Japan. Junko Kimura/Getty Images

De evolutie van het massatransport heeft de menselijke beschaving fundamenteel veranderd. In de jaren 1860, een transcontinentale spoorlijn maakte van de maandenlange reis door Amerika een reis van een week. Slechts een paar decennia later, personenauto's maakten het mogelijk om veel sneller over het platteland te stuiteren dan te paard. En uiteraard, tijdens de Eerste Wereldoorlog, de eerste commerciële vluchten begonnen onze reizen opnieuw te veranderen, waardoor reizen van kust tot kust een kwestie van uren is. Maar treinreizen in de VS zijn tegenwoordig niet veel sneller dan een eeuw geleden. Voor ingenieurs die op zoek zijn naar de volgende grote doorbraak, misschien zijn "magische" drijvende treinen gewoon het ticket.

In de 21e eeuw zijn er een paar landen die krachtige elektromagneten gebruiken om hogesnelheidstreinen te ontwikkelen, genaamd magneettreinen . Deze treinen zweven over geleidingen met behulp van de basisprincipes van magneten ter vervanging van de oude stalen wiel- en spoortreinen. Er is geen spoorwrijving om van te spreken, wat betekent dat deze treinen snelheden van honderden mijlen per uur kunnen halen.

Toch is hoge snelheid slechts één groot voordeel van maglev-treinen. Omdat de treinen zelden (of nooit) het spoor raken, er is veel minder lawaai en trillingen dan normaal, wereldschokkende treinen. Minder trillingen en wrijving resulteert in minder mechanische storingen, wat betekent dat maglev-treinen minder kans hebben op weersgerelateerde vertragingen.

De eerste patenten voor magnetische levitatie (maglev)-technologieën werden in het begin van de jaren 1910 ingediend door de in Frankrijk geboren Amerikaanse ingenieur Emile Bachelet. Zelfs daarvoor, in 1904, De Amerikaanse professor en uitvinder Robert Goddard had een paper geschreven waarin het idee van maglev-levitatie werd geschetst [bron:Witschge]. Het duurde niet lang voordat ingenieurs treinsystemen begonnen te ontwerpen op basis van deze futuristische visie. Spoedig, zij geloofden, passagiers zouden aan boord gaan van magnetisch aangedreven auto's en met hoge snelheid van plaats naar plaats ritselen, en zonder veel van de onderhouds- en veiligheidsproblemen van traditionele spoorwegen.

Het grote verschil tussen een maglev-trein en een conventionele trein is dat maglev-treinen geen motor hebben - althans niet het soort motor dat wordt gebruikt om typische treinwagons over stalen sporen te trekken. De motor voor magneettreinen is nogal onopvallend. In plaats van fossiele brandstoffen te gebruiken, het magnetische veld dat wordt gecreëerd door de geëlektrificeerde spoelen in de geleidingswanden en het spoor zorgen samen voor de voortstuwing van de trein.

Als je ooit met magneten hebt gespeeld, je weet dat tegengestelde polen elkaar aantrekken en gelijke polen elkaar afstoten. Dit is het basisprincipe achter elektromagnetische voortstuwing . Elektromagneten zijn vergelijkbaar met andere magneten omdat ze metalen voorwerpen aantrekken, maar de magnetische aantrekkingskracht is tijdelijk. Je kunt eenvoudig zelf een kleine elektromagneet maken door de uiteinden van een koperdraad aan te sluiten op de positieve en negatieve uiteinden van een AA, C of D-cel batterij. Hierdoor ontstaat een klein magnetisch veld. Als u een van de uiteinden van de draad loskoppelt van de batterij, het magnetische veld wordt weggenomen.

Het magnetische veld dat in dit draad-en-batterij-experiment wordt gecreëerd, is het eenvoudige idee achter een magneetzweeftreinrailsysteem. Dit systeem bestaat uit drie componenten:

  1. Een grote elektrische krachtbron
  2. Metalen spoelen langs een geleiding of baan
  3. Grote geleidingsmagneten bevestigd aan de onderkant van de trein

We zullen de track hierna bekijken.

Inhoud
  1. Het Maglev-spoor
  2. Elektrodynamische ophanging (EDS)
  3. Maglev-technologie in gebruik

Het Maglev-spoor

De Maglev-baan zorgt ervoor dat de trein boven het spoor zweeft door middel van afstotende magneten. Leer meer over het Maglev-spoor en bekijk een diagram van een Magelev-spoor. Hoe dingen werken

De gemagnetiseerde spoel die langs het spoor loopt, genaamd a geleidebaan , stoot de grote magneten op het onderstel van de trein af, de trein toestaan zweven tussen 0,39 en 3,93 inch (1 tot 10 centimeter) boven de geleiding [bron:Boslaugh]. Zodra de trein zweeft, stroom wordt geleverd aan de spoelen binnen de geleidingswanden om een ​​uniek systeem van magnetische velden te creëren die de trein langs de geleiding trekken en duwen. De elektrische stroom die aan de spoelen in de geleidingswanden wordt geleverd, wisselt voortdurend om de polariteit van de gemagnetiseerde spoelen te veranderen. Deze polariteitsverandering zorgt ervoor dat het magnetische veld voor de trein het voertuig naar voren trekt, terwijl het magnetische veld achter de trein meer voorwaartse stuwkracht toevoegt.

Maglev-treinen drijven op een luchtkussen, wrijving elimineren. Door dit gebrek aan wrijving en de aerodynamische ontwerpen van de treinen kunnen deze treinen ongekende transportsnelheden over de grond bereiken van meer dan 310 mph (500 km/u), of twee keer zo snel als de snelste forenzentrein van Amtrak [bron:Boslaugh]. In vergelijking, een commercieel vliegtuig van Boeing-777 dat wordt gebruikt voor langeafstandsvluchten kan een topsnelheid bereiken van ongeveer 905 km/u. Ontwikkelaars zeggen dat maglev-treinen uiteindelijk steden met een lengte tot 1 zullen verbinden 000 mijl (1, 609 kilometer) uit elkaar. Bij 310 mph, je zou in iets meer dan twee uur van Parijs naar Rome kunnen reizen.

Sommige maglev-treinen zijn in staat tot nog grotere snelheden. In oktober 2016, een maglev-kogeltrein van de Japan Railway vloog in korte tijd helemaal tot 374 mph (601 km/u). Dat soort snelheden geven ingenieurs de hoop dat de technologie nuttig zal zijn voor routes van honderden kilometers lang.

Duitsland en Japan hebben beide magneetzweeftreintechnologie ontwikkeld, en geteste prototypes van hun treinen. Hoewel gebaseerd op vergelijkbare concepten, de Duitse en Japanse treinen hebben duidelijke verschillen. In Duitsland, ingenieurs ontwikkelden een elektromagnetische ophanging ( EMS ) systeem, Transrapid genoemd. In dit systeem, de onderkant van de trein wikkelt zich rond een stalen geleiding. Elektromagneten die aan het onderstel van de trein zijn bevestigd, worden omhoog gericht naar de geleiding, die de trein ongeveer 1/3 inch (1 centimeter) boven de geleiding laat zweven en de trein zweeft, zelfs als deze niet beweegt. Andere geleidingsmagneten die in het lichaam van de trein zijn ingebed, houden deze tijdens het rijden stabiel. Duitsland heeft aangetoond dat de Transrapid maglev-trein 300 mph kan bereiken met mensen aan boord. Echter, na een ongeval in 2006 (zie kader) en enorme kostenoverschrijdingen op een voorgestelde route van het centraal station naar de luchthaven van München, plannen om een ​​magneetzweeftrein in Duitsland te bouwen werden in 2008 gesloopt [bron:DW]. Vanaf dat moment, Azië is het centrum geworden voor maglev-activiteit.

Maglev-ongevallen

Op 11 augustus 2006, een maglev-treincoupé op de Transrapid Shanghai-luchthavenlijn vloog in brand. Er waren geen gewonden, en onderzoekers geloven dat de brand werd veroorzaakt door een elektrisch probleem. Op 22 september 2006, een Transrapid-testtrein in Emsland, Duitsland crashte tijdens een testrit tegen een reparatieauto die per ongeluk op de baan was achtergelaten. De trein reed op dat moment minstens 120 mph (193 km / u). Zo'n 23 passagiers werden gedood en 11 gewond. Een rechtbank oordeelde dat menselijke fouten de oorzaak waren van het incident, wat voorkomen zou zijn als de medewerkers de vastgestelde regels en procedures hadden gevolgd. Sinds 2006 zijn er geen ongevallen met maglev meer gemeld. de testtreinen in Duitsland werden uiteindelijk stopgezet terwijl de magneetzweeftrein in Shanghai nog steeds rijdt.

Elektrodynamische ophanging (EDS)

Hierboven ziet u een afbeelding van de geleiding voor de Yamanashi-maglev-testlijn in Japan. Foto's met dank aan Railway Technical Research Institute

Japanse ingenieurs hebben een concurrerende versie van maglev-treinen ontwikkeld die gebruik maken van een elektrodynamische vering ( EDS ) systeem, die is gebaseerd op de afstotende kracht van magneten. Het belangrijkste verschil tussen Japanse en Duitse magneetzweeftreintechnologie is dat de Japanse treinen supergekoelde, supergeleidende elektromagneten. Dit soort elektromagneet kan elektriciteit geleiden, zelfs nadat de voeding is uitgeschakeld. In het EMS-systeem, die standaard elektromagneten gebruikt, de spoelen geleiden alleen elektriciteit als er een voeding aanwezig is. Door de spoelen bij ijskoude temperaturen te koelen, Het Japanse systeem bespaart energie. Echter, het cryogene systeem dat wordt gebruikt om de spoelen te koelen, kan duur zijn en aanzienlijk bijdragen aan de constructie- en onderhoudskosten.

Een ander verschil tussen de systemen is dat de Japanse treinen bijna 10 centimeter boven de geleiding zweven. Een mogelijk nadeel bij het gebruik van het EDS-systeem is dat maglev-treinen op rubberen banden moeten rollen totdat ze een lanceringssnelheid van ongeveer 93 mph (150 km/u) bereiken. Japanse ingenieurs zeggen dat de wielen een voordeel zijn als een stroomstoring het systeem uitschakelt. Ook, passagiers met pacemakers zouden moeten worden afgeschermd van de magnetische velden die worden gegenereerd door de supergeleidende elektromagneten.

De Inductrack is een nieuwer type EDS dat permanente magneten op kamertemperatuur gebruikt om de magnetische velden te produceren in plaats van aangedreven elektromagneten of gekoelde supergeleidende magneten. Inductrack gebruikt een krachtbron om de trein te versnellen totdat deze begint te zweven. Als de stroom uitvalt, de trein kan geleidelijk afremmen en op zijn hulpwielen stoppen.

De baan is eigenlijk een reeks elektrisch kortgesloten circuits met geïsoleerde draad. In één ontwerp, deze circuits zijn uitgelijnd als sporten in een ladder. Terwijl de trein beweegt, een magnetisch veld stoot de magneten af, waardoor de trein zweeft.

Er zijn momenteel drie Inductrack-ontwerpen:Inductrack I, Inductspoor II, en Inductrack III. Inductrack I is ontworpen voor hoge snelheden, terwijl Inductrack II geschikt is voor lage snelheden. Inductrack III is speciaal ontworpen voor zeer zware ladingen die met lage snelheden worden verplaatst. Inductrack-treinen kunnen hoger zweven met meer stabiliteit. Zolang het maar een paar mijl per uur beweegt, een Inductrack-trein zal bijna 2,54 centimeter boven het spoor zweven. Een grotere opening boven het spoor betekent dat de trein geen complexe sensorsystemen nodig heeft om de stabiliteit te behouden.

Permanente magneten waren nog niet eerder gebruikt omdat wetenschappers dachten dat ze niet genoeg zwevende kracht zouden creëren. Het Inductrack-ontwerp omzeilt dit probleem door de magneten in een Halbach-array . De magneten zijn zo geconfigureerd dat de intensiteit van het magnetische veld zich boven de array concentreert in plaats van eronder. Ze zijn gemaakt van een nieuwer materiaal bestaande uit een neodymium-ijzer-boorlegering, die een hoger magnetisch veld genereert. Het Inductrack II-ontwerp bevat twee Halbach-arrays om bij lagere snelheden een sterker magnetisch veld te genereren.

Opmerkelijk, het passieve magnetische levitatieconcept is een kernkenmerk van voorgestelde hyperloop-transportsystemen, wat in wezen een trein in Inductrack-stijl is die door een afgesloten buis schiet die de hele baan omhult. Het is mogelijk dat hyperloops de voorkeursbenadering worden, deels omdat ze de kwestie van luchtweerstand ontwijken op de manier waarop de reguliere maglevs dat niet kunnen, en daarom, supersonische snelheden moeten kunnen halen. Sommigen zeggen dat een hyperloop misschien zelfs minder kost dan een traditionele hogesnelheidslijn.

Maar terwijl magneetzweeftreinen al een bewezen technologie zijn met een jarenlange operationele geschiedenis, niemand heeft nog ergens ter wereld een commerciële hyperloop gebouwd [bron:Davies].

Maglev-technologie in gebruik

Een Transrapid-trein op het Emsland, Duitsland testfaciliteit. Afbeelding gebruikt onder GNU-licentie voor vrije documentatie

Terwijl maglev-transport meer dan een eeuw geleden voor het eerst werd voorgesteld, de eerste commerciële magneettrein werd pas in 1984 werkelijkheid, toen een lage-snelheid maglev-shuttle operationeel werd tussen het Birmingham International treinstation in het Verenigd Koninkrijk en een luchthaventerminal van Birmingham International Airport. Vanaf dat moment, verschillende maglev-projecten zijn gestart, vastgelopen, of ronduit in de steek gelaten. Echter, er zijn momenteel zes commerciële magneetzweeflijnen, en ze bevinden zich allemaal in Zuid-Korea, Japan en China.

Het feit dat magneetzweefsystemen snel zijn, soepel en efficiënt verandert niets aan één verlammend feit - deze systemen zijn ongelooflijk duur om te bouwen. Amerikaanse steden van Los Angeles tot Pittsburgh tot San Diego hadden plannen voor maglev-lijnen in de maak, maar de kosten van het bouwen van een maglev-transportsysteem (ongeveer $ 50 miljoen tot $ 200 miljoen per mijl) waren onbetaalbaar en hebben uiteindelijk de meeste van de voorgestelde projecten vernietigd. Sommige critici bekritiseren maglev-projecten omdat ze misschien vijf keer zoveel kosten als traditionele spoorlijnen. Maar voorstanders wijzen erop dat de kosten van het gebruik van deze treinen, in sommige gevallen, tot 70 procent minder dan met old-school treintechnologie [bronnen:Hall, Hidekazu en Nobuo].

Het helpt niet dat sommige spraakmakende projecten zijn geflopt. De administratie van de Old Dominion University in Virginia had gehoopt een supershuttle te hebben die studenten heen en weer over de campus zoeft, te beginnen in het herfstsemester van 2002, maar de trein deed een paar testritten en kwam nooit echt in de buurt van de beloofde snelheden van 40 mph (64 km / u). De treinstations werden uiteindelijk in 2010 afgebroken, maar delen van het verhoogde spoorsysteem staan ​​nog steeds, een bewijs van een mislukking van $ 16 miljoen [bron:Kidd].

Maar andere projecten blijven bestaan. Een ambitieuze groep wil een traject van 64 kilometer aanleggen van Washington D.C. naar Baltimore, en het idee heeft veel voorstanders, maar het project zal naar verwachting tot $ 15 miljard kosten. Het exorbitante prijskaartje van het concept kan zowat overal ter wereld lachwekkend zijn, maar de zielverpletterende patstelling en beperkte ruimte van deze regio betekent dat stadsplanners en ingenieurs een innovatieve oplossing nodig hebben, en een supersnel maglev-systeem is misschien de beste optie. Een belangrijk verkoopargument - een uitbreiding van dit project zou een verbinding kunnen maken met Washington naar de stad New York en de reistijden kunnen verkorten tot slechts 60 minuten, een snel woon-werkverkeer dat de handel en reizen in het noordoosten zou kunnen veranderen [bronnen:Lazo, Noordoost Maglev].

In Azië, Hoewel, de maglev-boom is in wezen al aan de gang. Japan werkt koortsachtig aan een route van Tokio naar Osaka die mogelijk in 2037 wordt geopend. de trein zal de bijna drie uur durende reis terugbrengen tot slechts 67 minuten [bron:Reuters].

China overweegt serieus tientallen mogelijke maglev-routes, allemaal in drukke gebieden die massatransport met hoge capaciteit vereisen. Dit zullen geen hogesnelheidstreinen zijn. In plaats daarvan, ze zullen veel mensen over kortere afstanden met lagere snelheden verplaatsen. Hoe dan ook, China produceert al zijn eigen maglev-technologieën en staat op het punt een commerciële maglev-lijn van de derde generatie te onthullen met een topsnelheid van ongeveer 125 mph (201 km/u) en – in tegenstelling tot eerdere versies – volledig zonder bestuurder, in plaats daarvan vertrouwen op computersensoren voor acceleratie en remmen (het land heeft al enkele maglev-treinen in gebruik, maar ze hebben een bestuurder nodig.) [bron:Wong].

Het is onmogelijk om precies te weten hoe maglevs zullen spelen in de toekomst van menselijk vervoer. Vooruitgang in zelfrijdende auto's en vliegreizen kan de inzet van maglev-lijnen bemoeilijken. Als de hyperloop-industrie erin slaagt momentum te genereren, het kan allerlei transportsystemen verstoren. En sommige ingenieurs vermoeden dat zelfs vliegende auto's, hoewel ongelooflijk prijzig, in de toekomst misschien de spoorwegsystemen overtreffen omdat ze geen enorme infrastructuurprojecten nodig hebben om van de grond te komen.

Misschien over een decennium of twee, landen over de hele wereld zullen tot een oordeel zijn gekomen over maglev-treinen. Misschien worden ze een spil van reizen op hoge snelheid, of gewoon huisdierprojecten die slechts fragmenten van bepaalde populaties in een druk stedelijk gebied dienen. Of misschien verdwijnen ze gewoon in de geschiedenis, een bijna magische vorm van levitatietechnologie die nooit echt van de grond kwam.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Hoe elektromagneten werken
  • Hoe elektromagnetische voortstuwing zal werken
  • Hoe Sonic Cruisers zal werken
  • Hoe vliegende auto's werken
  • Hoe tijdreizen zal werken

Meer geweldige links

  • American Maglev Company
  • 8 manieren waarop magnetische levitatie de toekomst kan vormen
  • noordoosten Maglev
  • 9 interessante feiten over 's werelds snelste trein

bronnen

  • bonenland, Christoffel. "Magnetic Levitation:the Return of Transport's Great 'Wat als?'" The Guardian. 27 november 2018. https://www.theguardian.com/cities/2018/nov/27/magnetic-levitation-the-return-of-transports-great-what-if-maglev (19 april, 2019)
  • Boslach, Sara, "Magneetzweeftrein." Encyclopedie Brittanica. https://www.britannica.com/technology/maglev-train (19 april, 2019)
  • Hal, Dave. "Maglev-treinen:waarom glijden we niet naar huis op zwevende rijtuigen?" De Wachter. 29 mei 2018. https://www.theguardian.com/technology/2018/may/29/maglev-magnetic-levitation-domestic-travel (19 april, 2019)
  • Hidekazu, Aoki en Nobuo, Kawamiya. "End Game voor de bouwstaat van Japan - The Linear (Maglev) Shinkansen en Abenomics." Azië-Pacific Journal. 15 juni 2017. https://apjjf.org/2017/12/Aoki.html (19 april, 2019)
  • Kidd, David. "Achter de lens:een flop van $ 16 miljoen." regeren. 21 december 2018. https://www.governing.com/topics/transportation-infrastructure/gov-maglev-train-old-dominion-university.html (19 april, 2019)
  • Lazo, Luz. "De snelle 'Maglev' belooft veel dingen, maar tegen welke prijs?" Washington Post. 24 februari, 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 zes operationele Maglev-lijnen in 2018." 16 februari 2018. https://www.maglev.net/six-operational-maglev-lines-in-2018 (19 april, 2019)
  • De noordoostelijke Maglev. https://northeastmaglev.com/ (19 april, 2019)
  • https://apjjf.org/-Kawamiya-Nobuo—Aoki-Hidekazu/5050/article.pdf (19 april, 2019)
  • loodgieter, Libby. "Hoe werkt Hyperloop? Alles wat u moet weten over magnetische levitatie." Alphr. 1 september 2017. https://www.alphr.com/technology/1006815/how-hyperloop-works-launch-magnetic-levitation (19 april, 2019)
  • Prosser, Marc. "Zijn Maglev-treinen de (ultrasnelle, Zwevend) transitsysteem van de toekomst?" SingularityHub. 1 augustus 2018. https://singularityhub.com/2018/08/01/are-maglev-trains-the-ultra-fast-levitating-transit-system-of-the-future/#sm.0005nhmyw182wfo9y8o2i02jwuwvm (19 april, 2019)
  • Spoorweg technologie. "Zal Maglev ooit mainstream worden?" 17 januari, 2018. https://www.railway-technology.com/features/will-maglev-ever-become-mainstream/ (19 april, 2019)
  • Rector, Kevin. "'Het kan worden gedaan':futuristische Japanse Maglev-trein kan een revolutie teweegbrengen in het reizen van DC naar Baltimore, en verder." Baltimore zo. 27 oktober 2018. https://www.baltimoresun.com/news/maryland/bs-md-japan-maglev-20180531-htmlstory.html (19 april, 2019)
  • veiliger, Barbara. "Hoe Maglevs werken." Eduplace. https://www.eduplace.com/science/hmxs/ps/mode2/cricket/sect7cc.shtml (19 april, 2019)
  • Tunnel Business Magazine. "Q&A met Brad Swartzwelter:Tunneling en Hyperloop." 4 april, 2019. https://tunnelingonline.com/qa-with-brad-swartzwelter-tunneling-and-hyperloop/ (19 april, 2019)
  • Amerikaanse ministerie van Energie. "Hoe Maglev werkt." 14 juni 2016. https://www.energy.gov/articles/how-maglev-works (19 april, 2019)
  • Wong, Maggie. "China introduceert in 2020 een nieuwe generatie zelfrijdende treinen." CNN. 4 maart, 2019. https://www.cnn.com/travel/article/china-driverless-maglev-trains/index.html (19 april, 2019)

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Zijn mannen gewelddadiger dan vrouwen?
  2. Hebben plantencellen flagella?
  3. Wat betekent inoculeren in de microbiologie?
  4. Wat kan je spit je vertellen over je DNA?
  5. Celstructuur van een dier
  6. Wat is een gespecialiseerd gebied van het endoplasmatisch reticulum?
  7. Wat zijn de primaire functies van fosfolipiden?
  8. Kunnen eukaryoten overleven zonder mitochondria?
  9. Onderzoekers lokaliseren genetische mutatie bij chronische nachtbrakers

Wetenschap