Categories
Міста і країни

Поїзд JR Tokai (500 км/год)

Залізничний оператор JR Tokai (ТОКІО) в центральній Японії цієї осені планує розпочати будівництво лінії Linear Chuo Shinkansen. Це лінія магнітного левітування (від лат. levitas «легкість» — стійка рівновага об’єкта у гравітаційному полі без безпосереднього контакту з іншими тілами) або лінія магнітної подушки.

Ці поїзди зі швидкістю понад 500 км/год будуть найшвидшими у світі. За допомогою надпровідної системи магнітної підвіски, виключаючи тертя, поїзд на електромагнітній подушці за лічені хвилини здатен набирати швидкість більше швидкості звичайного літака.

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Поїзд JR Tokai

Технологія надпровідності в Японії покращувалася протягом багатьох років. Нову лінію планують запустити в експлуатацію між Токіо і Нагоя в 2027 році, це скоротить час у дорозі між двома містами більш ніж на половину: від 90 до 40 хвилин.

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Потяг JR-Tokai-L0-Series-Shinkansen

Зараз JR Tokai тестує потяг на магнітній підвісці на ділянці шляху в 43 км в префектурі Яманасі. Завдяки ряду надпровідних магнітів, вбудованих в машину шириною 3 м (у тому числі муфти), потяг плаває над шляхом на висоті приблизно 10 см. На швидкості 500 км/год поїзд проходить від одного кінця випробувальної траси до іншої (відстань марафону) всього за 5 хвилин.

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Колія (електромагніти розташовані з боків колії і на вагоні, технологія EDS)

Поїзд на магнітній підвісці рухається уздовж U-подібної в поперечному перерізі направляючої доріжки. Вздовж обох стін шляхопроводу працюють силові котушки еліптичних петель (коли електрика проходить через них, утворюється магнітна сила). Левітація і наведення котушок, коли надпровідні магніти поїзда проходять через них, тим часом формуються в «вісімки», що створює свою власну магнітну силу. Ці котушки розташовані в коробках (це приблизно 1 квадратний метр уздовж напрямної).

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Салон вагону

Коли електричний струм тече через рушійну силу котушок, створюється магнітне поле. Сили притягання і відштовхування між котушками і надпровідними магнітами на поїзді рухають потяг вперед. Швидкість потяга регулюється синхронним зміщенням полярності в магнітному полі рухової котушки між північчю і півднем. Поїзд має максимальну записану швидкість 581 км/год, хоча технічно можливо підняти цю цифру набагато вище.

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Шанхайський поїзд на магнітній подушці «Трансрапід» (технологія EMS)

Щоб створити левітацію і бічну рівновагу в поїзді, використовується явище електромагнітної індукції. Коли поїзд проходить уздовж рейки, електричний струм індукується в левітацію і наведення котушок, у верхній і нижній петлі вісімки виникають протилежні магнітні полюси.

Верхні петлі на поїзді стають повною протилежністю магнітам, утворюється притягання, що піднімає поїзд вгору. Нижні петлі мають ті ж самі полюси, що і магніти. Це створює відштовхування, яке штовхає поїзд в напрямку вгору. Дві сили об’єднуються, щоб піднімати поїзд, зберігаючи при цьому його бічний баланс між стінками.

Вага переднього і заднього вагонів – по 35 тонн кожен, середні вагони – по 25 тонн. Незважаючи на велике навантаження, надпровідні магніти створюють зусилля близько 1 Тесла – досить сильне, щоб підштовхнути потяг на 10 см над дорогою. Котушками створюється сила левітації на стінах (у теорії не вимагається прилаштування направляючої до дна).

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Схема руху поїзда на магнітній підвісці за технологією EMS
Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Принцип руху потягів
Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Принцип руху поїзда на магнітній подушці (технологія EDS)
Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Різновиди левітуючої техніки
Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Пристрій магнітної подушки поїзда «Трансрапід» (технологія EMS)

Надпровідні магніти генерують сили таким же чином, як і звичайний електромагніт, але вони менші і легші на еквівалентну кількість сили. Через відсутність електричного опору, струм, що проходить скрізь них, вільно продовжує текти і може перетворюватися в повній мірі в сильну магнітну силу.

Для звичайних магнітів для виробництва такої ж кількості сили повинен бути застосований більший електричний струм, що робить їх в 100 разів важче надпровідних магнітів. Тобто таке застосування в потягах на магнітній підвісці зовсім непрактичне.

Вчені вже достатньо довго працюють над винаходом матеріалів, при критичних температурах яких відбувається надпровідність. Надпровідність ртуті, яка зберігається при температурі мінус 269° C, було винайдено більше 100 років тому в Хайке Камерлінг-Оннес фізиками Лейденського університету в Нідерландах. Ніобій-титановий сплав, який використано для створення надпровідних магнітів для поїздів на магнітній підвісці, вперше було розроблено в 1962 році (сплав легко обробляти і він підходив для промислового використання).

Ніобій-титановий сплав зберігає надпровідність при температурі до мінус 263° C (але нова система, щоб виробити достатню магнітну силу, працює на магнітній підвісці при температурі, яка нижча за цю ще на 6 градусів). Тому, щоб досягти надпровідності, такі магніти потрібно тримати в холоді. Сплав охолоджують рідким гелієм до температури мінус 269° C.

В США і Великобританії ще в другій половині 1970-х років були розроблені пристрої магнітно-резонансної томографії (МРТ). Але оскільки рідкий гелій коштує дорого, промислового застосування надпровідності за межами апаратів МРТ він не набув.

У 1986 році швейцарська дослідницька група виявила оксид міді, який має надпровідність при відносно високій температурі, що не можна пояснити звичайною теорією. Таке явище назвали високотемпературною надпровідністю (хоча критична температура мінус 243° C) через перевищення ліміту теорії.

Оксиди міді, які стають надпровідними при охолодженні рідким азотом (-196° C) були виявлені в США в 1987 році і в Японії в 1988 р. В залежності від хімічного складу їх назвали тип ітрію і тип вісмуту відповідно. Потенційно вони більш вигідні, оскільки рідкий азот дешевше, ніж рідкий гелій.

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Схема колії (електромагніти розташовані з боків колії і на вагоні)
Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Штовхальна (а) і піднімальна (б) котушки
Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Принцип руху поїзда на магнітній підвісці (технологія EMS)

У 2005 році JR Tokai провели тести потяга на магнітній подушці, оснащеного вісмутом типу високотемпературних надпровідних магнітів. Компанія виявила, що такий потяг може підтримувати максимальну швидкість близько 554 км/год з використанням надпровідних магнітів, охолоджених до мінус 253° C (що на 16° C більше ніж при охолоджуванні рідким гелієм). Крім того, такі магніти можуть бути охолоджені безпосередньо, без використання холодильників або рідкого гелію чи рідкого азоту. Такі холодильники мають просту структуру, їх легше підтримувати, ніж холодильники з використанням рідких теплоносіїв. Спираючись на результати сучасних тестових запусків, можна сказати, що сьогодні JR Tokai розробляє високотемпературний надпровідний магніт.

Поїзд JR Tokai (500 км/год)
Принцип левітації поїзда на магнітній підвісці (технологія EMS)