مَگ‌لِو؛ طرحی که می‌توانست حمل و نقل را متحول کند

به گزارش «نبض فناوری»، Transrapid یک سیستم پیشگامانه قطار سریع‌السیر معلق مغناطیسی است که در آلمان توسعه یافت و پتانسیل متحول کردن صنعت حمل و نقل را از خود نشان داد و با وجود صادرات آن به چین و استرالیا، در نهایت هرگز در کشور بومی خود یعنی آلمان و همچنین دیگر کشورهای اروپایی مورد استفاده قرار نگرفت.

با وجود این‌ها اما هنوز Transrapid یک نقطه عطف مهم در تکامل سفرهای پرسرعت برشمرده می‌شود.

اگر تاکنون هرگز نام Transrapid را نشنیده‌اید، در این گزارش می‌خواهیم تاریخچه، فناوری‌ها و چالش‌های پیرامون این قطار مغناطیسی جالب و پرحاشیه را بررسی کنیم.

قطار مغناطیسی

قطار معلق مغناطیسی(Magnetic levitation) یا به اختصار مَگ‌لِو(Maglev) به معنای شناوری مغناطیسی و گونه‌ای از سامانه ترابری توسط قطار است که از دو مجموعه آهنربا استفاده می‌کند؛‌ یک مجموعه برای بلند کردن و شناور کردن قطار بر روی ریل و مجموعه دیگر برای رانش قطار به سمت جلو.

مزیت این کار، عدم وجود اصطکاک بین قطار و ریل است. قطار مغناطیسی در طول مسیرهای خاص میان‌برد(معمولاً ۳۲۰ تا ۶۴۰ کیلومتر) می‌تواند با قطار تندرو و هواپیماها رقابت کند.

در فناوری قطار مغناطیسی، واحدی تحت عنوان لوکوموتیو وجود ندارد و تنها یک بخش متحرک وجود دارد و آن خود قطار است. قطار در امتداد یک مسیر راهنمای آهنربایی حرکت می‌کند که ثبات و سرعت قطار را کنترل می‌کند. به حرکت درآوردن و شناورسازی به هیچ قطعه متحرکی نیاز ندارد. این کار با قطارهای خودکششی که دارای چندین قطعه متحرک در هر بوژی(هزارچرخ) هستند، کاملاً در تضاد است. به همین دلیل قطارهای مغناطیسی ساکت‌تر و آرام‌تر از قطارهای معمولی هستند و قابلیت حرکت با سرعت‌های بسیار بالایی دارند.

قطار مغناطیسی شانگهای که به عنوان Shanghai Transrapid شناخته می‌شود، حداکثر ۴۳۰ کیلومتر در ساعت سرعت دارد. این خط سریع‌ترین قطار عملیاتی مغناطیسی پرسرعت جهان است که برای اتصال فرودگاه بین‌المللی پودانگ شانگهای و حومه پودانگ طراحی شده‌ است. این قطار مسافت ۳۰٫۵ کیلومتری را تنها در کمی بیش از ۸ دقیقه طی می‌کند و نخستین رونمایی از آن باعث جلب توجه گسترده مردم و رسانه‌ها شد و محبوبیت این شیوه از ترابری را افزایش داد.

با وجود بیش از یک قرن تحقیق و توسعه، اکنون قطار مغناطیسی پرسرعت تنها در چین موجود است و سامانه‌های ترابری قطار مغناطیسی در حال حاضر تنها در سه کشور ژاپن، کره جنوبی و چین فعال هستند، چرا که توجیه هزینه‌ها و خطرات مربوط به قطار معلق مغناطیسی در برابر مزایای آن نسبتاً دشوار است، به‌ویژه در مکان‌هایی که دیگر روش‌های ترابری پرسرعت مرسوم مانند قطارهای تندرو موجود باشد.

نخستین طرح قطار مغناطیسی را «رابرت گدار» در نوامبر سال ۱۹۰۹ پیشنهاد کرد. او پیشنهاد کرد بین شهر بوستون و نیویورک تونلی ساخته شود که در آن قطارهای معلق در یک خلاء جزئی با نیروی مغناطیسی به حرکت درآیند. چند سال بعد در سال ۱۹۱۲ یک مهندس فرانسوی به نام «امیل باشه» طرحی را پیشنهاد کرد که شباهت بسیاری به وسیله مغناطیسی فعلی داشت. وسیله آزمایشی ۱۵ کیلوگرمی او با آهنرباهای برقی تغذیه شده با جریان متناوب از زمین بلند می‌شد و به حرکت درمی‌آمد، ولی در اثر برخورد با دیوار آزمایشگاه از بین رفت.

نخستین خط تولید قطار مغناطیسی در شانگهای چین به راستای ۳۰ کیلومتر به وسیله یک شرکت آلمانی ساخته شد. این خط آهن، فرودگاه شانگهای را به مرکز این شهر پیوند داده ‌است.

در ۲۲ سپتامبر ۲۰۰۶ یک قطار مغناطیسی در یک مسیر آزمایشی در آلمان با یک واگن خدماتی برخورد کرد که بر اثر آن بیش از بیست نفر در این حادثه کشته شدند. البته به گفته مقامات محلی، علت این حادثه خطای انسانی بوده و ناشی از فناوری Maglev نبوده ‌است.

Transrapid چه بود و چرا نام آن این است؟

Transrapid یک سامانه قطار سریع السیر مونوریل آلمانی بود که از فناوری معلق مغناطیسی(maglev) برای رانش استفاده می‌کرد. نام Transrapid از ترکیب کلمات «حمل و نقل» و «سریع» گرفته شده است که نشان دهنده حمل و نقل سریع و کارآمدی است که این سیستم قصد ارائه آن را داشت.

پروژه Transrapid International یک سرمایه‌گذاری مشترک بین شرکت‌های زیمنس و ThyssenKrupp بود که مسئول توسعه و بازاریابی این سیستم است.

فناوری Maglev Transrapid با استفاده از آهنرباهای الکترومغناطیس قوی به این قطار اجازه می‌دهد تا روی ریل معلق شود و اصطکاک را کاهش دهد و قطار را قادر می‌سازد تا با سرعت‌های بسیار بالا حرکت کند. گفتنی است که سرعت این قطارها در برخی موارد به بیش از ۵۰۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد.

توسعه اولین نمونه‌های اولیه برای سیستم Transrapid در سال ۱۹۶۹ آغاز شد و تا سال ۱۹۸۷، یک مرکز آزمایش در امسند(Emsland) آلمان تاسیس شد. در سال ۱۹۸۸ برنامه‌هایی برای ساخت مسیرهای سراسری Maglev در آلمان وجود داشت که از مسیر هامبورگ-هانوفر شروع می‌شد. در سال ۱۹۹۱ نیز شرکت Deutsche Bundesbahn با همکاری دانشگاه‌های برجسته آلمان این سیستم را از نظر فنی آماده عملیات اعلام کرد.

در سال ۲۰۰۲، اولین استفاده تجاری از این سیستم با قطار Maglev شانگهای محقق شد که شبکه حمل و نقل سریع شانگهای را در فاصله حدود ۳۰.۵ کیلومتری به فرودگاه بین المللی شانگهای پودونگ متصل کرد. با این حال، در آن زمان هیچ خط بین شهری دوربردی سیستم Transrapid را قبول نکرده بود.

با این حال در آلمان در سال ۲۰۱۱ زمانی که مجوز عملیاتی مسیر آزمایشی Emsland منقضی شد، تعطیل شد و تخریب و تغییر کاربری کل این محل از جمله کارخانه ساخت آن در اوایل سال ۲۰۱۲ مجاز شناخته شد و در سپتامبر ۲۰۱۷ پیشنهادهایی برای استفاده از آخرین نمونه Transrapid برای نمایش در موزه ارائه شد.

Transrapid چقدر با قطارهای مغناطیسی دیگر متفاوت بود؟

درست است که Transrapid چشمگیر است، اما این تنها فناوری قطار معلق مغناطیسی نیست که در سراسر جهان توسعه یافته است. نمونه‌های برجسته دیگر قطار معلق مغناطیسی ابررسانای ژاپن(SCMaglev یا Chuo Shinkansen) و قطار معلق مغناطیسی Aérotrain فرانسه است.

Transrapid و SCMaglev هر دو از فناوری شناوری مغناطیسی استفاده می‌کنند، اما از روش‌های تعلیق و رانش متفاوتی استفاده می‌کنند.

Transrapid از سیستم تعلیق الکترومغناطیسی(EMS) استفاده می‌کند که در آن الکترومغناطیس‌های متصل به کناره‌های قطار به ریل‌های فرومغناطیسی جذب می‌شوند. فاصله بین قطار و ریل در حدود ۱۰ میلی‌متر حفظ می‌شود و یک موتور خطی نیروی محرکه را فراهم می‌کند.

از سوی دیگر، SCMaglev ژاپن از سیستم معلق الکترودینامیکی(EDS) استفاده می‌کند. در این سیستم، آهنرباهای ابررسانا روی قطار، جریان‌هایی را در سیم‌پیچ‌های رسانای ریل ایجاد می‌کنند و نیروی مغناطیسی دافعه‌ای ایجاد می‌کنند که قطار را حدود ۱۰۰ میلی‌متر بالاتر از ریل معلق می‌کند. SCMaglev از یک سیستم موتور سنکرون خطی(LSM) برای تولید نیروی محرکه استفاده می‌کند.

در حالی که Transrapid و SCMaglev هر دو می‌توانند به سرعت بالایی دست یابند، SCMaglev حداکثر سرعت بالاتری را نشان داده است. حداکثر سرعت Transrapid حدود ۵۰۰ کیلومتر در ساعت است، در حالی که SCMaglev در طول آزمایشات به سرعت ۶۰۳ کیلومتر در ساعت نیز رسیده است.

قطار مغناطیسی Aérotrain نیز یک سیستم آزمایشی فرانسوی بود که در دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ توسعه یافت. قطار مغناطیسی Aérotrain برخلاف Transrapid و SCMaglev که بر شناوری مغناطیسی تکیه دارند، از فناوری بالشتک هوا برای تعلیق استفاده می‌کند. این قطار، هوا را به زیر خود می‌کشد و یک توربین یا یک موتور القایی خطی آن را به حرکت در می‌آورد.

اگرچه Aérotrain در مرحله آزمایشی خود به سرعت‌های قابل توجهی دست یافت، اما این پروژه در نهایت به نفع قطار پرسرعت معمولی TGV و عمدتاً به دلایل اقتصادی و فنی رها شد.

Transrapid چگونه کار می‌کند؟

Transrapid مانند سایر قطارهای Maglev از فناوری منحصر به‌ فردی استفاده می‌کند که به قطار اجازه می‌دهد بالای ریل معلق شود و در نتیجه اصطکاک را از بین ببرد و به سرعت‌های بالا دست یابد.

قطارهای Maglev با فناوری‌های توسعه‌یافته در آزمایشگاه ملی بروکهاون(Brookhaven) پیدایش یافتند. اولین اختراع طراحی قطار معلق مغناطیسی در اواخر دهه ۱۹۶۰ به جیمز پاول و گوردون دانبی از بروکهاون اعطا شد،‌ اگرچه پتنت‌های آن در آلمان در اواخر دهه ۱۹۳۰ ثبت شده است.

گفته می‌شود روزی جیمز پاول در ترافیک گیر کرده بود و با خود فکر کرد که باید راه کارآمدتری برای حرکت در خشکی نسبت به استفاده از ماشین یا قطار معمولی وجود داشته باشد. او به فکر معلق کردن واگن قطار با استفاده از آهنرباهای ابررسانا بود. آهنرباهای ابررسانا، آهنرباهایی هستند که در حین کار تا دمای بسیار پایین خنک می‌شوند و قدرت میدان مغناطیسی را به شدت افزایش می‌دهند.

تعلیق در سیستم Transrapid با استفاده از آهنرباهای الکتریکی قدرتمند در قطار و ریل به دست می‌آید. هنگامی که جریان الکتریکی از آهنرباها عبور می‌کند، آنها یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند که باعث می‌شود قطار از جای خود بلند شود و در بالای ریل معلق شود و فاصله‌ای در حدود ۱۰ میلی‌متری را با ریل حفظ کند.

همانطور که اشاره شد، Transrapid برای تولید نیروی محرکه از یک موتور خطی استفاده می‌کند که نوعی موتور الکتریکی است که به جای حرکت چرخشی تولید شده توسط موتورهای الکتریکی سنتی، حرکت خطی ایجاد می‌کند. مولد این موتور خطی یا قسمت ثابت آن در امتداد ریل نصب می‌شود، در حالی که روتور یا قسمت متحرک به قطار متصل است. هنگامی که جریان الکتریکی اعمال می‌شود، میدان مغناطیسی در حال حرکتی ایجاد می‌کند که با آهنرباهای قطار تعامل می‌کند و آن را در امتداد ریل هل می‌دهد یا می‌کشد. این امر به قطار اجازه می‌دهد تا با شتاب و کاهش اصطکاک به سرعت‌های بالا دست یابد.

سیستم Transrapid همچنین از یک سیستم کنترل پیچیده برای اطمینان از ایمنی و کارایی استفاده می‌کند. حسگرها موقعیت قطار، سرعت و سایر متغیرها را در لحظه نظارت می‌کنند و در صورت نیاز، توان عرضه ‌شده به آهنرباهای الکتریکی و موتور خطی را تنظیم می‌کنند. این کار به قطار اجازه می‌دهد تا فاصله ثابتی بین خود و ریل داشته باشد و از سواری نرم و پایدار اطمینان حاصل کند و شتاب، کاهش اصطکاک و سرعت حرکت قطار را کنترل کند.

چرا Transrapid شکست خورد؟

با وجود این که Transrapid در آلمان و اروپا هرگز واقعاً به موفقیت دست نیافت، اما به یک معنا نیز شکست خورده محسوب نمی‌شود، زیرا با موفقیت به چین و استرالیا صادر شد و هنوز در حال فعالیت است.

Transrapid با وجود مزایای آشکار، با چالش‌های متعددی روبرو شد که به موفقیت محدود و در نهایت استفاده محدود آن منجر شد.

یکی از آنها هزینه‌های بالای ساخت آن بود که نقش بسزایی در عدم موفقیت آن داشت. توسعه و ساخت زیرساخت Transrapid عمدتاً به دلیل الزامات منحصر به فرد فناوری Maglev، مانند نیاز به ریل‌های اختصاصی و سیستم‌های کنترل پیچیده گران بود. این هزینه‌های بالا، تأمین بودجه برای پروژه‌های جدید را چه در داخل و چه در سطح بین‌المللی دشوار می‌کرد.

همچنین موانع سیاسی و بوروکراتیک عامل دیگری بود که مانع موفقیت Transrapid شد. این پروژه در آلمان با مخالفت گروه‌های مختلف، نگرانی‌های زیست محیطی و مسائل مربوط به تملک زمین مواجه شد. تأخیر و مشکلات در فرآیندهای تصمیم‌گیری نیز اجرای این سیستم را بیشتر با مشکل مواجه کرد.

رقابت سیستم‌های ریلی پرسرعت معمولی مانند ICE آلمان و TGV فرانسوی نیز بر پذیرش Transrapid تأثیر گذاشتند. این جایگزین‌ها سرعت و کارایی قابل مقایسه‌ای را ارائه می‌کردند و اغلب هزینه‌های ساخت و نگهداری پایین‌تری داشتند که آنها را به گزینه‌های جذاب‌تری برای دولت‌ها و سرمایه‌گذاران تبدیل می‌کرد.

نگرانی‌های مربوط به صدای نویز و ارتعاشات ناشی از آن برای ساکنان نزدیک به مسیرهای پیشنهادی نیز به چالش‌های پیش روی Transrapid افزود. اگرچه فناوری Maglev صدای نویز ایجاد شده توسط تماس چرخ روی ریل را کاهش می‌دهد، اما همچنان در سرعت‌های بالا صداهایی ناشی از اثرات آیرودینامیکی ایجاد می‌کند که این مسئله نیز به مخالفت عمومی با این پروژه دامن زد.

یکی دیگر از میخ‌ها بر تابوت Transrapid یک حادثه غم انگیز در سال ۲۰۰۶ بود. به طور معمول امکان برخورد دو قطار مغناطیسی وجود ندارد، چرا که دو قطار در یک مسیر و ریل مجبور هستند در یک جهت با سرعت یکسان حرکت کنند. با این حال، در ۲۲ سپتامبر ۲۰۰۶، یک قطار Transrapid در مسیر آزمایشی در لاتِن آلمان با یک واگن تعمیر و نگهداری برخورد کرد. ترمز اضطراری قطار، سرعت آن را از ۴۵۰ کیلومتر در ساعت به ۱۶۲ کیلومتر در ساعت کاهش داد، اما ۳۴ نفر سوار بر آن بودند و این سرعت برای عدم آسیب به آنها به اندازه کافی پایین نبود.

این برخورد، قسمت جلویی قطار را تخریب کرد و باعث شد واگن تعمیر و نگهداری از ریل خارج شود دو بار چرخش کامل انجام دهد.

این حادثه اولین تصادف مهم قطار Transrapid را رقم زد. خبرگزاری‌ها ۲۳ کشته و چندین جراحت شدید را گزارش کردند که اولین مورد مرگ و میر در قطارهای مغناطیسی بود. این حادثه ناشی از خطای انسانی بود، زیرا قطار اجازه داشت قبل از اینکه واگن تعمیر و نگهداری، مسیر را پاک کند، ایستگاه را ترک کند. اکنون یک سیستم خودکار جلوگیری از برخورد می‌تواند از بروز چنین شرایط و حوادثی جلوگیری کند.

در حادثه دیگری در ۱۱ اوت ۲۰۰۶، قطار Transrapid که در خط شانگهای فعالیت می‌کرد، دچار آتش‌سوزی شد. آتش نشانان شانگهای به سرعت آتش را خاموش کردند. گزارش‌ها حاکی از آن است که باتری‌های قطار ممکن است علت آتش‌سوزی بوده باشد.

سرانجام بحران مالی جهانی ۲۰۰۷ و ۲۰۰۸ و رکود اقتصادی متعاقب آن، تامین بودجه را برای پروژه‌های جدید Transrapid چالش‌برانگیزتر کرد. دولت‌ها و سرمایه‌گذاران در این دوره نسبت به سرمایه‌گذاری در پروژه‌های زیرساختی پرهزینه محتاط‌تر شدند و چشم‌انداز توسعه Transrapid محدود شد.

در نهایت، شکست Transrapid در اروپا را می‌توان به ترکیبی از هزینه‌های ساخت و ساز بالا، چالش‌های سیاسی و بوروکراتیک، رقابت سیستم‌های راه‌آهن پرسرعت معمولی، نگرانی‌های نویز و ارتعاش و تأثیر بحران مالی جهانی نسبت داد. این عوامل در نهایت پذیرش و گسترش سیستم Transrapid را محدود کردند و منجر به زوال آن شدند.

هزینه Transrapid چقدر بود؟

هزینه اجرای سیستم مغناطیسی Transrapid بسته به پروژه مورد نظر متفاوت بود، زیرا عواملی مانند طول مسیر، زمین و الزامات زیرساختی بر هزینه‌های ساخت و ساز آن تأثیر داشتند. با این حال، هزینه هر کیلومتر برای ساخت یک سیستم Transrapid معمولاً بیشتر از سیستم‌های ریلی پرسرعت معمولی بود. اکنون چند نمونه از پیاده‌سازی این سیستم قابل مشاهده است تا یک تخمین تقریبی به ما ارائه دهد.

به عنوان مثال، قطار مغناطیسی شانگهای تنها اجرای تجاری سیستم Transrapid است که مجموع هزینه ساخت آن حدود ۱.۳۳ میلیارد دلار شد. این خط ۳۰.۵ کیلومتری هزینه‌ای در حدود ۴۳.۶ میلیون دلار به ازای هر کیلومتر دارد.

توجه به این نکته مهم است که این ارقام مختص پروژه شانگهای است و ممکن است نماینده سایر پروژه‌های بالقوه Transrapid نباشد، زیرا هزینه‌ها می‌تواند به طور قابل توجهی بر اساس عوامل محلی متفاوت باشد.

Transrapid استرالیا در سال ۲۰۰۸ هزینه‌ای معادل ۳۴ میلیون دلار استرالیا به ازای هر کیلومتر روی دست دولت ایالت ویکتوریا برای یک ریل دوگانه گذاشت.

به طور کلی، هزینه بالای ساخت و نگهداری سیستم‌های Transrapid یکی از عوامل اصلی در پذیرش محدود این فناوری و در نهایت زوال آن بود.

در مجموع، Transrapid یک فصل جاه طلبانه و نوآورانه در تاریخ حمل و نقل پرسرعت را نشان می‌دهد که به عنوان یک سیستم قطار مغناطیسی پیشگام، پتانسیل تعلیق مغناطیسی و فناوری‌های موتور خطی را برای ارائه سفرهای سریع، روان و کارآمد به نمایش گذاشت.

اگرچه پذیرش گسترده آن به دلیل هزینه‌های بالا، چالش‌های سیاسی و بوروکراتیک و رقابت با سیستم‌های راه‌آهن پرسرعت معمولی محدود بوده است، اما Transrapid همچنان گواهی بر نبوغ انسان و تلاش برای راه‌حل‌های ترابری بهتر و سریع‌تر است و مانند برخی دیگر از ایده‌های خوب، قطارهای مغناطیسی نیز ممکن است کمی طول بکشد تا به طور گشترده مورد استفاده قرار بگیرند.

منبع/ ایسنا