Japonezii de la Hitachi şi Toshiba au construit un nou tren Shinkansen cu inginerie fascinantă pentru Taiwan, limitându-l la doar 300 km/h

Multă vreme japonezii au fost cei mai avansaţi şi experimentaţi în tehnologia construcţiei trenurilor ultra rapide, atât a celor ce circulă pe şine obişnuite, cât şi a celor cu levitaţie magnetică. Şi adevărul e că şi în prezent îşi păstrează un statut de prezenţă printre ţările lidere la acest capitol, deşi în ultimii ani China le pune la încercare această dominare şi a reuşit să-i depăşească la mai mulţi parametri implementaţi în viaţa reală. Totuşi, sistemul feroviar al Japoniei funcţionează excelent şi e definit în mare parte de trenuri ultra rapide, numire Shinkansen. Iar acum câteva zile, japonezii de la Hitachi şi Toshiba au anunţat construirea şi pregătirea de prima livrare a unui nou tren Shinkansen cu inginerie fascinantă pentru Taiwan, limitându-l la „doar” 300 km/h.

Foto: Noul tren construit de Hitachi şi Toshiba pentru Taiwan

Sistemul feroviar din Taiwan are o puternică similaritate tehnologică de bază cu cel japonez, care formează reţeaua Shinkansen. De fapt, tot inginerii japonezi au fost cei care au stat la baza proiectării şi construirii lui, fiind primul sistem Shinkansen exportat în afara Japoniei. Asta a însemnat rigori extraordinare pentru construcţia căilor ferate taiwaneze din acest sistem, cu o rază minimă a curbelor de 6.250 m. Deci, atunci când calea ferată trebuie să aibă o curbă, ne putem imagina un cec de 12,5 km diametru, iar calea ferată poate avea o curbură maximă de formă liniei ce formează acel cerc. Aceste limitări sunt necesare pentru ca forţele centrifuge la viteze mari să rămână în limite moderate, confortabile corpului uman, şi sigure pentru stabilitatea trenului. Iar sistemul taiwanez a fost proiectat pentru viteze de 350 km/h.

Foto: Reţeaua de căi ferate Shinkansen din Taiwan

Asta face ca liniile de cale ferată din sistemul Shinkansen să fie formate aproape exclusiv din viaducturi şi tuneluri şi doar porţiuni mici pe terasament obişnuit, terestru. În cazul Taiwanului, reţeaua Shinkansen are o singură rută cu două linii de cale ferată, între Nangang şi Taipei, de 350 km lungime, formând un coridor între nord şi sud. Aproximativ 73% din rută e formată din viaducturi, 18% din tuneluri şi 9% din terasament. Iar liniile de cale ferată sunt montate pe plăci de beton, nu pe traverse simple în balast. Şinele au şi specificări stricte de densitate, cu 60 kg/m, sudate continuu.

De asemenea, tunelurile au diametru mai mare decât ar fi strict necesar pentru lăţimea şi înălţimea trenului. Aria transversală a tunelurilor e de 90 metri pătraţi în cazul reţelei din Taiwan, iar asta e o necesitate pentru reţelele Shinkansen, or, atunci când un tren intră într-un tunel la 300 sau 350 km/h, el devine efectiv un piston într-un cilindru, care e nevoit să împingă aerul, întâmpinând o rezistenţă imensă, chiar dacă tunelul e deschis la celălalt capăt. Diametrul mai mare permite ca forţa de rezistenţă să fie atenuată, iar pe lângă asta un rol imens îl are şi forma specifică a trenurilor Shinkansen, cu o alungire aerodinamică de peste 10 metri lungime în faţă, pentru a „sparge” mai uşor masele de aer. Forma ajută mult şi la sub cerul liber, dar rolul ei e absolut crucial la intrarea în tuneluri.

Acest sistem taiwanez a fost pus la punct în jurul anului 2000, iar în 2007, când sistemul a fost gata, operatorul feroviar local THSRC a primit prima generaţie de trenuri japoneze Shinkansen, numit 700T, produse tot de Hitachi şi Toshiba, la fel ca şi noua generaţie de tren despre care vorbim azi. La acel moment, japonezii au proiectat trenurile taiwaneze 700T pe baza modelului lor 700, care se baza pe o arhitectură de la sfârşitul anilor 1990 spre începutul anilor 2000. Încă de atunci a fost decis că viteza optimă pentru acele trenuri e de 300 km/h, chiar dacă liniile feroviare permiteau 350 km/h.

Foto: Trenuri Shinkansen 700T actuale dinTaiwan

Acum, noua generaţie de trenuri are denumirea de N700ST şi e bazată pe generaţia mult mai nouă şi mai performantă de trenuri N700S din Japonia. Japonezii au avut şi generaţii intermediare, dar Taiwan face practic un salt imens peste câteva generaţii cu acest nou tren. Noua generaţie a fost testată în Japonia la 360 km/h, însă pentru Taiwan, s-a decis limitarea ei la 300 km/h în regim de exploatare comercială.

Motivul e simplu — eficienţa. Vitezele de peste 300 km/h cresc rapid consumul de energie — o viteză de 350-360 km/h poate genera o creştere de peste 35% în consum faţă de 300 km/h chiar şi pentru un asemenea tren aerodinamic. Atunci când timpul redus şi viteza enormă e cel mai important factor, creşterea poate fi justificată. Dar în Taiwan, unde întreaga linie are 350 km lungime şi unde oricum există opriri intermediare, beneficiile acestei viteze maxime mai mari au fost considerate prea costisitoare. De asta, s-a decis păstrarea vitezei maxi de 300 km/h, mai ales că, de fapt, şi în Japonia există linii unde viteza e limitată la 285-300 km/h. Însă noul tren are un sistem de propulsie absolut nou, cu o inginerie de-a dreptul fascinantă.

În primul rând, noile trenuri adoptă aceeaşi formulă de 12 compartimente, doar că, dacă trenurile japoneze din Taiwan de până acum aveau 9 vagoane cu propulsie şi 3 fără, noua formulă aduce 10 vagoane cu propulsie şi doar 2 fără. Fiecare vagon cu propulsie are 2 boghiuri cu câte două osii motrice, deci există 4 electromotoare de tracţiune per vagon. Fiecare motor e unul asincron trifazat, cu 6 poli, de 305 kW putere. Deci, un singur vagon are 1.220 kW, sau 1,22 MW putere, iar întregul tren are 12,2 MW putere. În cai-putere, asta înseamnă 16.587 CP.

Noul tren e mai uşor decât precedentul, cântărind 492 tone, faţă de 503 tone, iar prezenţa mai multor osii motrice îi conferă o aderenţă mai bună, o acceleraţie mai mare şi o sarcină mai uniformă pe osii. De asemenea, şi recuperarea energiei e mai eficientă. Iar acceleraţia iniţială e acum de 2,542 km/h/s pentru noul N700ST, faţă de 2,0 km/h/s pentru modelul de până acum, 700T. Prin urmare, noul tren atinge tot 300 km/h viteză maximă, dar ajunge mai repede la acea viteză, iar asta economiseşte timp valoros după fiecare oprire.

Noile trenuri, fiind proiectate şi construite de Hitachi şi Toshiba, au şi un sistem de propulsie super interesant. Electromotoarele sunt gestionate de semiconductori de putere pe bază de carbură de siliciu, abreviată drept SiC. Sunt tipurile de semiconductori pe care Mercedes, spre exemplu, a început a le folosi abia de la Mercedes CLA încoace. Japonezii le folosesc de ani buni pentru trenurile lor de ultimă generaţie şi le-au aplicat şi la cele construite pentru Taiwan.

Aceşti semiconductori de putere sunt mult mai eficienţi şi generează pierderi mult mai mici prin căldură. Un efect benefic e reducerea consumului, iar alt efect e faptul că japonezii au considerat că răcirea cu aer, fără compresoare, suficientă. La viteze mai mari, semiconductorii primesc un flux puternic de aer către plăcile convectoare, iar astfel nu au nevoie nici de compresoare, nici de circuite cu antigel sau lichid. Teoretic, la viteze mai mici ar putea exista o problemă, doar că de obicei momentele de solicitare maximă şi degajare de căldură coincid în mare parte cu vitezele mari. Doar acceleraţiile iniţiale dau solicitări mai mare, dar testele şi exploatarea reală arată că temperaturile rămân în mod natural în limitele admise.

Toate astea au făcut şi unităţile de propulsie mai compacte, lăsând mai mult spaţiu util. Iar per total, noul tren va consuma cu 20% mai puţină energie faţă de cele deja existente în Taiwan.

Încă un capitol fascinant de inginerie sunt bateriile Toshiba SCiB, prezente la bord. Acestea utilizează o compoziţiei de oxid de litiu-titan (LTO) la anod, în locul grafitului obişnuit. Asta conferă siguranţă termică, putere mare, încărcare rapidă şi o durată de viaţă foarte mari în numărul de cicluiri.

Bateriile au rol de a oferi trenului o anumită autonomie de funcţionare în cazul deconectării de avarie a electricităţii şi pot asigura funcţionarea elementelor de confort de la bord o anumită de perioadă. De asemenea, ele pot asigura energia necesară pentru deplasarea cu 30 km/h a trenului pentru o distanţă de aproximativ 10 km, pentru ca acesta să poată ieşi dintr-un tunel sau să oprească într-un loc sigur.

Trenul japonez are şi suspensie activă, similară celei de pe cele ai sofisticate maşini. Există nu doar amortizoare pasive, ci active, care compensează cu forţe adiţionale în viraje sau când simt denivelări. Iar pe lângă asta, şi distanţa de frânare s-a îmbunătăţit considerabil. Dacă 700T frâna de la 300 km/h în 4 km, noul model frânează în 3,2 km.

Hitachi şi Toshiba vor construi 12 asemenea trenuri pentru Taiwan, în baza unui contract semnat în 2023. Cele 12 trenuri au costat circa 680 milioane de euro, iar acum primul tren a fost construit la fabrica Hitachi Kasado şi a fost expediat acum câteva zile spre Taiwan. După livrare, urmează testele dinamice şi integrarea cu infrastructura locală, iar integrarea în operare deplină e aşteptată pe la mijlocul anului 2027.