1

Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta

Vlak prihodnosti-vakuumski vlak

Sabina Šubic

Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I

Mentor: doc. dr. Janez Jamšek

Ljubljana, 2013

Povzetek V seminarski nalogi je predstavljen razvoj hitrih vlakov-od hitrega TGV vlaka do vlaka maglev in vlaka prihodnosti-vakuumskega vlaka, saj le-ta prinaša velike prednosti z vidika ekologije-porabi malo energije in še ta je skoraj v celoti obnovljiva, hitrosti, varnosti-minimalno tveganje za nesreče in z vidika hrupa v kabini, saj bo le ta veliko manjši. Seminarska naloga je namenjena učiteljem tehnike in tehnologije (tudi bodočim), vsem, ki vas zanima, kakšen izum na področju transporta nas čaka v prihodnosti in kako nam bo le-ta olajšal življenje. Cilj seminarske naloge je predstaviti delovanje vlaka maglev in delovanje vakuumskega vlaka, ki temelji na sistemu maglev, hkrati pa priti do zaključkov, zakaj sploh napredovati še naprej od sistema vlakov maglev v vlak prihodnosti.

3

Kazalo 1 Uvod........................................................................................................................................ 4 2 Navezava na učni načrt......................................................................................................... 4 3 Pregled obstoječega gradiva................................................................................................. 4 4 Hitri vlaki .............................................................................................................................. 4 

4.1 Prvi moderni hitri vlaki (TGV, Šinkansen) in tehnične značilnosti ................................. 5 4.2 Vlaki na magnetni blazini-MAGLEV vlaki ..................................................................... 5 

4.2.1. Delovanje ................................................................................................................. 5 4.2.2. Zgradba..................................................................................................................... 7 4.2.3. Zakaj je maglev pomemben?.................................................................................... 9 

4.3. Prihodnost: vakuumski vlak .......................................................................................... 10 4.3.1. Potek transporta ET3.............................................................................................. 10 4.3.2. Delovanje magnetov in doseganje vakuuma.......................................................... 11 4.3.3. Pregled prednosti tehnologije ET3......................................................................... 12 

5 Sklep ..................................................................................................................................... 13 6 Literatura............................................................................................................................. 13 7 Učni list................................................................................................................................. 14 

7.1 Nerešen učni list ............................................................................................................. 14 7.2. Rešen učni list ............................................................................................................... 15 

1 Uvod Dandanes zelo poudarjajo, še zlasti v razvitih državah, kako je pomembno paziti na naravo, ravnati čimbolj ekološko, saj bo sedanje ravnanje vodilo k uničenju planeta oziroma k močnemu onesnaženju. Da bi bolj pazili na naravo, pa tudi zaradi drugih razlogov: finance, velike razdalje pri potovanjih, čas, številni ljudje uporabljajo javni prevoz, torej avtobus, tramvaj, železnico, podzemno železnico itd. Vendar pa ima tudi javni prevoz določene slabosti, na primer v Ameriki se številni Newyorčani vsak dan odpravljajo v Washington-tisoče ljudi se drenja v avtobuse, avtomobile in vlake. Si predstavljate, da bi namesto tega videli na srednje veliki postaji 6 ljudi, ki čaka pred napravo, ki je videti kot cilindrični vlak brez koles? Namestijo se v sedeže, vrata se zaprejo in plovilo na magnetni pogon tiho zdrsne v vakuumsko cev. Tleskajoč zrak, ki prihaja od zunaj, je znamenje, da se je vključilo magnetno polje v cevi, in plovilo naenkrat pospeši kot strelni naboj. Čez 17 sekund vagon že doseže 600 km/h in čez pol ure mirne vožnje potniki varno prispejo v mesto Washington. Če bi se peljali z običajnim vlakom, bi za enako pot potrebovali najmanj tri ure [1]. V seminarski nalogi je predstavljen razvoj hitrih vlakov-od TGV vlakov do vlaka maglev in vakuumskega vlaka, ki nas čaka v prihodnosti. Podrobnejše bomo spoznali sistem delovanja vlakov maglev in ugotovili, zakaj je prišlo do načrtovanja še novejšega sistema-vakuumski vlak ter spoznali delovanje slednjega.

2 Navezava na učni načrt Vsebina seminarske naloge je uporabna pri predmetu Tehnika in tehnologija v 8. razredu, kjer učenci morajo pri sklopu o prometu opisati vpliv množične uporabe prevoznih sredstev na spremembe v okolju Temo navežemo na novost na področju javnega transporta, ki nas čaka v prihodnosti-vakuumski vlak. V smiselnem obsegu jim razložimo bistvo delovanja vakuumskega vlaka ter njegove prednosti pred sedanjimi vlaki. Najbolj ustrezni operativni cilji v zvezi z dano tematiko so, da opredelijo prednosti in slabosti posameznih vrst motorjev-navežemo na prednosti in slabosti novodobnega transporta, uvrstijo fosilna goriva med neobnovljive vire energije, proučijo vplive motorizacije na okolje in utemeljijo ukrepe za zmanjševanje negativnih vplivov-si pogledamo, koliko prednosti s tega vidika prinaša nov transport ter opišejo ukrepe za izboljšanje varnosti v prometu-še s tega vidika si pogledamo prednosti transporta v prihodnosti [2].

3 Pregled obstoječega gradiva Zakaj so se hitri vlaki sploh začeli razvijati, izvemo v [3], značilnosti prvih hitrih vlakov so v [8], delovanje vlaka maglev, njegov namen, prednosti najdemo v [4-7] in [9] in [17], novosti s področja sistema maglev najdemo v [13-14], opis vaakumskega vlaka, torej njegovega delovanja, prednosti in namena izvemo v [1] in [11-12] in [15], opredelitev superprevodnosti izvemo v [10], lastnosti superprevodnih magnetov pa v [16]. Vira [18] in [19] sta v seminarski nalogi le vira za slike.

4 Hitri vlaki Pojem hitrih vlakov označuje tehnologijo vlakov in infrastrukture, ki omogočajo transport ljudi oz. blaga z velikimi hitrostmi. Za izpolnitev teh pogojev je potrebno imeti ustrezne vlake in ustrezno infrastrukturo. Tehnologija hitrih vlakov se je začela razvijati, ker obstoječ cestni in tudi letalski promet nista bila več dovolj za potrebe velikih mest. Namen je bil povezati daljše razdalje z rednimi linijami hitrih vlakov, kar pa je v veliki meri zahtevalo gradnjo novih prog, prilagojenih hitrim vlakom. Da hitri vlaki pridejo do izraza, morajo namreč potovati po čim bolj ravni oziroma ustaljeni poti. Proge morajo čim manj sprememb smeri v smislu ovinkov, za kar pa je v veliki meri potrebna gradnja številnih predorov, viaduktov itd. Tehnologija hitrih vlakov dopušča več sprememb v višini kot ostali sistemi, saj so hitri vlaki veliko močnejši od ostalih.

Hitri vlaki predstavljajo kvalitetno in visoko standardno panogo javnega potniškega prometa. Ker vlak potuje brez znatnih sprememb gibanja je potovanje zelo mirno, kar pomeni da lahko potniki med potovanjem počnejo tudi kaj drugega. Hitri vlaki praviloma nimajo zamud oz. so te zelo majhne. Ker so hitri vlaki namenjeni predvsem povezovanju večjih mest, le-ti vozijo zelo pogosto. Tudi cene kart so povečini sprejemljive (visoke cene imajo na Japonskem, a so vlaki kljub temu praviloma vedno polni) [3].

Zelo hitri vlaki torej silijo tehnologijo v doseganje kar največjih hitrosti in učinkovitosti. Toda na začetku se je tehnologija hitrih vlakov razvijala na podlagi tradicionalne konstrukcije tirov in lokomotiv. V 60-ih letih je večina ljudi mislila, da jih bodo nadomestili vlaki na magnetni ali zračni blazini. Toda za gradnjo popolnoma novih tirov in vlakov bi bila potrebna velika finančna vlaganja, neizvedljiva v bližnji prihodnosti, zato so morali inženirji raziskati možnosti tradicionalnih virov-pride do razvoja hitrih vlakov TGV, Šinkansen.

Zaradi razvoja zelo hitrih vlakov je ostala železnica v tekmi z drugimi načini prevoza in priljubljena pri popotnikih. Toda manj tradicionalne tehnologije omogočajo hitrejše, varnejše in prijaznejše načine potovanja iz mesta v mesto in prevoza po mestu. Izziv teh tehnologij je pritegniti vlagatelje, da bi obdržali ta način prevoza [9]. Na Japonskem so zato v 70. letih začeli razvijati vlak na magnetni blazini ali maglev (podrobnejše delovanje je opisano v poglavju 4.2) [4].

Toda prevoz bo moral biti še bolj ekološki, hiter, udoben in cenovno sprejemljiv za vse. Poleg tega mora biti finančno vzdržen na globalni ravni. Zaradi teh razlogov se je pojavila zamisel o vlakih v vakuumskih ceveh, skozi katere vlaki drvijo brez upora, ki bi nastajal zaradi trenja z zrakom ali tirnicami. (Podrobneje je vakuumski vlak opisan v poglavju 4.3) [12]. Da bi lažje razumeli idejo o vlakih v vakuumskih ceveh, si bomo najprej pogledali značilnosti prvih modernih hitrih vlakov (TGV), nato delovanje maglev vlakov ali vlakov na magnetni blazini ter nato še delovanje vakuumskega vlaka, ki uporablja tehnologijo maglev, vendar transport poteka v vakuumskih ceveh.

4.1 Prvi moderni hitri vlaki (TGV, Šinkansen) in tehnične značilnosti Prvi moderni hitri vlaki, npr. japonski Šinkansen in francoski TGV so bili razviti že konec 50-ih let (Šinkansen) oz. v 70-ih letih prejšnjega stoletja (TGV). Imajo veliko skupnih tehničnih načinov za povečanje hitrosti, ne da bi pri tem žrtvovali varnost, in vozijo po njim namenjenih progah. Ti vlaki so zgrajeni aerodinamično in jih poganjajo električni motorji, ki uporabljajo odjemnike toka za priključitev na kable nad vlakom in s tem v električno omrežje. So zelo lahki, ker so lokomotiva in koši vagonov iz aluminija in ker lokomotive ne prenašajo težkih dizelskih motorjev. Pri TGV-ju so dodatno zmanjšali težo tako, da si en voziček delita dva vagona. Hitri tiri, po katerih vozijo vlaki, so izdelani tako, da imajo vsi ovinki polmer vsaj 5 km, tiri pa so umetno nagnjeni v ovinku, da vlak ostane varno na progi. Kjer ni mogoče zgraditi namenskih tirov, uporabljamo vlake z nagibno tehniko. Vlaka, kakršna sta ameriški Acela in italijanski Superpendolino, imajo sistem vzmetenja, ki vlak nagne, ko vozi okoli ovinka, tako da je na običajnih tirih mogoča večja hitrost [8].

4.2 Vlaki na magnetni blazini-MAGLEV vlaki Vlaki na magnetni blazini ali maglev vlaki so edinstven način prevoza, ki uporablja magnetna polja za dvig vozila nad posebej zgrajene tračnice-je hiter vlak, ki lebdi nad močnim magnetnim poljem [4,9]. Z njimi dosegajo hitrosti okrog 500 km/h, tako da se na srednje dolgih progah lahko učinkovito kosajo z letali [4]. Takšne vlake so začeli razvijati na Japonskem v 70. letih, danes pa jih razvijajo tudi v Evropi, posebno v Nemčiji. Načrtujejo vlake, ki bi lahko vozili do 650 km/h, kar je precej hitreje, kot je praktično mogoče z navadnim železniškim transportom. Toda kljub hitremu in energetsko učinkovitemu prevozu vlakom na magnetni blazini še ni uspelo preseči statusa eksperimentalne komercialne tehnologije, saj je gradnja novih železniških omrežij predraga [8].

4.2.1. Delovanje Vemo že, da se pri magnetih nasprotna pola privlačita in istovrstna pola odbijata-to je osnovno načelo, ki vodi elektromagnetni pogon. Vlak na magnetni blazini izkorišča načelo in lebdi na močnem magnetnem polju (do 20 T močno magnetno polje)-tega ustvarijo superprevodni magneti v tračnici [6]. Odbojna sila med superprevodnimi magneti in elektromagneti v tračnici torej dvigne vlak nad tračnico. Do odbojne sile pride, ker kabelske tuljave, navite pod

tračnico, ustvarijo magnetno polje, ki se premika vzdolž nje. Poglejmo si podrobnejši opis nastanka odbojne in privlačne sile: uporabimo dve ločeni zanki-ena je del vozila in po njej teče tok v nasprotni smeri urinega kazalca. Druga je del proge in po njej teče tok v smeri urinega kazalca. V praksi tokovi dosegajo velike vrednosti, da lahko zagotovijo dovolj veliko silo, ki nasprotuje teži vlaka. Zato je zelo pomemben ohmski upor, saj pri zagotavljanju dovolj velike moči lahko zveča porabo energije in s tem tudi stroškov: manjši upor-bolj izkoriščena energija-manjši stroški. Zaradi tega uporabljamo superprevodnike. Na sliki 4.1 vidimo nastanek odbojne sile.

Slika 4.1: Nastanek odbojne sile BF

uur [9]

Iz velikosti magnetnega polja segmenta AB proti velikosti magnetnega polja A'B' izpeljemo silo na zgornji segment AB od magnetnega polja, ki ga ustvarja segment A'B'. Sila BF

uur, ki jo vidimo na sliki 4.2, omogoča

dvig vlaka.

Slika 4.2 ilustrira smer sile F(AB) z zeleno in označena z F(B). Ta sila nasprotuje sili teže F(G) (črna) in zagotavlja dvig. -sila na zgornji segment AB od magnetnega polja, ki ga ustvarja segment A'B':

AB vF I L B= ×uuur ur ur

,

kjer je F(AB) sila, ki zagotavlja dvig; Iv tok, ki teče v nasprotni smeri urinega kazalca po zanki, ki je del vozila; L pomeni induktivnost tuljave in B je gostota magnetnega polja.

0( ) ( )2

tv

II L i kd

μπ

∧ ∧

= × −ur

0( )

2v tI I L

jd

μ

π

∧

=

ur

(4.2)

Slika 4.2: Delovanje sil za dvig vlaka, kjer je smer toka v enaki smeri, kot je element vodnika [9].

Upoštevamo, da tokova v obeh zankah tečeta v nasprotnih smereh in zagotavljata odbojno silo. Ta omogoča dvig vozila. Z razdaljo se odbojna sila manjša- zaradi velike hitrosti morajo kontrolniki 4000-krat v sekundi preveriti razdaljo med stezo in vlakom ter po potrebi popraviti na 10 mm. Odbojna sila mora biti ustrezno velika glede na težo vlaka - običajno imamo 3 velikosti maglev vozil: malo vozilo (12 t), srednje veliko vozilo (30 t) in veliko vozilo (80 t). Pri sistemu privlačne sile je razlika le v tem, da tokova tečeta v isti smeri, tako da dobimo med zankama privlačno silo. Poleg tega sta zanki locirani na podaljšku vlaka, ki sega pod progo. Zelo je pomembno, da se ob manjšanju razdalje med zankama pojavi prirastek k privlačni sili. Zato je nezaželjeno, da zanki prideta v stik. To zahteva, da uporabimo dodaten sistem, ki nadzoruje razdaljo med zankama in ustrezno prilagaja moč magnetnega polja. Ta sekundarni sistem obenem zagotavlja večje udobje med vožnjo [17]. Magnetne sile privlačnosti med tem poljem in elektromagneti na vozilu vozilo torej dvignejo in ga vlečejo po napredujočem polju. Tako tračnica hkrati deluje kot dvižna in pogonska enota. Hitrost, pri kateri potuje vodilno polje, lahko spreminjamo, ko mora vlak pospeševati ali zavirati in sicer s spreminjanjem moči in polaritete elektromagnetov v tračnici [8]. Za pogon in pospeševanje uporablja tako imenovani linearni motor, pri katerem se magnetno polje giblje neposredno pred vlakom-magnetno polje potuje z vlakom in ga ''tišči'' naprej. Gre za sinhrono nihanje magnetnega polja z določeno frekvenco [3]. Tako velike hitrosti so mogoče, ker med tračnico in vozilom ni stika, zato ni trenja, ki je poglavitna ovira hitrosti pri tradicionalnih vlakih. Največji upor pri teh vlakih povzroča zrak, a ga lahko zmanjšajo z aerodinamično obliko vozila. Vlaki na magnetni blazini nimajo lastnega pogona-namesto tega je pogonski sistem nameščen v tračnico (opisano na začetku poglavja 4.2.1). Zaradi inovacij v sistemih vodenja in pogona so kolesa, zavore, motor in naprave za zbiranje, pretvarjanje in oddajanje elektrike nepotrebni. Ta vozila so zato lažja, tišja in se izrabijo manj od tradicionalnih vlakov, pri tem pa porabijo do petkrat manj goriva kot letalo, ki mora premagati enako razdaljo. Maglev vlaki torej dosežejo zelo visoke hitrosti z zmerno porabo energije in stopnjo hrupa. Če povzamemo, so glavne funkcije sistema maglev lebdenje, pogon in usmerjanje (da vlak ostane na vodilih) [8].

Slika 4.3: Prikaz delovanja vlaka maglev-lebdenje, pogon in usmerjanje [18]

4.2.2. Zgradba Vlaki na magnetni blazini so zgrajeni iz dveh delov-vagoni, v katerih potujejo potniki, so pritrjeni na podvozje, v katero so vgrajeni dvigovalni in vodilni magneti. Podvozje se ovije okoli tračnice in sistemi, ki krmilijo magnete, zagotovijo, da bo vozilo ostalo blizu nje, a da se je ne bo dotikalo.

Slika 4.4: Pregledna zgradba maglev vlaka [9]. Kratka razlaga posameznih pojmov na sliki: -vodilni magneti: zaradi elektromagnetov, ki paroma delujejo na vsaki strani tračnice, je vozilo stabilno -podvozje: vodilni in dvigovalni magneti so nameščeni na vozni podstavek -privlačna sila: vodilni magneti na obeh straneh vozila ustvarjajo privlačno silo na vodilni tir. Nadzorni sistem pazi, da zanki ne prideta v stik -tračnica: vlak na magnetni blazini se tračnice med vožnjo ne dotika -kabelske tuljave: sestavljajo pogonsko enoto -vodilni tiri: tečejo ob straneh tračnice Na spodnji sliki vidimo sestavo tračnice in spodnjega dela vlaka, nastanek magnetnega polja in delovanje magnetov je opisano v poglavju 4.2.1.

Slika 4.5: Podrobnejša sestava tračnice in spodnjega dela vlaka [9].

4.2.3. Zakaj je maglev pomemben?

Obstajajo vsaj štiri prednosti, ki jih je prinesel vlak Maglev:

• Maglev je veliko boljši način za transport ljudi in tovora od obstoječih (starejših) načinov: je cenejši, hitrejši, ni preobremenjen in ima veliko daljšo življenjsko dobo. Maglev lahko prepelje več deset tisoč potnikov na dan, skupaj z več tisoč naloženimi tovornjaki in avtomobili. Tirnice (vodila) bodo vzdržale 50 let ali več z minimalnim vzdrževanjem, ker ni mehanskega kontakta in obrabe, in ker so obremenitve vozila enakomerno porazdeljene, ne pa koncentrirane na kolesih. Podobno bodo Maglev vozila imela precej daljšo življenjsko dobo od avtomobilov, tovornjakov in letal;

• Maglev je energetsko zelo učinkovit. Za razliko od avtomobilov, tovornjakov in letal, maglev ne porablja goriva, temveč električno energijo, ki se jo lahko pridobiva s premogom, jedrsko energijo, vodno energijo, fuzijsko energijo, energijo vetra ali sončne elektrarne (najbolj učinkovit vir za zdaj pa jedrska energija);

• Pri maglev vozilih ni nobenega onesnaževanja. Ker porabljajo elektriko, ni ogljikovega dioksida. Tudi če porabljajo elektriko iz elektrarn na premog ali zemeljski plin, so zaradi visoke energetske učinkovitosti magleva emisije CO 2 veliko nižje kot pri avtomobilih, tovornjakih in letalih. Maglev je celo koristen za okolje (glede na ostala vozila). Maglev vozila so precej tišja od avtomobilov, tovornjakov in letal, kar je zlasti pomembno na mestnih in primestnih območjih. Poleg tega Maglev uporablja ozek pas usmerjenih in dvignjenih vodil, torej je njegov odtis na kopnem veliko manjši od avtocest, letališč in železniških tirov;

• Maglev ima pomembne varnostne prednosti pred avtocestnimi vozili, vlaki in letali. Razdalja med maglev vozili na vodilu in hitrosti vozil sta samodejno nadzorovani s frekvenco električne energije na vodilu. Ne obstaja možnost trkov med vozili na vodilu. Poleg tega ni možnosti trka z avtomobili ali tovornjaki na prehodih, ker so vodila dvignjena.

Vse negativne lastnosti sistema maglev so povezane z višanjem temperature, saj moramo zagotoviti dovolj nizko temperaturo (manj kot 4 K), da vodnik ohrani superprevodne lastnosti [4,6,8].

Novost: 3. junija 2013 so na testni progi na Japonskem (Tsuru) preizkusili popolnoma nov maglev vlak za komercialne storitve in z njim dosegli maksimalno hitrost 550 km/h, gradnja naj bi bila popolnoma končana do konca leta 2013 [14]. Med mesti Tokyo in Osaka na Japonskem nameravajo zgraditi povezavo, ki naj bi bila končana do leta 2045. Ne vedo še, ali bodo precej nižji obratovalni stroški poplačali ogromne stroške izgradnje-ta naj bi namreč stala 90 bilijonov dolarjev. Začetna linija naj bi povezovala mesti Tokyo in Nagoya, ki naj bi čas potovanja zmanjšala s 95 min na 40 min [13].

4.3. Prihodnost: vakuumski vlak

Čeprav smo opazili, koliko prednosti ima vlak na magnetni blazini-je bolj ekološki, hitrejši, varnejši od obstoječih načinov prevoza, je ameriški izumitelj Darly Osters prihodnost zasnoval še drugače: vakuumske cevi je kombiniral s tako imenovano tehnologijo maglev (ki smo jo spoznali v prejšnjem poglavju), pri kateri kolesa in tračnice nadomestimo z močnim magnetnim poljem, in patentiral vrsto železnice, ki morda predstavlja prihodnost javnega prevoza. Ker uporabljajo le magnete, koles pa nimajo, lahko lahke potniške kapsule skozi vakuumske cevi drvijo brez upora, ki bi nastajal zaradi trenja z zrakom ali tirnicami. To pomeni, da kapsule do velikih hitrosti pospešujejo brez ovir, obenem pa taka železnica za pospeševanje porabi zelo malo energije. Tehnologijo ET3 (Evacuated Tube Transport Technologies) je izumitelj razvil v sodelovanju s kitajsko univerzo jugozahodnega Jiaotonga [1, 13].

4.3.1. Potek transporta ET3

Nadzor bo popolnoma prepuščen računalniku, zato bodo kapsule lahko postajo zapustile ena za drugo, ne da bi se zaradi tega povečalo tveganje trčenja. Zaradi tega bo kapaciteta ene cevi enaka kapaciteti avtoceste z 32 pasovi. Daryl Oster primerja delovanje ET3 z delovanjem spleta: po spletu drobni paketi podatkov drvijo skozi gost promet. Vsak paket ima naslov in sam najde pot skozi omrežje. Tudi kapsule bodo svojo pot poiskale na enak način: vsaka bo imela edinstveno šifro, potniki pa bodo morali le vnesti cilj potovanja. Računalnik v kapsuli bo poskerbel za to, da se bo kapsula usmerila v pravo cev. Ko bodo omrežje razširili, bo obsegalo veliko število vakuumskih cevi.

Omrežje ne bo imelo kretnic, kot jih imajo klasične železnice, temveč bo uporabljalo odvozne in dovozne pasove, kot jih imamo na avtocestah. Ko se bo kapsula približala kraju, kjer se bo cev razdelila, jo bo magnetni navigacijski sistem rahlo potisnil in usmeril v pravo cev, ki bo vodila do cilja. Cevi se bodo menjale pri polni potovalni hitrosti.

Če se bo kapsula ustavila, bo poseben sistem potnikom zagotavljal dovolj zraka za dihanje kot v letalih. Proga, na kateri bo stala ustavljena kapsula, bodo morali zapreti in vanjo skozi ventile spustiti zrak, da bo zračni tlak narasel do normalnega in omogočil evakuacijo potnikov. Vse se bo moralo zgoditi zelo hitro, da se bodo druge kapsule v cevi počasi samodejno ustavile zaradi zračnega upora.

Slabost takega transporta je, da potniki med drvenjem skozi vakuumsko cev ne bodo mogli gledati okolice, kar verjetno številnim ljudem ne bo všeč. Daryl Oster si je zato zamislil virtualna okna, v katera bodo vgrajeni zasloni, na katerih se bodo med potjo predvajali videoposnetki.

Daryl Oster se pogaja z ameriškimi tehnologi in politiki, da bi nekje v ZDA zgradili 5 km dolgo testno progo. Najprimernejši bi bil kraj, od koder bi lahko testno progo pozneje razširili in z njo povezali dve 300-600 km oddaljeni velemesti. Morda bodo povezali Boston in New York ali New York in Washington. Izumitelj pravi, da bi bila zanimiva vsaka proga, po kateri bi se na dan peljalo 12.000 kapsul [1].

Slika 1.6: Potek transporta ET3 [19]

4.3.2. Delovanje magnetov in doseganje vakuuma Sistem ET3 bo porabil zelo malo energije-črpalke in kompresor bodo porabili 260 kW na enoto. Za osrednjo tehnologijo projekta, tako imenovane superprevodne magnete, bodo odgovorni kitajski znanstveniki [1]. Superprevodni magneti so elektromagneti, narejeni iz superprevodne žice (kositer, svinec, eksotični večplastni keramični materiali), ki imajo 3 dobre lastnosti, ki bodo koristile temu sistemu: prva je izrivanje magnetnega polja iz notranjosti superprevodnika. To superprevodnik stori tako, da na svoji površini inducira supertokove, ki ustvarjajo zrcalno sliko zunanjega magnetnega polja, kar privede do odbojne sile. Druga je dejansko lastnost vseh snovi. Ob prisotnosti magnetnega polja se snov začne magnetizirati. Ko odstranimo magnetno polje, se magnetizacija v snoveh, razen v feromagnetih, povrne v prvotno stanje. Ob znižanju temperature, pa se magnetizacija lahko ohrani tudi po odstranitvi magnetnega polja. Če superprevodnik postavimo v magnetno polje in ga nato ohladimo v superprevodno stanje, se magnetizacija, ki je posledica zunanjega magnetnega polja, ujame v superprevodnik. Superprevodnik bo nasprotoval vsakršni spremembi magnetnega polja. Tretja lastnost pa so vrtične linije. To so tanka, nehomogena območja, ki se pojavijo v superprevodnikih druge vrste. Na teh območjih začne magnetno polje magneta prodirati v visokotemperaturni superprevodnik, kar tako rekoč pritrdi magnet nanj [17]. Torej superprevodni magneti nimajo električne upornosti, dokler so ohlajeni pod kritično temperaturo- pri navadnem svincu je to pri le 7 stopinj nad absolutno ničlo, pri drugih superprevodnikih do največ 23 stopinj nad absolutno ničlo [10]. Takšni magneti lahko vzdržujejo močno magnetno polje, ne da bi pri tem izgubljali energijo. Ker bo zračni upor v vakuumski cevi zanemarljiv, kapsuli, potem ko bo dosegla končno hitrost, ne bo treba dovajati energije. Poleg tega bodo 90 % energije, ki jo bodo uporabili, obnovili s pomočjo elektromagnetne indukcije med zaviranjem kapsule. ET3 bo tako na potnika porabil le 1% toliko energije kot klasični električni vlak [1]. Da postanejo superprevodni, je potrebno magnete močno ohladiti. V preteklosti so za superprevodnost potrebovali tekoči helij, danes pa lahko uporabijo cenejši tekoči dušik. Ker bodo magneti v vakuumu, bodo za vsako kapsulo potrebovali zelo malo tekočega dušika (pri temperaturi okrog -210 °C), da bodo vzdrževali temperaturo magnetov, ki bo potrebna za to, da bo kapsula lebdela. Temperatura tekočega dušika precej manjša od kritične temperature superprevodnikov (približno 230 °C razlike), saj je treba superprevodnike izjemno hitro ohladiti, da opravljajo svojo vlogo. Magnetna pola bosta fazno rotirala, da bodo lahko magneti vlekli in potiskali kapsulo do končne hitrosti-v poglavju 4.2.1 smo podrobneje opisali, kako nastane odbojna in kako privlačna sila [1,11,12].

Slika 4.7: Delovanje magnetov [1] Izumitelj zagotavlja, da bo vakuum v ceveh preprosto ustvariti. Podtlak bo moral biti v mejah od -0,091 do -0,093 MPa. Zrak bo mogoče izčrpati s preprostim sistemom črpalk, cevi pa bodo morale biti dovolj trdne, da se zaradi nizkega tlaka ne bodo deformirale kot plastična steklenica. Izkušenj z vakuumom imamo veliko, saj ga uporabljamo v termičnih steklenicah in nekaterih TV-zaslonih-slednji so tako tesno zaprti, da lahko vakuum ohranjajo več let, enako tesne pa bodo tudi cevi, skozi katere bodo potovale kapsule s potniki. Ker bodo kapsule obdane z vakuumom, ne bodo mogle oddajati toplote, zato bodo morale biti opremljene s hladilnim sistemom. V potniških kabinah bo seveda zrak, ki bo moral ostati pod enakim tlakom, kot je zrak izven

kapsule. Potniki bodo torej med potovanjem s kapsulo v okolju, ki bo podobno okolju kabine potniškega letala [1].

Premer cevi bo 1,5 m, saj so izračunali, da bo tak premer najbolj optimalen. Tak premer bo omogočil kapsule, ki bodo prostorne kot velik osebni avtomobil s tremi vrstami sedežev za potnike ter prostorom za prtljago in ki bodo obenem zelo lahke. Kapsule bodo imele premer 1,3 m, ena kapsula bo tehtala 183 kg in bo lahko prevažala 6 ljudi oz. 367 kg tovora [11].

Cevi vakuumske železnice bodo stale na 5 m visokih stebrih in bodo spominjale na plinovod. Mehki ovinki bodo zagotavljali, da bo potnikom v vlaku med vožnjo udobno [1].

Slika 4.8: Primerjava vakuumske železnice (levo na sliki) s tradicionalno (desno na sliki) [1].

4.3.3. Pregled prednosti tehnologije ET3

Kot smo lahko razbrali že iz opisa delovanja vakuumskega vlaka oz. tehnologije ET3, lahko izluščimo veliko prednosti, ki jih prinaša transport z vlakom v vakuumski cevi:

• ET3 bo skoraj povsem tih (zvok se v vakuumu ne prenaša) • ET3 ne bo povzročal zemeljskih vibracij kot običajni vlaki (prednost manjše teže) • Vodila ET3 kapsul so v celoti izolirana znotraj cevi, zato je nemogoče, da bi ptice, druge živali ali ljudje

kakorkoli prišli v stik s temi vodili • Ko bo kapsula dosegla končno hitrost, ji ne bo treba več dovajati energije, saj bo zračni upor v

vakuumski cevi zanemarljiv • 90% energije, ki jo bodo uporabili, bodo obnovili s pomočjo elektromagnetne indukcije med zaviranjem

kapsule. ET3 bo tako na potnika porabil le 1% toliko energije kot klasični električni vlak. • Če bodo uporabili obnovljive vire energije, ET3 ne bo imel negativnega vpliva na kvaliteto zraka • ET3 je varnejši od vlakov, avtomobilov in celo letal-pri letalih je največji vzrok za nesreče človeška

napaka, sistem ET3 pa je avtomatsko voden; drugi največji vzrok za letalske nesreče so slabi vremenski pogoji, kar je prav tako zmanjšano s sistemom ET3; tretji največji vzrok so mehanske okvare-ker je sistem ET3 manj zapleten zaradi magnetov, so tudi mehanske okvare skoraj odpravljene [15].

5 Sklep V prihodnosti nas torej morda čaka nova oblika javnega transporta, ki bo prišla v poštev za zelo oddaljena mesta, zato bodo lahko med sabo povezali tudi celine. Seveda pa so potrebne še raziskave na tem področju, težavo predstavljajo tudi velika finančna vlaganja, da bo projekt dejansko izveden. Razlogov za tako investicijo je veliko, saj nam prinaša veliko prednosti, kot smo lahko videli. Poleg tega, da želijo rešiti težavo prevoza potnikov, nameravajo znanstveniki, ki delajo pri projektu Startram, revolucionirati še vesoljska potovanja. Z magnetnimi tračnicami v vakuumskih ceveh želijo izstreljevati opremo v vesolje in tako izjemno poceniti izstrelitve. Danes za pot v vesolje uporabljamo rakete, ki porabijo velike količine goriva. Znanstveniki so si zamislili 100 km dolgo vakuumsko cev, ki bi se končala visoko na vrhu gore. Da bi lahko 40-tonsko plovilo ušlo težnosti Zemlje, mora biti njegova hitrost vsaj 8.000 m/s (28.800 km/h). Vesoljsko plovilo bi do te hitrosti pospešilo z 10 do 20 g, kar je veliko več, kot prenese človeško telo. Tolikšen pospešek zahteva za nekaj sekund 100 GW električne moči. Dolgoročno hočejo znanstveniki razviti tehnologijo tako daleč, da bi lahko z vakuumsko železnico v vesolje potovali tudi ljudje [1]. 6 Literatura [1] V prihodnosti bomo potovali s hitrostjo 600 km/h, Science illustrated, 39 (2013). [2] A. prapotnik in ostali, Učni načrt – Naravoslovje in tehnika (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo, znanost in

šport:Zavod RS za šolstvo, 2011), [http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_UN/UN_tehnika_tehnologija.pdf].

[3] Opredelitev hitre železnice [http://sl.wikipedia.org/wiki/Hitra_%C5%BEeleznica]. [4] Maglev vlak [http://sl.wikipedia.org/wiki/Maglev]. [5] Princip delovanja in prednosti Maglev vlaka

[http://www.21stcenturysciencetech.com/articles/Summer03/maglev2.html]. [6] J. Farndon, Električni vlaki, 4000 stvari, ki jih tudi morate vedeti (Ljubljana, Cankarjeva založba, 2005). [7] Delovanje Maglev vlaka [http://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/maglev-train.htm]. [8] M. Wright, M. Patel, Zelo hitri vlaki, Kako stvari delujejo? (Ljubljana, Mladinska knjiga, 2002). [9] M. Wright, M. Patel, Vlaki na magnetni blazini, Kako stvari delujejo? (Ljubljana, Mladinska knjiga, 2002). [10] Opredelitev superprevodnosti [http://sl.wikipedia.org/wiki/Superprevodnost]. [11] Tehnologija ET3 [http://www.et3.com/]. [12] Vakuumski vlak-vactrain [http://en.wikipedia.org/wiki/Vactrain]. [13] Test vlaka Maglev na Japonskem [ http://phys.org/news/2013-09-japan-maglev-mph-video.html]. [14] Preizkus popolnoma novega Maglev vlaka

[http://magnetbahnforum.de/phpBB2/viewtopic.php?topic_view=threads&p=47829&t=9605]. [15] D. Oster, M. Kumada, Y. Zhang, Evacuaated tube transport technologies (ET3)tm: a maximum value global

transportation network for passengers and cargo, Journal of Modern Transportation, 19 (1), 42, 2011 [http://www.theasterfoundation.org/wp-content/uploads/2013/04/JournalofModernTransportation.pdf].

[16] J. R. Hull in M. Murakami, Proc. IEEE 92, 1705 (2004) [17] Hitri vlak na magnetni blazini [http://zvonko.fgg.uni-lj.si/seminarji/hitrivlak/VLAKI.html] [18] http://www.talktalk.co.uk/reference/encyclopaedia/hutchinson/m0002149.html [19] http://www.capsu.org/library/documents/0035.html

7 Učni list 7.1 Nerešen učni list Vakuumski vlak-vactrain 1.) Naštej 3 vrste hitrih vlakov, ki imajo med sabo različen princip delovanja oz. imajo izboljšan princip delovanja od drugih. -_______________________________ -_______________________________ -_______________________________ 2.) Na kratko opiši glaven princip delovanja vlaka MAGLEV-vlaka na magnetni blazini 3.) Kaj je glavni razlog, da vlak MAGLEV dosega veliko višje hitrosti kot prvi hitri vlaki (TGV, Šinkansen)? a) Ker uporablja močnejši motor b) Ker ni stika med tračnico in vozilom, zato ni trenja c) Ker ni upora zraka 4.) Dopolni stavek, da dobiš osnoven princip sistema vakuumskega vlaka. _______________ cevi, kombinirane s tako imenovano tehnologijo _______________ .

5.) Sistem ET3 bo porabil zelo malo energije-na potnika bo porabil le:

a) 1 % toliko energije kot klasični električni vlak b) 20 % toliko energije kot klasični električni vlak c) 40 % toliko energije kot klasični električni vlak 6.) Kako bodo ustvarili vakuum v ceveh?

7.2. Rešen učni list Vakuumski vlak-vactrain 1.) Naštej 3 vrste hitrih vlakov, ki imajo med sabo različen princip delovanja oz. imajo izboljšan princip delovanja od drugih. TGV, Šinkansen – električni vlaki Vlak MAGLEV – vlak na magnetni blazini Vakuumski vlak – tehnologija MAGLEV, kombinirana z vakuumskimi cevmi 2.) Na kratko opiši glaven princip delovanja vlaka MAGLEV-vlaka na magnetni blazini Odbojna sila med superprevodnimi magneti in elektromagneti v tračnici dvigne vlak nad tračnico. 3.) Kaj je glavni razlog, da vlak MAGLEV dosega veliko višje hitrosti kot prvi hitri vlaki (TGV, Šinkansen)? a) Ker uporablja močnejši motor b) Ker ni stika med tračnico in vozilom, zato ni trenja c) Ker ni upora zraka 4.) Dopolni stavek, da dobiš osnoven princip sistema vakuumskega vlaka. Vakuumske cevi, kombinirane s tako imenovano tehnologijo maglev.

5.) Sistem ET3 bo porabil zelo malo energije-na potnika bo porabil le:

a) 1 % toliko energije kot klasični električni vlak b) 20 % toliko energije kot klasični električni vlak c) 40 % toliko energije kot klasični električni vlak 6.) Kako bodo ustvarili vakuum v ceveh? Zrak bo mogoče izčrpati s preprostim sistemom črpalk, cevi pa bodo morale biti dovolj trdne, da se zaradi nizkega tlaka ne bodo deformirale kot plastična steklenica.