Maglev, con il treno proiettile il magnetismo è d

“Per giungere alla concezione futurista del provvisorio, del veloce e dell'eroico sforzo continuo, bisogna bruciare la tonaca nera, simbolo di lentezza e fondere tutte le campane per farne altrettante rotaie di nuovi treni ultra-veloci.” Filippo Tommaso Emilio Marinetti

Maglev, con il treno proiettile il magnetismo è dalla nostra parte

Guarino Eleonora, Mazza Aurora, Santoro Idilia

Maglev il treno più veloce del mondo

una storia d’innovazione

2015

1970

Inizio dei test a levitazione magnetica Maglev

Il treno proiettile raggiunge per la prima volta i 603 km orari

2027

2003

Sarà inaugurato il primo segmento di 286 chilometri sulla tratta Tokyo-Osaka, i “treni proiettile” correranno a una velocità di 505 Km orari su un percorso all'80% sotterraneo

Un convoglio ha toccato i 581 km orari

Molto più veloce di un aereo, il treno non creerebbe alcun rumore ne inquinerebbe l'atmosfera. Non ha nemmeno un motore ne ruote che sferragliano contro le rotaie.

COME FUNZIONA?

oltre i limiti della velocità

Per muoversi il treno usa dei magneti superconduttori. Attraverso il passaggio di corrente elettrica creano un forte campo magnetico intorno a se stessi. Maggiore è l'intensità della corrente, più grande e potente è il campo magnetico generato.

Il termine Maglev è nato dalla crasi tra Magnetic e Levitation, fra magnetico e levitazione. In ambito ferroviario, la levitazione magnetica è una tecnologia che consente al veicolo di rimanere sospeso nello spazio in assenza di qualsiasi tipo di contatto. Pertanto, le forze magnetiche sono utilizzate per contrastare gli effetti della forza di gravità agenti sul veicolo stesso.

propulsione

Per raffreddare l'elettromagnete abbiamo bisogno di un serbatoio di elio liquido, un refrigeratore e uno scudo termico di azoto.

La corrente elettrica tende a riscaldare il magnete diminuendone la sua efficienza indebolendo il campo magnetico generato. La soluzione ovvia è raffreddare il magnete. Possiamo farlo se raggiungiamo una temperatura di -264°C, la stessa che troviamo nello spazio. A quella temperatura il materiale magnetico smette di resistere alla corrente elettrica ecco perchè prende il nome di superconduttore. Non c'è bisogno di fornire corrente elettrica al magnete tutto il tempo. Il magnete verrà caricato una sola volta e la corrente circolerà per un tempo indefinito stabilizzando il campo magnetico.

Anche i magneti all’interno del treno sono allo stesso livello delle rotaie. Sappiamo che i poli opposti dei magneti nord e sud si attraggono mentre le cariche corrispondenti si respingono creando forze di attrazione e repulsione dei magneti. La risultante è diretta in avanti cosi il treno incomincia a spostarsi.

Altri elettromagneti a forma di O, sono posti sui lati della rotaia in cui la loro polarità si alterna tra nord e sud all’ infinito.

COME RAGGIUNGERE QUESTA TEMPERATURA INCREDIBILMENTE BASSA?

Il conducente può regolare la velocità del treno cambiando la polarità dei magneti. Più frequentemente si cambia il nord e il sud più il treno aumenta di velocità.

l maglev è dotato di normali ruote per rallentare. In stazione il treno sfrutta le ruote per prendere velocità, poi si ritraggono come il carrello di atterraggio di un aereo. Una tecnologia così avanzata porta con se anche dei problemi, primo fra tutti la dimensione del treno. E' molto più piccolo e ha una capienza ridotta con conseguente aumento dei prezzi dei biglietti rispetto a quelli convenzionali. Un altro problema è l’aereodinamicità. Più il treno va veloce più è difficile fendere l’aria, ecco perché presentano una forma allungata, che ricorda quella di un proiettile. In aggiunta i maglev non possono usare i tracciati convenzionali ma avranno bisogno di strutture completamente nuove. I tracciati dovranno essere il più possibili rettilinei e ciò aumenterà il numero di gallerie da scavare insieme al costo del progetto.

Ma come fa il treno a rimanere sospeso?

levitazione

Immaginiamo che le coppie dei magneti da entrambi i lati siano un unico magnete gigante. Il campo magnetico del treno carica questa bobina a forma di 8, permentendo il passaggio della corrente elettrica e il treno si mantiene stabile, galleggiando sulle rotaie, senza che, per effetto della forza di gravità vada verso il basso.

I magneti ai lati delle rotaie svolgono tutto il lavoro.

QUATTRO SISTEMI

TECNOLOGIE MODERNE DEL SETTORE

Sistema MAGLEV (Magnetic Levitation – levitazione magnetica) che utilizza magneti superconduttori per far librare il convoglio sopra un binario elettrico, viaggiando a oltre 600 km/h. Raggiungere e mantenere l’equilibrio del convoglio sulla via di corsa è un’azione complessa, poiché entrano in gioco forze gravitazionali, elettriche e magnetiche.

Sistema HYPERLOOP (Brevettato dalla Hyperloop Transportation Technologies) che utilizza tubi a bassa pressione per poter spingere capsule, che possono contenere passeggeri o merci, fino a velocità di 1.200 - 1.220 km/h. Le capsule si muovono su un cuscino d'aria generato attraverso più aperture, presenti nella sua base, così da ridurre ulteriormente l'attrito. In alternativa si possono utilizzare magneti permanenti per la levitazione magnetica delle capsule.

QUATTRO SISTEMI

TECNOLOGIE MODERNE DEL SETTORE

Sistema IRONLEV Utilizza un carrello a levitazione magnetica, studiato per funzionare sulle vie di corsa ferroviarie già esistenti sino a velocità di 500 km/h. Il sistema si potrà applicare su treni di nuova generazione, sostituendo le ruote con pattini a levitazione magnetica appositamente studiati.

Sistema INDUCTRACK Un nuovo sistema forse più economico dei sistemi convenzionali è chiamato inductrack. Questa tecnologia è stata sviluppata dal fisico Richard F. Post del Lawrence Livermore National Laboratory e si basa sull'utilizzo di elettromagneti non alimentati (passivi) e di magneti permanenti. Questa tecnologia necessita di corrente solamente durante il movimento del mezzo e la quantità necessaria è direttamente proporzionale alla velocità del mezzo. I magneti e il carrello non sono alimentati se non per dare velocità al carrello.

Velocità

Standard geometrici Consumi energetici

Capacità di trasporto Compatibilità con le linee ferroviarie ordinarie

Effetti ambientali

Costi

velocità

In primo luogo è da evidenziare, sulle linee ferroviarie convenzionali ad AV, l'esigenza del contenimento delle altissime velocità (oltre i 350 Km/h) a causa delle elevate sollecitazioni indotte sulla via di corsa e quindi per limitare i costi della manutenzione della linea. Tale problematica non è ancora stata verificata per linee convenzionali adeguate per il nuovo sistema Ironlev (Magrail) che potrebbe raggiungere velocità di oltre 500 Km/h. Se i valori di velocità di Hyperloop potranno essere raggiunti, questa tecnologia avrebbe un grande vantaggio rispetto ai parametri di velocità dell’AV, di Ironlev (Magrail) nonché relativamente ai tempi di percorrenza.

Compatibilità con le linee ferroviarie ordinarie

CAPACITà di trasporto

Se si valutano i sistemi in termini di capacità, le ferrovie convenzionali ad AV e Ironlev (Magrail) garantiscono valori più significativi rispetto a Maglev ed Hyperloop. In termini di compatibilità il sistema Maglev e il sistema di trasporto Hyperloop non sono compatibili e quindi integrabili con linee esistenti perché richiedono una propria linea speciale, una struttura di sostegno, stazioni, strutture di ricovero e officine di manutenzione.

COSTI

Incompatibilità con le linee esistenti AV e alti costi di costruzione possono essere considerati come aspetti negativi del sistema di trasporto Maglev. Prendendo in esame il costo medio di costruzione, il sistema di trasporto Hyperloop è più economico della ferrovia convenzionale ad AV. Inoltre poiché il treno Maglev e la capsula Hyperloop si muovono senza contatto con la via di corsa, il costo di manutenzione è inferiore alle ferrovie convenzionali ad AV.

STANDARD GEOMETRICI E CONSUMI ENERGETICI

STANDARD GEOMETRICI

CONSUMI ENERGETICI

In materia di standard geometrici, Maglev e Hyperloop richiedono raggi per le curve orizzontali inferiori, a parità di velocità, rispetto alla velocità di percorrenza ad AV delle ferrovie. Inoltre sono in grado di viaggiare a velocità più elevate, con lo stesso raggio di curvatura e in salita con pendenze più elevate.

Nel confronto basato sul consumo energetico, i treni Maglev consumano il 20-30% in meno rispetto a treni convenzionali ad AV grazie all'aerodinamica. Nel Rapporto Hyperloop Alpha, si afferma che la capsula Hyperloop funzionerebbe interamente con energia solare. Di conseguenza, in Hyperloop il modo di trasporto dovrebbe richiedere meno energia e consumo rispetto a Maglev e ferrovia convenzionale ad AV. Anche il sistema di trasporto Ironlev (Magrail) consumerà meno energia rispetto a treni convenzionali ad AV.

EFFETTI AMBIENTALI

Quando si prendono in esame i termini di utilizzo del suolo, Maglev e i tipi di trasporto Hyperloop sono da considerare come strutture in elevazione con risparmi nell'uso del suolo. Inoltre, grazie alla tecnologia contactless utilizzata, i sistemi di trasporto Maglev e Hyperloop, generano meno rumore e i valori di vibrazione sono più contenuti rispetto a treni convenzionali ad AV.

Applicando la seconda legge di Newton si ha:

QUALI SONO LE LEGGI FISICHE CHE REGOLANO IL FENOMENO?

Applicando l’approssimazione di punto materiale al sistema si ottengono le forze agenti sul mezzo riportate in figura, dove a fianco al punto è riportato nuovamente il verso con cui viene misurata la distanza h(t) del mezzo rispetto alla guidovia e in viola è riportato anche il verso dell’accelerazione verticale a(t) del mezzo.

E' necessario introdurre un fenomeno fondamentale nell’elettromagnetismo e per i sistemi a levitazione magnetica: l’induzione elettromagnetica. Questo fenomeno, descritto dalla legge di Faraday - Neumann, è tale per cui un circuito soggetto ad un campo magnetico variabile dà origine a una corrente elettrica chiamata corrente indotta.

Ma per poter produrre corrente elettrica all’interno di un circuito è necessario che agli estremi di quest’ultimo si verifichi una differenza di potenziale, ovvero una forza elettromotrice (f.e.m., definita f.e.m. indotta).

segno -, conseguenza della legge di Lenz, che determina il verso della f.e.m. "la corrente indotta genera un campo magnetico che si oppone al cambiamento del flusso magnetico nel tempo".

Sempre Faraday dimostrò che “la f.e.m. indotta in un circuito è proporzionale alla rapidità di variazione del flusso magnetico attraverso una qualunque superficie delimitata dal circuito”.

Nei treni Maglev, il sistema di levitazione è generalmente basato su elettromagneti o superconduttori che generano un campo magnetico. La legge di Biot-Savart entra in gioco quando si considera il campo magnetico generato dalle correnti che circolano nel sistema. Le correnti nei conduttori (sia nel treno che nei binari) producono campi magnetici che possono interagire tra loro.

Quando una corrente elettrica scorre lungo i binari o nel treno stesso, secondo la legge di Biot-Savart, viene generato un campo magnetico in ogni punto dello spazio attorno ai conduttori. Questo campo magnetico può essere utilizzato per generare forze di repulsione o di attrazione tra i magneti nei binari e quelli nel treno, creando così un effetto di levitazione e di propulsione. In combinazione con la legge di Biot-Savart, la forza di Lorentz (che è il risultato dell'interazione di una corrente elettrica con un campo magnetico) viene utilizzata per ottenere il movimento e la levitazione. La forza di Lorentz è direttamente influenzata dal campo magnetico, che viene calcolato dalla legge di Biot-Savart. In particolare, la forza che agisce sul treno Maglev dipende dalla geometria, dalla posizione relativa dei magneti e dalle correnti nei binari.

COME SI APPLICANO LA LEGGE DI BIOT-SAVART E LA FORZA DI LORENTZ?

levitazione

STABILITà E CONTROLLO

L'applicazione della legge di Biot-Savart è importante anche nei sistemi di controllo della stabilità del treno. I sistemi di levitazione devono essere progettati in modo che i campi magnetici interagiscano in modo preciso, evitando che il treno si inclini o perda stabilità durante il movimento. Il calcolo accurato del campo magnetico tramite la legge di Biot-Savart aiuta a garantire un'adeguata distribuzione delle forze.

Nei sistemi di levitazione magnetica, i magneti disposti sul treno e sui binari generano campi magnetici reciprocamente interagenti. I magneti superconduttori del treno creano un campo molto forte, che induce correnti nei binari, e viceversa. La legge di Biot-Savart è usata per calcolare il campo magnetico generato da queste correnti, in modo da ottimizzare l'interazione tra il campo magnetico del treno e quello dei binari per ottenere una forza di levitazione.

La corrente i(t) che modula il valore della F(d) è data dallo studio del circuito di alimentazione del sistema. In particolare, applicando il secondo principio di Kirchhoff si ha: dove v(t) è la tensione con cui si alimenta il circuito elettrico, R è la resistenza del circuito e L rappresenta sempre il valore dell'induttanza dell'elettromagnete.