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I treni a levitazione magnetica sono ormai comuni. Tuttavia, il treno MagLev sviluppato dalla Central Japan Railway Company è piuttosto unico e superiore rispetto agli altri treni. Raggiungendo una velocità superiore a 600 km all’ora, ha conquistato il titolo di “treno più veloce del mondo.” Questo treno utilizza magneti superconduttori, motivo per cui viene chiamato SC MagLev. Una volta caricati con una corrente di eccitazione, i magneti superconduttori del treno producono una corrente continua circolante e un forte campo magnetico in modo permanente, senza perdite. Approfondiamo questa tecnologia ferroviaria testata con successo, che si prevede supererà le altre tecnologie di levitazione magnetica entro il 2027. La stessa tecnologia è destinata a collegare New York a Washington DC in solo un'ora entro il 2030.
Per operare con successo un treno a levitazione magnetica, dobbiamo raggiungere i seguenti tre obiettivi: 1) propulsione, 2) levitazione e 3) guida. Tuttavia, prima di entrare nei dettagli di come il treno SCMagLev realizzi questi obiettivi, studiamo il cuore di questo treno: i magneti superconduttori.
I treni levitanti richiedono elettromagneti estremamente potenti. Più sono forti i magneti, maggiore è la forza di sollevamento e di propulsione, con conseguente aumento della velocità del treno. Un normale elettromagnete non può aumentare il valore della corrente oltre un certo limite, a causa del surriscaldamento. Negli elettromagneti superconduttori, la temperatura del conduttore viene abbassata sotto un limite critico. Dopo ciò, il materiale genera improvvisamente un’enorme quantità di corrente con resistenza nulla. Questo è esattamente il risultato desiderato. L’aspetto interessante è che basta caricare la bobina superconduttrice una sola volta, usando una corrente di eccitazione, affinché le bobine in cortocircuito producano una corrente continua circolante per sempre, senza perdita di energia. La corrente circolante nelle bobine superconduttrici è enorme: 700 kiloampere, quasi 10.000 volte il valore della corrente nei fili di rame domestici convenzionali! Gli elettromagneti superconduttori sono ovviamente gli elettromagneti più potenti ed efficienti.
La sfida è mantenere le bobine nello stato superconduttivo. A tale scopo, viene utilizzato un sistema di refrigerazione a elio liquido a bordo. Il superconduttore nel treno SCMagLev è una lega di niobio-titanio, che ha una temperatura critica di 9,2 Kelvin. Per mantenere la temperatura della lega sotto questo limite, l’elio liquido a una temperatura di 4,5 Kelvin viene fatto circolare attorno ad essa. Dopo aver attraversato il conduttore, l’elio liquido evapora. Per riportarlo allo stato iniziale, viene utilizzato un compressore di elio e un’unità di refrigerazione. L’unità di refrigerazione funziona secondo il ciclo di refrigerazione Gifford-McMahon.
Tuttavia, il lavoro dell’ingegneria criogenica non è ancora finito. Il superconduttore può assorbire calore dall’esterno sotto forma di radiazione. Per evitare questa assorbimento, viene aggiunto uno schermo radiante intorno ad esso. Tuttavia, durante il funzionamento del treno, possono formarsi correnti parassite e problemi di riscaldamento in questo schermo. Per neutralizzare questo riscaldamento, anche lo schermo radiante necessita di raffreddamento, ottenuto fornendo azoto liquido all’unità. Per prevenire il trasferimento di calore per convezione, viene mantenuto il vuoto all’interno dello schermo radiante. Quattro di questi superconduttori con polarità di corrente opposta sono disposti in un’unità. Sebbene in un SCMagLev gli elettromagneti funzionino senza alimentazione esterna, il comparto criogenico richiede una buona quantità di energia. Molte di queste unità sono montate lungo la lunghezza del treno su entrambi i lati.
Come accennato, il primo compito è la propulsione. Spingere il treno in avanti è un compito semplice. A tal scopo si utilizza una serie di elettromagneti normali, detti bobine di propulsione. Le bobine di propulsione sono alimentate in modo alternato, come mostrato, e sono disposte all’interno di una guida. Dobbiamo quindi determinare la forza che le bobine di propulsione esercitano sui magneti superconduttori del treno. Notate che per capire la direzione della forza che un magnete esercita sull’altro, basta considerare i poli più vicini. In questo modo, analizziamo la forza che agisce sulle bobine superconduttrici dovuta alle bobine di propulsione. Se sommiamo tutte queste forze, la forza netta sarà in avanti, quindi il treno si muove in avanti. Appena il treno raggiunge la prossima posizione media, si commutano gli elettromagneti alla polarità opposta affinché la forza netta sia nuovamente in avanti. Basta controllare la frequenza di questa commutazione per regolare la velocità del treno.
Passiamo ora alla parte più interessante di questa tecnologia: la levitazione dei treni SC MagLev. Potrebbe sorprendervi sapere che la levitazione del treno SCMagLev è ottenuta con l’aiuto di queste semplici bobine a forma di otto, che non sono nemmeno alimentate. Molte di queste bobine a forma di otto sono disposte nella guida. Per comprendere la tecnologia di levitazione, dobbiamo prima imparare qualcosa sulla natura di una coppia di magneti superconduttori. Il campo magnetico risultante prodotto da questa coppia di magneti SC è molto simile a un lungo magnete permanente. Per semplificare l’analisi, sostituiamo questa coppia con una lunga barra magnetica.
Per operare con successo un treno a levitazione magnetica, dobbiamo raggiungere i seguenti tre obiettivi: 1) propulsione, 2) levitazione e 3) guida. Tuttavia, prima di entrare nei dettagli di come il treno SCMagLev realizzi questi obiettivi, studiamo il cuore di questo treno: i magneti superconduttori.
I treni levitanti richiedono elettromagneti estremamente potenti. Più sono forti i magneti, maggiore è la forza di sollevamento e di propulsione, con conseguente aumento della velocità del treno. Un normale elettromagnete non può aumentare il valore della corrente oltre un certo limite, a causa del surriscaldamento. Negli elettromagneti superconduttori, la temperatura del conduttore viene abbassata sotto un limite critico. Dopo ciò, il materiale genera improvvisamente un’enorme quantità di corrente con resistenza nulla. Questo è esattamente il risultato desiderato. L’aspetto interessante è che basta caricare la bobina superconduttrice una sola volta, usando una corrente di eccitazione, affinché le bobine in cortocircuito producano una corrente continua circolante per sempre, senza perdita di energia. La corrente circolante nelle bobine superconduttrici è enorme: 700 kiloampere, quasi 10.000 volte il valore della corrente nei fili di rame domestici convenzionali! Gli elettromagneti superconduttori sono ovviamente gli elettromagneti più potenti ed efficienti.
La sfida è mantenere le bobine nello stato superconduttivo. A tale scopo, viene utilizzato un sistema di refrigerazione a elio liquido a bordo. Il superconduttore nel treno SCMagLev è una lega di niobio-titanio, che ha una temperatura critica di 9,2 Kelvin. Per mantenere la temperatura della lega sotto questo limite, l’elio liquido a una temperatura di 4,5 Kelvin viene fatto circolare attorno ad essa. Dopo aver attraversato il conduttore, l’elio liquido evapora. Per riportarlo allo stato iniziale, viene utilizzato un compressore di elio e un’unità di refrigerazione. L’unità di refrigerazione funziona secondo il ciclo di refrigerazione Gifford-McMahon.
Tuttavia, il lavoro dell’ingegneria criogenica non è ancora finito. Il superconduttore può assorbire calore dall’esterno sotto forma di radiazione. Per evitare questa assorbimento, viene aggiunto uno schermo radiante intorno ad esso. Tuttavia, durante il funzionamento del treno, possono formarsi correnti parassite e problemi di riscaldamento in questo schermo. Per neutralizzare questo riscaldamento, anche lo schermo radiante necessita di raffreddamento, ottenuto fornendo azoto liquido all’unità. Per prevenire il trasferimento di calore per convezione, viene mantenuto il vuoto all’interno dello schermo radiante. Quattro di questi superconduttori con polarità di corrente opposta sono disposti in un’unità. Sebbene in un SCMagLev gli elettromagneti funzionino senza alimentazione esterna, il comparto criogenico richiede una buona quantità di energia. Molte di queste unità sono montate lungo la lunghezza del treno su entrambi i lati.
Come accennato, il primo compito è la propulsione. Spingere il treno in avanti è un compito semplice. A tal scopo si utilizza una serie di elettromagneti normali, detti bobine di propulsione. Le bobine di propulsione sono alimentate in modo alternato, come mostrato, e sono disposte all’interno di una guida. Dobbiamo quindi determinare la forza che le bobine di propulsione esercitano sui magneti superconduttori del treno. Notate che per capire la direzione della forza che un magnete esercita sull’altro, basta considerare i poli più vicini. In questo modo, analizziamo la forza che agisce sulle bobine superconduttrici dovuta alle bobine di propulsione. Se sommiamo tutte queste forze, la forza netta sarà in avanti, quindi il treno si muove in avanti. Appena il treno raggiunge la prossima posizione media, si commutano gli elettromagneti alla polarità opposta affinché la forza netta sia nuovamente in avanti. Basta controllare la frequenza di questa commutazione per regolare la velocità del treno.
Passiamo ora alla parte più interessante di questa tecnologia: la levitazione dei treni SC MagLev. Potrebbe sorprendervi sapere che la levitazione del treno SCMagLev è ottenuta con l’aiuto di queste semplici bobine a forma di otto, che non sono nemmeno alimentate. Molte di queste bobine a forma di otto sono disposte nella guida. Per comprendere la tecnologia di levitazione, dobbiamo prima imparare qualcosa sulla natura di una coppia di magneti superconduttori. Il campo magnetico risultante prodotto da questa coppia di magneti SC è molto simile a un lungo magnete permanente. Per semplificare l’analisi, sostituiamo questa coppia con una lunga barra magnetica.
Se una barra magnetica si muove parallelamente a queste bobine a forma di otto, riuscite a prevedere cosa accadrà? Il flusso magnetico variabile indurrà una forza elettromotrice (EMF) in entrambi gli anelli secondo la legge di Faraday. Queste EMF sono nella stessa direzione? Notate che si tratta di una bobina intrecciata, solo se la svolgiamo possiamo capire la direzione corretta. È chiaro che le EMF indotte sono opposte in direzione, il che significa che l’EMF netta indotta in questa bobina dal movimento della barra magnetica è zero, e non ci sarà flusso di corrente attraverso l’anello. In breve, una barra magnetica che si muove attraverso il centro dell’anello non avrà alcun effetto sull’anello.
Ora consideriamo lo stesso caso, ma questa volta il magnete è leggermente decentrato rispetto all’anello, come mostrato. Qui, l’anello inferiore è esposto a un flusso magnetico di intensità maggiore, il che significa che l’EMF indotta sull’anello inferiore sarà maggiore di quella sull’anello superiore. Questa maggiore intensità implica anche che una corrente netta scorrerà attraverso l’anello. Questo flusso di corrente produce un polo sud sull’anello superiore e un polo nord su quello inferiore. Se analizziamo l’interazione tra i poli magnetici, è chiaro che una forza risultante verso l’alto è esercitata sul magnete superconduttore. Se questa forza è maggiore della forza di gravità, il magnete si solleverà. Sì, il movimento di un magnete superconduttore parallelo e decentrato rispetto a una bobina a forma di otto produce levitazione.
Man mano che il magnete si solleva, la differenza tra i valori di EMF e il flusso di corrente nell’anello diminuisce, il che significa che anche la forza sull’anello si riduce. Infine, quando la forza verso l’alto diventa uguale alla forza gravitazionale, il magnete si stabilizza e il treno ha raggiunto la levitazione. Gli ingegneri giapponesi hanno ottenuto una levitazione di 3,9 pollici usando questa tecnologia.
Chiaramente, maggiore è la velocità del treno, maggiore è la forza di levitazione, il che significa che quando il treno è fermo, non può levitare. Ecco perché il treno SCMagLev utilizza ruote normali per la partenza e il funzionamento a bassa velocità. Quando il treno raggiunge una velocità critica, le ruote si ritraggono, poiché la forza elettromagnetica è abbastanza forte da far levitare il treno.
Veniamo ora alla guida del treno. Guida significa che il treno deve rimanere sempre centrato; deve muoversi senza urtare le pareti laterali. In altre parole, deve avere stabilità laterale. Gli ingegneri giapponesi hanno ottenuto questa stabilità collegando tra loro le bobine a forma di otto viste in precedenza come mostrato. Se il treno è centrato, le EMF indotte nelle bobine di destra e sinistra saranno uguali e nessuna corrente scorrerà nelle bobine interconnesse.
Supponiamo però che il treno si sia spostato leggermente verso destra. Questo spostamento provocherà una differenza di EMF tra le bobine di destra e sinistra, facendo sì che nelle bobine interconnesse scorra corrente. Il flusso di corrente attraverso le bobine interconnesse influenzerà drasticamente il flusso di corrente in entrambi gli anelli inferiori e, di conseguenza, l’intensità del campo magnetico di ciascun anello.
Analizziamo ora le forze che agiscono sul treno. Si può notare che le componenti verticali delle forze restano invariate, ma compare una componente orizzontale netta verso sinistra, che forza il treno a tornare verso il centro. Man mano che il treno si avvicina al centro, le correnti nei circuiti interconnessi diminuiscono e infine la componente orizzontale della forza scompare. Che meccanismo semplice e brillante per stabilizzare il treno, vero?
Dalla discussione finora, si capisce che il sistema criogenico del treno e gli altri dispositivi elettrici a bordo richiedono una grande quantità di energia elettrica. Come si trasferisce energia elettrica a un treno ad alta velocità? La Central Japan Railway ha usato una tecnica chiamata “raccolta di energia induttiva” a questo scopo. Qui, usando il principio dell’induzione elettromagnetica, l’energia elettrica viene trasferita dalle bobine a terra alla bobina di raccolta dell’energia nel treno senza alcun contatto materiale.
Il forte campo magnetico prodotto dai magneti superconduttori può essere pericoloso per la salute dei passeggeri. Per evitare questo effetto indesiderato, vengono utilizzati scudi magnetici sul materiale rotabile e nelle strutture di imbarco dei passeggeri, mantenendo così l’intensità del campo magnetico al di sotto delle linee guida ICNIRP.
I test del treno SCMagLev iniziarono nel 1997 sulla linea di prova Yamanashi Maglev. I test furono estremamente positivi e continuarono per 10 anni consecutivi senza interruzioni. Durante questo periodo fu raggiunta una velocità record mondiale di 603 km/h. Questi risultati estremamente positivi hanno incoraggiato le autorità giapponesi, che hanno concesso il permesso per l’avvio delle operazioni commerciali del SCMagLev tra Tokyo e Nagoya entro il 2027, con altri treni SCMagLev a seguire. La tecnologia SCMagLev ruota attorno alla fisica della superconduttività, un fenomeno tanto folle quanto straordinario. Per capire cos’è la superconduttività in modo logico, guarda questo interessante video di Arvin Ash. E non dimenticare di unirti al nostro team! Grazie!
Ora consideriamo lo stesso caso, ma questa volta il magnete è leggermente decentrato rispetto all’anello, come mostrato. Qui, l’anello inferiore è esposto a un flusso magnetico di intensità maggiore, il che significa che l’EMF indotta sull’anello inferiore sarà maggiore di quella sull’anello superiore. Questa maggiore intensità implica anche che una corrente netta scorrerà attraverso l’anello. Questo flusso di corrente produce un polo sud sull’anello superiore e un polo nord su quello inferiore. Se analizziamo l’interazione tra i poli magnetici, è chiaro che una forza risultante verso l’alto è esercitata sul magnete superconduttore. Se questa forza è maggiore della forza di gravità, il magnete si solleverà. Sì, il movimento di un magnete superconduttore parallelo e decentrato rispetto a una bobina a forma di otto produce levitazione.
Man mano che il magnete si solleva, la differenza tra i valori di EMF e il flusso di corrente nell’anello diminuisce, il che significa che anche la forza sull’anello si riduce. Infine, quando la forza verso l’alto diventa uguale alla forza gravitazionale, il magnete si stabilizza e il treno ha raggiunto la levitazione. Gli ingegneri giapponesi hanno ottenuto una levitazione di 3,9 pollici usando questa tecnologia.
Chiaramente, maggiore è la velocità del treno, maggiore è la forza di levitazione, il che significa che quando il treno è fermo, non può levitare. Ecco perché il treno SCMagLev utilizza ruote normali per la partenza e il funzionamento a bassa velocità. Quando il treno raggiunge una velocità critica, le ruote si ritraggono, poiché la forza elettromagnetica è abbastanza forte da far levitare il treno.
Veniamo ora alla guida del treno. Guida significa che il treno deve rimanere sempre centrato; deve muoversi senza urtare le pareti laterali. In altre parole, deve avere stabilità laterale. Gli ingegneri giapponesi hanno ottenuto questa stabilità collegando tra loro le bobine a forma di otto viste in precedenza come mostrato. Se il treno è centrato, le EMF indotte nelle bobine di destra e sinistra saranno uguali e nessuna corrente scorrerà nelle bobine interconnesse.
Supponiamo però che il treno si sia spostato leggermente verso destra. Questo spostamento provocherà una differenza di EMF tra le bobine di destra e sinistra, facendo sì che nelle bobine interconnesse scorra corrente. Il flusso di corrente attraverso le bobine interconnesse influenzerà drasticamente il flusso di corrente in entrambi gli anelli inferiori e, di conseguenza, l’intensità del campo magnetico di ciascun anello.
Analizziamo ora le forze che agiscono sul treno. Si può notare che le componenti verticali delle forze restano invariate, ma compare una componente orizzontale netta verso sinistra, che forza il treno a tornare verso il centro. Man mano che il treno si avvicina al centro, le correnti nei circuiti interconnessi diminuiscono e infine la componente orizzontale della forza scompare. Che meccanismo semplice e brillante per stabilizzare il treno, vero?
Dalla discussione finora, si capisce che il sistema criogenico del treno e gli altri dispositivi elettrici a bordo richiedono una grande quantità di energia elettrica. Come si trasferisce energia elettrica a un treno ad alta velocità? La Central Japan Railway ha usato una tecnica chiamata “raccolta di energia induttiva” a questo scopo. Qui, usando il principio dell’induzione elettromagnetica, l’energia elettrica viene trasferita dalle bobine a terra alla bobina di raccolta dell’energia nel treno senza alcun contatto materiale.
Il forte campo magnetico prodotto dai magneti superconduttori può essere pericoloso per la salute dei passeggeri. Per evitare questo effetto indesiderato, vengono utilizzati scudi magnetici sul materiale rotabile e nelle strutture di imbarco dei passeggeri, mantenendo così l’intensità del campo magnetico al di sotto delle linee guida ICNIRP.
I test del treno SCMagLev iniziarono nel 1997 sulla linea di prova Yamanashi Maglev. I test furono estremamente positivi e continuarono per 10 anni consecutivi senza interruzioni. Durante questo periodo fu raggiunta una velocità record mondiale di 603 km/h. Questi risultati estremamente positivi hanno incoraggiato le autorità giapponesi, che hanno concesso il permesso per l’avvio delle operazioni commerciali del SCMagLev tra Tokyo e Nagoya entro il 2027, con altri treni SCMagLev a seguire. La tecnologia SCMagLev ruota attorno alla fisica della superconduttività, un fenomeno tanto folle quanto straordinario. Per capire cos’è la superconduttività in modo logico, guarda questo interessante video di Arvin Ash. E non dimenticare di unirti al nostro team! Grazie!