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ⓘ Treno a levitazione magnetica




Treno a levitazione magnetica
                                     

ⓘ Treno a levitazione magnetica

Un treno a levitazione magnetica o Maglev è un tipo di treno che viaggia senza toccare le rotaie grazie alla levitazione magnetica.

La repulsione e lattrazione magnetica vengono utilizzate anche come mezzo di locomozione. Dato che il convoglio non tocca le rotaie, lunica forza che si oppone al suo moto è lattrito dellaria. Il MagLev è quindi in grado di viaggiare a velocità elevatissime oltre i 600 km/h con un consumo di energia limitato e un livello di rumore accettabile. Sebbene la velocità del MagLev gli consenta di fare concorrenza allaereo anche nei lunghi percorsi, i costi per la realizzazione delle infrastrutture ne hanno limitato finora lutilizzo a brevi tratte molto frequentate. A Shanghai un MagLev collega la città con laeroporto. La linea è lunga 33 chilometri e viene percorsa dal treno in 7 minuti e 20 secondi con una velocità massima di 501.5 km/h e una velocità media di 250 km/h.

                                     

1. Tecnologia

Le tecnologie che si possono usare per realizzare un MagLev sono due:

  • Sospensione elettromagnetica EMS: utilizza elettromagneti convenzionali montati sullestremità 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.
  • Sospensione elettrodinamica EDS: il treno ottiene la levitazione sfruttando le polarità opposte dei magneti del veicolo e gli avvolgimenti siti sul binario, o viceversa. La forza repulsiva si sviluppa in conseguenza del movimento del veicolo e non è attiva a veicolo fermo. Un esempio di treno basato su tale tecnologia è il JR-Maglev, che utilizza materiali superconduttori raffreddati fino a 20 K circa, montando a bordo refrigeratori e criostati.

Un altro esempio è il sistema inductrack che utilizza magneti permanenti anziché avvolgimenti superconduttori, questa tecnologia rende il veicolo totalmente passivo.

È allo studio e sperimentalmente già realizzata la tecnica di refrigerazione ad elio liquido, in grado di raggiungere una temperatura pari quasi allo zero assoluto a soli 0.2 K dallo zero assoluto. Tale tecnica è più costosa rispetto a quella JR-Maglev.

Unaltra tecnica è quella che prevede lindirizzamento di un flusso fortemente accelerato di protoni verso il magnete permanente quello ancorato al carrello tale da accrescerne in maniera esponenziale il campo magnetico. Tale tecnica presenta il vantaggio di poter impiegare magneti più piccoli e leggeri e quindi meno costosi, vi è però un aumento del consumo di energia elettrica.

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. Daltra 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. Lidea 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 sullutilizzo di elettromagneti non alimentati passivi e di magneti permanenti. La teoria si basa sullutilizzo delle correnti indotte dai magneti permanenti negli elettromagneti quando questi attraversano, in movimento, le linee di campo 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 laltezza 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. Linductrack è stato sviluppato dal fisico Richard F. Post del Lawrence Livermore National Laboratory.

Linductrack 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 lorbita. Lattrito dellaria 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 dellHimalaya.

Durante il 2010 un nuovo Maglev precisamente il JR-MAGLEV MXL02 che usa il sistema a sospensione elettrodinamica EDS ha ottenuto il record di 581.6 km/h su una corsa di test.

Il 21 aprile 2015 un MagLev ha raggiunto i 603 km/h durante alcuni test in Giappone nella prefettura di Yamamashi, stabilendo il nuovo primato mondiale di velocità.

                                     

2.1. Maglev esistenti Unione europea

A Berlino Ovest la società M-Bahn costruì, negli anni ottanta, un maglev da 1.6 km che collegava tre stazioni U-Bahn. Il test con traffico passeggeri partì nellagosto 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.

Il primo sistema commerciale automatico basato su maglev a bassa velocità fu quello sviluppato per collegare lAeroporto 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 lobsolescenza dellelettronica 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 laeroporto internazionale di Shanghai, situato a Pudong, con la città. La linea è lunga 30 km e la massima velocità raggiunta è di 501 km/h.

                                     

2.2. Maglev esistenti Estero

Il Giappone ha testato nella prefettura di Yamanashi un treno maglev, il JR-Maglev, che ha raggiunto la velocità record di 603 km/h, la maggior velocità mai raggiunta da un convoglio terrestre. 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 Linimo. La linea ha un raggio operativo minimo di 75 metri e uninclinazione di 6º. Il motore lineare a levitazione magnetica ha una velocità massima di 100 km/h. Quella linea serve alla popolazione locale per raggiungere lExpo 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 dallazienda Rotem.

Negli Stati Uniti dAmerica 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 6 maggio 2016, è entrato in servizio il Maglev espresso di Changsha, la prima linea maglev costruita con tecnologica cinese.

Il primo brevetto per la levitazione magnetica dei treni con un motore lineare è il US patent 3.470.828, rilasciato nellottobre 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.



                                     

3.1. Proposte future Mobilità cittadina

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

                                     

3.2. Proposte future Attraversamenti sottomarini

Una proposta particolare di maglev punta a realizzare dei tunnel interrati senza aria in modo da poter far viaggiare il treno senza doversi preoccupare dellattrito dellaria. Queste linee sarebbero in grado di utilizzare treni che viaggiano a velocità massime di 600–800 km/h se costruite abbastanza in profondità potrebbero attraversare gli oceani. Ma senza un radicale miglioramento delle tecniche di perforazione queste idee sono irrealizzabili.

                                     

3.3. Proposte future Germania

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 laeroporto. È prevista la riduzione del tempo medio di collegamento dagli attuali 40 minuti a 10 minuti circa. Nellatrio dellaeroporto 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.

                                     

3.4. Proposte future Cina

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.

                                     

3.5. Proposte future Corea del Sud

In Corea del Sud è in fase di costruzione una linea a levitazione magnetica di 6.1 km nei pressi dellAeroporto Internazionale di Incheon chiamata Incheon Maglev. Il treno corre a una velocità di 110 km/h e ha aperto il 30 settembre 2014.

                                     

3.6. Proposte future Regno Unito

Una linea basata su maglev nel Regno Unito è stata proposta nel 2005 per collegare Londra e Glasgow. Questa linea sarebbe dotata anche di diverse opzioni lungo litinerario da realizzare. Sembra che il governo locale abbia preso seriamente in considerazione la proposta.

                                     

3.7. Proposte future Svizzera

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.

                                     

3.8. Proposte future Italia

Nellaprile 2008 a Brescia il giornalista Andrew Spannaus della Executive Intelligence Review, propose di cogliere loccasione della futura Esposizione Universale di Milano EXPO 2015, per iniziare una rivoluzione infrastrutturale in Lombardia, con la previsione di estenderla al resto dItalia. Egli propose di costruire una linea di trasporto a levitazione magnetica per collegare laeroporto di Malpensa con le città di Milano, Bergamo e Brescia.

Nel marzo 2011 fu presentato da parte di Nicola Oliva, membro del Consiglio Comunale di Prato, a Enrico Rossi, presidente della Regione Toscana, la proposta di un collegamento a levitazione magnetica che collegherebbe in pochi minuti Firenze allo scalo aeroportuale di Pisa. Lobiettivo di tale progetto è di realizzare una linea a levitazione magnetica che, iniziando da Prato, passi poi per la stazione di Santa Maria Novella di Firenze e dunque per laeroporto di Firenze, per giungere così fino allaeroporto civile di Pisa. Il Maglev consentirebbe perciò di collegare Firenze e Pisa in tempi assai più rapidi dagli attuali, passando dallora e quindici minuti di oggi ai venti minuti circa con il treno a levitazione magnetica, in questo modo permettendo allo scalo aeroportuale pisano di espandere significativamente il proprio bacino di utenza e quindi di continuare a servire, in qualità di principale aeroporto civile, la Toscana grazie a questo progetto. La progettazione completa prevede, in una seconda fase e in una visione organica, il prolungamento della tratta a levitazione magnetica verso la costa tirrenica con in testa Livorno e con la conseguente costruzione di una piattaforma logistica integrata mare-ferro-aerea di importanza strategica per leconomia regionale toscana.



                                     

4. Record di velocità dei treni magnetici

  • 1994 - Giappone - MLU002N - 431 km/h - senza equipaggio
  • 1997 - Giappone - MLX01 - 550 km/h - senza equipaggio
  • 1988 - Giappone- TR-06 - 412.6 km/h - con equipaggio
  • 1987 - Giappone - MLU001 - 400.8 km/h - con equipaggio
  • 2003 - Giappone - MLX01 - 581 km/h con equipaggio/Composizione di 3 vetture
  • 1989 - Giappone - TR-07 - 436 km/h - con equipaggio
  • 1999 - Giappone - MLX01 - 548 km/h - senza equipaggio
  • 1978 - Giappone - HSST02 - 110 km/h - con equipaggio
  • 1979 - Giappone - ML500 - 517 km/h - senza equipaggio Primo treno a superare i 500 km/h
  • 1993 - Germania - TR-07 - 450 km/h - con equipaggio
  • 1999 - Giappone - MLX01 - 552 km/h - con equipaggio/Composizione di 5 vetture. Guinness authorization.
  • 1975 - Germania Ovest - Komet - 401.3 km/h propulso da un razzo a vapore - senza equipaggio
  • 1973 - Giappone - TR04 - 250 km/h - con equipaggio
  • 1974 - Giappone - EET-01 - 230 km/h - senza equipaggio
  • 1971 - Giappone - TR-02 - 164 km/h
  • 1997 - Giappone - MLX01 - 531 km/h - con equipaggio
  • 1978 - Giappone - HSST01 - 307.8 km/h propulso da razzi di supporto costruiti dalla Nissan- senza equipaggio
  • 2003 - Germania - TR-08 - 501 km/h - con equipaggio
  • 1972 - Giappone - ML100 - 60 km/h - con equipaggio
  • 1987 - Germania Ovest - TR06 - 406 km/h - con equipaggio
  • 2015 - Giappone - L0 - 603 km/h con equipaggio/Composizione di 7 vetture
  • 1971 - Germania Est - Prinzipfahrzeug - 90 km/h