รถไฟแม็กเลฟเป็นพาหนะแห่งอนาคตหรือไม่? รถไฟ maglev ทำงานอย่างไร?

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 10:42

เวลาผ่านไปกว่าสองร้อยปีแล้วตั้งแต่ที่มนุษย์คิดค้นรถจักรไอน้ำคันแรก อย่างไรก็ตาม การขนส่งผู้โดยสารบนรถไฟภาคพื้นดินและสินค้าหนักโดยใช้ไฟฟ้าและน้ำมันดีเซลยังคงเป็นเรื่องธรรมดามาก

มันคุ้มค่าที่จะพูดว่าตลอดหลายปีที่ผ่านมานี้ วิศวกรและนักประดิษฐ์ได้ทำงานอย่างแข็งขันเพื่อสร้างทางเลือกในการเคลื่อนย้าย ผลงานของพวกเขาคือรถไฟบนเบาะแม่เหล็ก

ประวัติการปรากฎ

แนวคิดในการสร้างรถไฟบนเบาะแม่เหล็กได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันเมื่อต้นศตวรรษที่ยี่สิบ อย่างไรก็ตาม เป็นไปไม่ได้ที่จะตระหนักถึงโครงการนี้ในขณะนั้นด้วยเหตุผลหลายประการ การผลิตรถไฟดังกล่าวเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2512 เท่านั้น ตอนนั้นเองที่มีการวางรางแม่เหล็กในอาณาเขตของสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี โดยมียานพาหนะใหม่ต้องผ่าน ซึ่งภายหลังเรียกว่ารถไฟแม็กเลฟ เปิดตัวในปี 1971 รถไฟแม็กเลฟขบวนแรกที่เรียกว่า Transrapid-02 เคลื่อนผ่านรางแม่เหล็ก

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจคือวิศวกรชาวเยอรมันได้สร้างยานพาหนะทางเลือกโดยอ้างอิงจากบันทึกของนักวิทยาศาสตร์ Hermann Kemper ซึ่งได้รับสิทธิบัตรยืนยันการประดิษฐ์ระนาบแม่เหล็กในปี 1934

"Transrapid-02" แทบจะเรียกได้ว่าเร็วมาก เขาสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุด 90 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ความจุของมันก็ยังน้อย - แค่สี่คน

ในปี 1979 ได้มีการสร้างโมเดล maglev ขั้นสูงขึ้น รถไฟขบวนนี้เรียกว่า "Transrapid-05" สามารถบรรทุกผู้โดยสารได้หกสิบแปดคนแล้ว เขาเดินไปตามเส้นทางที่ตั้งอยู่ในเมืองฮัมบูร์กซึ่งมีความยาว 908 เมตร ความเร็วสูงสุดที่รถไฟขบวนนี้พัฒนาขึ้นคือ 75 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

ในปี 1979 เดียวกันนั้น maglev รุ่นอื่นได้ออกจำหน่ายในญี่ปุ่น. เธอถูกเรียกว่า "ML-500" รถไฟญี่ปุ่นบนเบาะแม่เหล็กพัฒนาความเร็วสูงสุดห้าร้อยสิบเจ็ดกิโลเมตรต่อชั่วโมง

ความสามารถในการแข่งขัน

ความเร็วที่รถไฟเบาะแม่เหล็กสามารถพัฒนาได้เปรียบได้กับความเร็วของเครื่องบิน ในแง่นี้การขนส่งประเภทนี้สามารถกลายเป็นคู่แข่งสำคัญของเส้นทางการบินที่ดำเนินการในระยะทางไกลถึงหนึ่งพันกิโลเมตร การใช้แม็กเลฟอย่างแพร่หลายถูกขัดขวางโดยข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขาไม่สามารถเคลื่อนที่บนพื้นผิวทางรถไฟแบบเดิมได้ รถไฟบนเบาะแม่เหล็กจำเป็นต้องสร้างทางหลวงพิเศษ และต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมาก เชื่อกันว่าสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นสำหรับแม็กเลฟสามารถส่งผลเสียได้ร่างกายมนุษย์ซึ่งจะส่งผลเสียต่อสุขภาพของผู้ขับขี่และผู้อยู่อาศัยในภูมิภาคที่ตั้งอยู่ใกล้เส้นทางดังกล่าว

หลักการทำงาน

รถไฟเบาะแม่เหล็กเป็นพาหนะพิเศษ ระหว่างการเคลื่อนที่ maglev ดูเหมือนจะลอยอยู่เหนือรางรถไฟโดยไม่ต้องสัมผัสมัน. นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ายานพาหนะถูกควบคุมโดยแรงของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ ระหว่างการเคลื่อนที่ของแม็กเลฟไม่มีแรงเสียดทาน แรงเบรกคือการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์

มันทำงานยังไง? เราแต่ละคนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติพื้นฐานของแม่เหล็กจากบทเรียนฟิสิกส์ชั้นประถมศึกษาปีที่ 6 หากนำแม่เหล็กสองอันมารวมกันกับขั้วเหนือของพวกมัน แม่เหล็กทั้งสองจะผลักกัน มีการสร้างเบาะแม่เหล็กที่เรียกว่า เมื่อเชื่อมขั้วต่างๆ เข้าด้วยกัน แม่เหล็กจะดูดเข้าหากัน หลักการที่ค่อนข้างง่ายนี้รองรับการเคลื่อนที่ของรถไฟแม็กเลฟ ซึ่งล่องลอยไปในอากาศอย่างแท้จริงโดยอยู่ห่างจากรางรถไฟเพียงเล็กน้อย

ปัจจุบันมีการพัฒนาเทคโนโลยีสองอย่างแล้ว โดยใช้เบาะแม่เหล็กหรือระบบกันกระเทือน ส่วนที่สามเป็นการทดลองและมีอยู่ในกระดาษเท่านั้น

ระงับแม่เหล็กไฟฟ้า

เทคโนโลยีนี้เรียกว่า EMS มันขึ้นอยู่กับความแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา มันทำให้เกิดการลอยตัว (ลอยขึ้นไปในอากาศ) ของแม็กเลฟ สำหรับการเคลื่อนตัวของรถไฟในกรณีนี้ ต้องใช้รางรูปตัว T ซึ่งทำจากตัวนำ (มักทำจากโลหะ) ด้วยวิธีนี้ การทำงานของระบบจะคล้ายกับการรถไฟธรรมดา อย่างไรก็ตาม ในรถไฟ แทนที่จะติดตั้งล้อคู่ จะมีการติดตั้งแม่เหล็กรองรับและไกด์นำทาง โดยวางขนานกับสเตเตอร์แม่เหล็กซึ่งอยู่ตามขอบของรางรูปตัว T

ข้อเสียเปรียบหลักของเทคโนโลยี EMS คือต้องควบคุมระยะห่างระหว่างสเตเตอร์กับแม่เหล็ก และทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงธรรมชาติที่ไม่เสถียรของปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้รถไฟหยุดกะทันหันจึงมีการติดตั้งแบตเตอรี่พิเศษไว้ พวกเขาสามารถชาร์จเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชิงเส้นตรงที่สร้างขึ้นในแม่เหล็กรองรับ และทำให้กระบวนการลอยตัวเป็นเวลานาน

รถไฟแบบ EMS ถูกเบรกด้วยมอเตอร์เชิงเส้นตรงแบบซิงโครนัสที่มีอัตราเร่งต่ำ มันถูกแสดงโดยแม่เหล็กรองรับเช่นเดียวกับถนนที่แม็กเลฟลอยอยู่ ความเร็วและแรงขับขององค์ประกอบสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนความถี่และความแรงของกระแสสลับที่สร้างขึ้น ให้ช้าลงก็แค่เปลี่ยนทิศทางของคลื่นแม่เหล็ก

กันกระเทือนไฟฟ้า

มีเทคโนโลยีที่การเคลื่อนที่ของแม็กเลฟเกิดขึ้นเมื่อสองสนามมีปฏิสัมพันธ์กัน หนึ่งในนั้นถูกสร้างขึ้นบนผืนผ้าใบทางหลวง และอันที่สองถูกสร้างขึ้นบนรถไฟ เทคโนโลยีนี้เรียกว่า EDS บนพื้นฐานของการสร้างรถไฟ maglev ญี่ปุ่น JR–Maglev

ระบบนี้มีความแตกต่างจาก EMS โดยที่แม่เหล็กธรรมดาที่จ่ายกระแสไฟฟ้าจากขดลวดเฉพาะเมื่อมีการจ่ายไฟ

เทคโนโลยี EDS หมายถึงการจ่ายไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้เกิดขึ้นแม้ว่าแหล่งจ่ายไฟจะปิดอยู่ ระบบทำความเย็นแบบไครโอเจนิกส์ได้รับการติดตั้งในคอยล์ของระบบดังกล่าว ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้มาก

ข้อดีและข้อเสียของเทคโนโลยี EDS

ด้านบวกของระบบที่ทำงานบนระบบกันสะเทือนแบบอิเล็กโทรไดนามิกคือความเสถียร แม้แต่ระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับผืนผ้าใบที่ลดลงหรือเพิ่มขึ้นเล็กน้อยก็ยังถูกควบคุมโดยแรงผลักและแรงดึงดูด ซึ่งช่วยให้ระบบอยู่ในสถานะที่ไม่เปลี่ยนแปลง ด้วยเทคโนโลยีนี้ ไม่จำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ไม่จำเป็นต้องให้อุปกรณ์ปรับระยะห่างระหว่างเว็บกับแม่เหล็ก

เทคโนโลยี EDS มีข้อเสียอยู่บ้าง ดังนั้น แรงที่เพียงพอที่จะทำให้องค์ประกอบลอยขึ้นได้สามารถเกิดขึ้นได้ด้วยความเร็วสูงเท่านั้น นั่นคือเหตุผลที่รถแม็กเลฟมีล้อ พวกเขาให้การเคลื่อนไหวด้วยความเร็วสูงถึงหนึ่งร้อยกิโลเมตรต่อชั่วโมง ข้อเสียอีกประการของเทคโนโลยีนี้คือแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นที่ด้านหลังและด้านหน้าของแม่เหล็กขับไล่ที่ความเร็วต่ำ

เนื่องจากสนามแม่เหล็กแรงสูงในส่วนที่มีไว้สำหรับผู้โดยสาร จึงจำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันพิเศษ มิฉะนั้น บุคคลที่มีเครื่องกระตุ้นหัวใจจะไม่ได้รับอนุญาตให้เดินทาง การป้องกันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสื่อเก็บข้อมูลแม่เหล็ก (บัตรเครดิตและ HDD)

พัฒนาแล้วเทคโนโลยี

ระบบที่สามซึ่งปัจจุบันมีอยู่บนกระดาษเท่านั้นคือการใช้แม่เหล็กถาวรในตัวแปร EDS ซึ่งไม่ต้องการพลังงานในการเปิดใช้งาน จนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้เชื่อกันว่าเป็นไปไม่ได้ นักวิจัยเชื่อว่าแม่เหล็กถาวรไม่มีแรงเช่นนั้นที่อาจทำให้รถไฟลอยได้ อย่างไรก็ตาม ปัญหานี้หลีกเลี่ยงได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ แม่เหล็กถูกวางไว้ในอาร์เรย์ของ Halbach การจัดเรียงดังกล่าวนำไปสู่การสร้างสนามแม่เหล็กที่ไม่ได้อยู่ใต้อาร์เรย์ แต่อยู่เหนือสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะช่วยรักษาระดับการลอยตัวของรถไฟได้แม้จะอยู่ที่ความเร็วประมาณ 5 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

โครงการนี้ยังไม่ได้รับการปฏิบัติจริง เนื่องจากอาร์เรย์ที่ทำจากแม่เหล็กถาวรมีราคาสูง

ศักดิ์ศรีของแม็กเลฟ

ด้านที่น่าสนใจที่สุดของรถไฟ maglev คือความคาดหวังที่จะบรรลุความเร็วสูง ซึ่งจะทำให้ maglevs สามารถแข่งขันกับเครื่องบินเจ็ทได้ในอนาคต การขนส่งประเภทนี้ค่อนข้างประหยัดในแง่ของการใช้ไฟฟ้า ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการก็ต่ำเช่นกัน สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากไม่มีแรงเสียดทาน เสียงรบกวนต่ำของแม็กเลฟก็น่าพอใจเช่นกัน ซึ่งจะส่งผลดีต่อสถานการณ์ด้านสิ่งแวดล้อม

ข้อบกพร่อง

ข้อเสียของแม็กเลฟคือต้องใช้เวลามากเกินไปในการสร้าง ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษารางก็สูงเช่นกัน นอกจากนี้ โหมดการขนส่งที่พิจารณาต้องใช้ระบบรางที่ซับซ้อนและแม่นยำเป็นพิเศษอุปกรณ์ที่ควบคุมระยะห่างระหว่างผืนผ้าใบและแม่เหล็ก

การดำเนินโครงการในเบอร์ลิน

ในเมืองหลวงของเยอรมนีในช่วงทศวรรษ 1980 ได้มีการเปิดระบบแม็กเลฟระบบแรกที่เรียกว่าเอ็มบาห์นขึ้น ความยาวของผืนผ้าใบ 1.6 กม. รถไฟ maglev วิ่งระหว่างสถานีรถไฟใต้ดินสามแห่งในวันหยุดสุดสัปดาห์ การเดินทางสำหรับผู้โดยสารนั้นฟรี หลังจากการล่มสลายของกำแพงเบอร์ลิน ประชากรของเมืองเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่า จำเป็นต้องมีการสร้างเครือข่ายการขนส่งที่มีความสามารถในการให้ปริมาณผู้โดยสารสูง นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมในปี 1991 ผ้าใบแม่เหล็กจึงถูกรื้อถอน และการก่อสร้างรถไฟใต้ดินก็เริ่มขึ้นแทนที่

เบอร์มิงแฮม

ในเมืองเยอรมันแห่งนี้ รถแม็กเลฟความเร็วต่ำเชื่อมต่อระหว่างปี 1984 ถึง 1995 สนามบินและสถานีรถไฟ ความยาวของเส้นทางแม่เหล็กเพียง 600 ม.

ถนนนี้ทำงานมาสิบปีแล้วและถูกปิดเนื่องจากการร้องเรียนจำนวนมากจากผู้โดยสารเกี่ยวกับความไม่สะดวกที่มีอยู่ ต่อจากนั้นโมโนเรลก็เข้ามาแทนที่แม็กเลฟในส่วนนี้

เซี่ยงไฮ้

ถนนสายแรกในเบอร์ลิน ก่อตั้งโดยบริษัท Transrapid สัญชาติเยอรมัน ความล้มเหลวของโครงการไม่ได้ขัดขวางนักพัฒนา พวกเขาทำการวิจัยต่อไปและได้รับคำสั่งจากรัฐบาลจีน ซึ่งตัดสินใจสร้างรางแม็กเลฟในประเทศ เส้นทางความเร็วสูง (สูงสุด 450 กม./ชม.) นี้เชื่อมระหว่างสนามบินเซี่ยงไฮ้และสนามบินผู่ตงถนนยาว 30 กม. ถูกเปิดในปี 2002 แผนในอนาคตจะขยายไปอีก 175 กม.

ญี่ปุ่น

ประเทศนี้จัดนิทรรศการในปี 2548เอ็กซ์โป-2005. เมื่อเปิดออก รางแม่เหล็กยาว 9 กม. ถูกนำไปใช้งาน มีเก้าสถานีบนสาย Maglev ให้บริการพื้นที่ติดกับสถานที่จัดนิทรรศการ

แม็กเลฟถือเป็นพาหนะแห่งอนาคต แล้วในปี 2025 มีแผนจะเปิดซุปเปอร์ไฮเวย์แห่งใหม่ในประเทศอย่างญี่ปุ่น รถไฟแม็กเลฟจะนำผู้โดยสารจากโตเกียวไปยังเขตใดพื้นที่หนึ่งทางตอนกลางของเกาะ ความเร็วจะอยู่ที่ 500 กม./ชม. จะต้องใช้เงินประมาณสี่สิบห้าพันล้านดอลลาร์เพื่อดำเนินโครงการ

รัสเซีย

การรถไฟความเร็วสูงรัสเซียก็มีการวางแผนเช่นกัน ภายในปี 2030 maglev ในรัสเซียจะเชื่อมต่อกับมอสโกและวลาดิวอสต็อก ผู้โดยสารจะเอาชนะเส้นทาง 9300 กม. ใน 20 ชั่วโมง ความเร็วของรถไฟแม็กเลฟจะสูงถึงห้าร้อยกิโลเมตรต่อชั่วโมง