Поезда на магнитной подушке, маглевы – самый быстрый вид наземного общественного транспорта. И хотя в эксплуатацию пока введено всего три небольших трека, исследования и испытания прототипов магнитных поездов проходят в разных странах. Как развивалась технология магнитной левитации и что ждет ее в ближайшем будущем вы узнаете из этой статьи.

История становления

Первые страницы истории маглев были заполнены рядами патентов, полученных в начале XX века в разных странах. Еще в 1902 году патентом на конструкцию поезда, оснащенного линейным двигателем, отметился немецкий изобретатель Альфреда Зейден. А уже спустя четыре года Франклин Скотт Смит разработал еще один ранний прототип поезда на электромагнитном подвесе. Немного позже, в период с 1937 года по 1941 год, еще нескольких патентов относящихся к поездам, оснащенным линейными электродвигателями, получил немецкий инженер Герман Кемпер. К слову, подвижные составы Московской монорельсовой транспортной системы, построенной в 2004 г., используют для движения асинхронные линейные двигатели – это первый в мире монорельс с линейным двигателем.

В конце 1940-х годов исследователи перешли от слова к делу. Британскому инженеру Эрику Лэйзвейту, которого многие называют «отцом маглевов», удалось разработать первый рабочий полноразмерный прототип линейного асинхронного двигателя. Позже, в 1960-х годах, он присоединился к разработке скоростного поезда Tracked Hovercraft. К сожалению, в 1973 году проект закрыли из-за нехватки средств.

В 1979 год появился первый в мире прототип поезда на магнитной подушке, лицензированный для предоставление услуг по перевозке пассажиров – Transrapid 05. Испытательный трек длиной 908 м был построен в Гамбурге и представлен в ходе выставки IVA 79. Интерес к проекту оказался настолько велик, что Transrapid 05 удалось успешно проработать еще три месяца после окончания выставки и перевезти в общей сложности около 50 тыс. пассажиров. Максимальная скорость этого поезда составляла 75 км/ч.

А первый коммерческий магнитоплан появился в 1984 году в Бирмингеме, Англия. Железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяла терминал международного аэропорта Бирмингема и расположенную рядом железнодорожную станцию. Она успешно проработала с 1984 год по 1995 год. Протяженность линии составляла всего 600 м, а высота, на которую состав с линейным асинхронным двигателем поднимался над полотном дороги – 15 миллиметров. В 2003 году на ее месте была построена система пассажирских перевозок AirRail Link на базе технологии Cable Liner.

В 1980-х годах к разработке и реализации проектов по созданию высокоскоростных поездов на магнитной подушке приступили не только в Англии и Германии, но и в Японии, Корее, Китае и США.

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.

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.

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.

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.

Книга рекордов Гиннесса

Если взглянуть на ближайших конкурентов, то среди них стоит отметить шанхайский маглев Transrapid SMT, построенный в Германии, которому удалось в ходе испытаний в 2003 году развить скорость 501 км/ч и его прародителя – Transrapid 07, преодолевшего рубеж в 436 км/ч еще в 1988 году.

Практическая реализация

IMAGE12$

Поезд на магнитной подушке Linimo, эксплуатация которого началась в марте 2005 года, был разработан компанией Chubu HSST и до сих пор используется в Японии. Он курсирует между двумя городами префектуры Айти. Протяженность полотна, над которым парит маглев составляет около 9 км (9 станций). При этом максимальная скорость Linimo равна 100 км/ч. Это не помешало ему только в течение первых трех месяцев с момента запуска перевезти более 10 млн пассажиров.

Более известным является шанхайский маглев, созданый немецкой компанией Transrapid и введенный в эксплуатацию 1 января 2004 года. Эта железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяет станцию шанхайского метро Лунъян Лу с международным аэропортом Пудун. Общее расстояние составляет 30 км, поезд преодолевает его приблизительно за 7,5 мин, разгоняясь до скорости 431 км/ч.

Еще одна железнодорожная линия на магнитном подвесе успешно эксплуатируется в городе Тэджон, Южная Корея. UTM-02 стал доступен пассажирам 21 апреля 2008 года, а на его разработку и создание ушло 14 лет. Железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяет Национальный музей науки и выставочный парк, расстояние между которыми всего лишь 1 км.

Среди поездов на магнитной подушке, эксплуатация которых начнется в ближайшем будущем, стоит отметить Maglev L0 в Японии, его испытания были возобновлены совсем недавно. Ожидается, что к 2027 году он будет курсировать по маршруту Токио – Нагоя.

Очень дорогая игрушка

Не так давно популярные журналы называли поезда на магнитной подушке революционным транспортом, а о запуске новых проектов подобных систем с завидной регулярностью сообщали как частные компании, так и органы власти из разных стран мира. Однако большинство из этих грандиозных проектов были закрыты еще на начальных стадиях, а некоторые железнодорожные линии на магнитном подвесе хоть и сумели недолго послужить на благо населения, позже были демонтированы.

Главная причина неудач в том, что поезда на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Они требуют специально построенной под них с нуля инфраструктуры, которая, как правило, и является самой расходной статьей в бюджете проекта. К примеру, шанхайский маглев обошелся Китаю в $1,3 млрд или $43,6 млн за 1 км двустороннего полотна (включая затраты на создание поездов и постройку станций). Конкурировать с авиакомпаниями поезда на магнитной подушке могут лишь на более длинных маршрутах. Но опять же, в мире достаточно мало мест с большим пассажиропотоком, необходимым для того чтобы железнодорожная линия на магнитном подвесе окупилась.

Что дальше?

На данный момент будущее поездов на магнитной подвеске выглядит туманно в большей степени из-за запредельной дороговизны подобных проектов и длительного периода окупаемости. В то же время множество стран продолжают инвестировать огромные средства в проекты по созданию высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ). Не так давно в Японии были возобновлены скоростные испытания поезда на магнитной подушке Maglev L0,который войдет в эксплуатацию к 2027 году.

Японское правительство также надеется заинтересовать собственными поездами на магнитной подушке США. Недавно представители компании The Northeast Maglev, которые планируют соединить с помощью железнодорожной линии на магнитном подвесе Вашингтон и Нью-Йорк, совершили официальный визит в Японию. Возможно поезда на магнитной подвеске получат большее распространение в странах с менее эффективной сетью ВСМ. К примеру, в США и Великобритании, но их стоимость по-прежнему останется высока.

Есть еще один сценарий развития событий. Как известно, одним из путей к увеличению эффективности поездов на магнитной подушке является применение сверхпроводников, которые при охлаждении до близких к абсолютному нулю температур полностью теряют электрическое сопротивление. Однако держать огромные магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого, так как чтобы удерживать нужную температуру, нужны громадные «холодильники», что еще больше повышает стоимость.

Но никто не исключает вероятности, что в ближайшем будущем светилам физики удастся создать недорогое вещество, сохраняющие сверхпроводящие свойства даже при комнатной температуре. При достижении сверхпроводимости при высоких температурах мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько доступными, что даже «летающие автомобили» окажутся экономически выгодными. Так что ждем новостей из лабораторий.