Ingineria fascinantă a timpului nostru: calea ferată pentru cel mai rapid tren din lume, de peste 500 km/h, construită în Japonia

Deşi calea ferată înseamnă una din cele mai vechi şi eficiente forme de transport, despre care s-ar părea că se cunoaşte absolut tot deja, există şi aici limite şi provocări inginereşti majore şi complexe, care încă trebuie rezolvate. Şi asta pentru că totul e relativ simplu când se circulă cu viteze de 100 km/h sau 200 km/h, dar când se doresc viteze de peste 400 km/h şi mai mult, în ecuaţie intervin o mulţime de impedimente, care fie trebuie atenuate fiecare în parte, fie trebuie reinventată întreaga abordare, pentru a scăpa de unele din ele.

Japonia e cunoscută ca fiind una din ţările cu cele mai rapizi reţele de trenuri. Japonezii au fost cei care au început construcţia liniilor de cale ferată de înaltă precizie şi a trenurilor numite Shinkansen în patria lor, care puteau atinge la început viteze operaţionale de peste 200 km/h, atunci când primele asemenea trenuri au început a circula, în 1964. De atunci şi până azi, în Japonia s-au produs vreo 12 generaţii de asemenea trenuri rapide, cu viteze tot mai mari şi consumuri tot mai mici de energie. Azi, cele mai rapide trenuri de acest tip din Japonia ating viteze operaţionale de peste 300 km/h.

Foto: un tren rapid din Japonia zilelor noastre

Încă din anii 60, însă, inginerii niponi deja se gândeau la noi generaţii de trenuri mai rapide. Testele lor pe parcursul anilor şi deceniilor relevau un fapt îngrijorător: şi anume că, la viteze de peste 350-400 km, intervin în ecuaţie rezistenţe aerodinamice uriaşe, care trebuie combătute, iar limitele mecanice ale şinelor şi rulării pe acestea generează vibraţii atât de mari, încât acestea nu mai pot fi înăbuşite suficient de bine nici măcar de suspensii pneumatice, încât să păstreze confortul şi liniştea la bord.

Trenurile Shinkansen deja foloseau suspensie pneumatică, în care, la viraje, creşte presiunea pentru a compensa forţele centrifuge, cum se întâmplă în zilele noastre la unele automobile. Ele foloseau forme aerodinamice, pe care le-au tot îmbunătăţit, construcţie din materiale uşoare, distribuţie inteligentă a puterii între roţi, deci multe din soluţiile avansate care ar putea fi sugerate drept rezolvare, erau deja aplicate, iar limitările la viteze înalte oricum existau.

Atunci inginerii s-au gândit să folosească levitaţia magnetică, eliminând astfel contactul direct al roţilor cu şinelor. Da, prin magneţi puternici, trenul ar fi centrat între pereţii şinelor şi ar zbura, practic, printre ele, neatingând şinele sau pământul, sau barierele laterale. Astfel, s-ar elimina aproape integral rezistenţa la frecare şi orice sursă de vibraţii. Pare genial şi de science-fiction? Adevărul e că ideea unui asemenea tren cu levitaţie magnetică a fost patentată încă în anul 1912, de Emile Bachelet! Anume el a fost cel care a inventat şi principiul levitaţiei prin magneţi şi chiar a descris modul cum un asemenea tren ar putea fi propulsat!

Foto: pagină din patentul lui Bachelet, din 1912

Exact acelaşi principiu a fost preluat şi de inginerii japonezi. Pe pereţii şinei vor exista două tipuri de magneţi, un tip va avea sarcina menţinerii levitaţiei, iar cel de-al doilea tip va avea sarcina propulsiei trenului, tot prin câmp magnetic.

În acele decenii care au urmat după lansarea primelor trenuri rapide, ideea levitaţiei magnetice fusese preluată de mai multe ţări, Japonia şi Germania fiind printre cele care au reuşit să avanseze cel mai mult. Sistemul nipon primise numele de SC Maglev, iar cel german — Transrapid. Diferenţa principială a sistemului german e că nişte braţe speciale ale trenului înconjurau şinele, nu construcţia şinelor trenul, cum se întâmpla la niponi. Prototipurile setau recorduri incredibile în ambele ţări. Spre exemplu un prototip nipon a ating 400.7 km/h în decembrie 1985. Ziarele lumii trâmbiţau că în scurt timp toată omenirea va fi înţesată de asemenea trenuri, iar lumea va folosi avioanele doar la distanţă lungă sau curse de peste ocean.

Foto: Trenul de principiu german Transrapid

Realitatea practică, însă, s-a lăsat mult aşteptată. Primul tren cu tehnologie de levitaţie magnetică a fost inaugurat abia în 2004 în China şi lega aeroportul Shanghai de oraş. Acest tren folosea principiul german Transrapid şi atingea în mod absolut normal viteze de 420-430 km/h. Iar de atunci până astăzi nu a mai fost lansată nici o altă linie publică de tren cu această tehnologie, deşi mai multe proiecte similare sunt în proces de aprobare sau pregătire în Elveţia, Germania şi alte ţări ale lumii.

Foto: trenul cu levitaţie magnetică din Shanghai

De ce? Pentru că există mai multe impedimente de viaţă reală şi costuri economice. Aceste trenuri au nevoie de o linie de cale ferată specială, în esenţă, a cărei construcţie, din cauza magneţilor, e de circa 4 ori mai scumpă. Asta înseamnă că e nevoie şi de staţii noi, sau cel puţin terminale noi, ceea ce complică lucrurile şi întârzie deciziile de a face un asemenea salt. Şi apoi, consumul de electricitate al unui tren levitaţional e mai mare decât a unui tren simplu, dacă urcă spre viteze ameţitoare. Deci, mai multe impedimente, aparent, pentru o tehnologie prea genială, poate, dar prea scumpă în operare şi în schimbul spre ea. E clar că deocamdată această tehnologie poate fi aplicată doar pentru proiecte noi, deci linii construite de la zero.

Şi anume asta face în prezent Japonia. Țara estică a decis să aibă încredere în tehnologia Maglev a inginerilor săi, testată şi dezvoltată de atât de mult timp, şi perfecţionată într-o îndelungă aşteptare, şi a dat start construcţiei pentru noua cale ferată Chuo Shinkasen. Ea va conecta miezul cel mai populat al Japoniei, legând trei cele mai mari oraşe cu o rută rapidă directă între ele — Tokyo, Nagoya şi Osaka. Ea va merge pe un alt traseu decât linia curentă, care e construită aproape de coastă şi e mai expusă la tsunami. Noua linie va trece prin munţi, cam 80% din lungimea ei urmând a trece prin tunele montane! Şi datorită levitaţiei magnetice, distanţa dintre Tokyo şi Osaka, pe care cel mai rapid tren din prezent o parcurge în 2 ore şi 27 minute, va fi parcursă de noul tren în numai 67 minute. Iar asta va uni şi mai mult cele 3 oraşe cu o populaţie cumulată de peste 18 milioane de locuitori.

Foto: cu verde e marcat traseul noii linii de cale ferată, cu galben al celei actuale

Pentru Japonia, construcţia noii linii e şi o necesitate, din cauza supraaglomerării liniei existente. Pe cea curentă sunt transportaţi zilnic câte 450,000 pasageri, iar trenurile rapide circulă la o distanţă de doar 3 minute unul faţă de altul, iar reducerea intervalului între ele nu mai e posibilă din motive de siguranţă.

Aşadar, noul tren va face uz de acea inginerie fascinantă pregătită atât de mult de inginerii niponi, numită SC Maglev. Magneţii de pe tren vor fi menţinuţi la o temperatură de -269 grade Celsius, la care apare un efect fizic numit super conductivitate, care creşte semnificativ forţa câmpului magnetic. Asta înseamnă că un magnet la o asemenea temperatură foloseşte simţitor mai puţină energie pentru a produce câmpul magnetic necesar. Aceşti magneţi ai trenului, interacţionează cu cele două tipuri de magneţi din pereţii căii ferate, pentru propulsie şi pentru levitaţie şi centrare între pereţi.

Trenurile SC Maglev, însă, vor putea folosi levitaţia doar de la anumite viteze în sus, pentru a eficientiza consumul. Iar asta înseamnă că la viteze mai mici ele vor merge cu roţile pe şine, ca trenurile mai mici, iar şinele speciale vor avea partea de jos identică celor clasice. La 150 km/h, trenurile vor începe a levita şi-şi vor retrage roţile, urmând să gliseze pe câmpul magnetic.

Şi pentru că trăim într-o epocă a condusului autonom, trenurile SC Maglev din Japonia nu vor avea un mecanic de locomotivă, ci se vor conduce singure, dirijate central, dar şi cu sisteme de siguranţă autonome, locale, la nivel de tren.

Prima secţiune a noii căi ferate din Japonia, între Tokyo şi Nagoya va fi operabilă în anul 2027, iar cea de-a doua, între Nagoya şi Osaka, va fi inaugurată în 2037. Drumul din Tokyo până în Nagoya va dura doar 40 minune, iar traseul complet, după cum spuneam va dura 67 minute.

Există şi neajunsuri ale noilor trenuri. Macazurile specifice operează mai lent, ceea ce înseamnă că distanţa minimă dintre trenuri trebuie să fie de 10 minute, de nu 3. Trenurile sunt mai mici şi transportă mai puţini oameni, ceea ce înseamnă mai puţină eficienţă economică. Din cauza efectelor aerodinamice, apare o diferenţă curioasă. La viteze de până la 300 km/h, consumului unui SC Maglev e aproape identic cu cel al trenurilor rapide clasice, însă la o viteză de până spre 500 km/h, consumul creşte de 4 ori! Însă toate aceste argumente ar trebui să fie acoperite de viteza de deplasare şi de mândria Japoniei de a-şi pune, în sfârşit, în aplicare, ideea inginerească a celui mai rapid tren din lume, care va putea călători cu viteze de peste 500 km/h şi mai mult, chiar până spre 550 km/h! La etapa de teste, a fost atinsă şi o viteză de 603 km/h!

În prezent, proiectul construcţiei acestei noi linii de cale ferată e cel mai scump proiect de infrastructură din toată istoria Japoniei. Japonezii au avut încredere în această tehnologie şi au riscat s-o finanţeze în ciuda costurilor uriaşe. Dacă va avea ea soarta avioanelor Concorde — bune, dar prea scumpe în operare, sau dacă se va dovedi un simbol glorios al Japoniei, care se va răscumpăra printr-o integrare mai bună de infrastructură şi economie, vom afla în următoarele decenii. Dar e cert că e una din cele mai fascinante idei inginereşti moderne, pornită prin 1912, coagulată prin 1970-1980, condimentată cu condus autonom prin 2020 şi în proces de transformare în realitate până în 2027-2037!