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近年世界で磁気浮上式の鉄道車両がより一般的になりつつありますが、JR東海が開発した超電導リニアは非常にユニークで他のどの列車よりも優れているとされています。時速600km以上で走り、世界最速の地位を獲得ん。

超電導磁石を使用しているため超電導リニアと呼ばれています。レイキ電流が充電されると、列車の超電導磁石は循環DC電流と強力な磁場を永久に生成し、エネルギー損失は0。

今回の動画では、2027年までに他の磁気浮上技術をすべてを射抜くと予測されている列車技術について理解を深めていきましょう。また日本だけでなく2030年まで同様の技術がアメリカでも導入され、ニューヨークとワシントンDCをたった1時間で接続する予定となっています。

磁気浮上式の鉄道車両を正常に運用するには、水深、浮上、誘導といった3つのゴールを達成する必要があります。超電導リニアがこの3つの目的をどのように達成するかについて詳しく説明する前に、列車の心臓部ともいえる超電導磁石について少し見ていきましょう。

ご想像の通り、列車は浮揚させるには非常に強力な電磁石が必要となります。磁石が強いほど揚力と推進力は大きくなり、列車の速度も速くあります。通常の電磁石では加熱の問題により電流値を制限以上に増加させることができませんが、超電導電磁石では胴体の温度が臨界限界以下に低下し、その後素材が突然抵抗ゼロの大量の電流を生成します。まさに理想的な状態です。

ここで面白いのが、短絡したコイルがエネルギー損失なしで永久に循環するDC電流を生成するために、レイキ電流を使用して超伝導コイルを1回充電するだけで十分であるという点です。超伝導コイルを循環する電流は700キロ1ペアと非常に大きく、従来の家庭用動線が持つ電流値のほぼ1万倍にも及び、超電導電磁石が最も強力かつ効率的な電磁石であることは言うまでもありません。

ここでの課題はコイルを超電導段階に保つことであり、この課題を克服するために列車に搭載された液体ヘリウム冷凍システムが使用されます。超電導リニアの超伝導体は臨界温度が9.2ケルビンのにofチタン合金。合金の温度制限以下に保つために4.5ケルビンの温度の液体ヘリウムがその周りを循環します。胴体を通過した後、液体ヘリウムは蒸発し、初期段階に戻すためにヘリウムコンプレッサーと冷凍ユニットが使用されます。

冷凍ユニットはギフォードマクマホン冷凍サイクルの原理に基づいて動作します。ただし、まだ超低温におけるengineering taskはまだ完了していません。超伝導体は放射の形で外部から熱を吸収することができるのですが、この吸収の発生を防ぐために周囲に放射線遮蔽が追加されています。しかし列車の運行中に車塀により過電流の形成とか熱の問題が発生する可能性も否定できません。

加熱を中和するために放射線遮蔽には冷却も必要となり、ユニットに液体窒素を供給することによって実現されます。また対流熱伝導を防ぐために、放射線遮蔽の内部は真空に保たれています。

電流極性が反対の4つの超伝導体が一つのユニットに配置されており、超電導リニアでは電磁石が電源なしで動作しますが、極低温に関してはかなりの電力を必要とし、多くのユニットは列車の長さに沿って両側に取り付けられています。

前述のようにまず達成しなければならない目標は推進力です。列車を前進させるのは比較的簡単で、通常の電磁石を複数使用します。これらは水深超えると呼ばれ、推進コイルはこの図で示されているように別の方法で電力が供給され、ガイドウェイ内に配置されます。

次に、推進コイルが列車の超電導磁石に及ぼす力を調べる必要があります。一方の磁石がもう一方の磁石に及ぼす力の方向を理解するには、最も近い極を考慮する必要があります。このように推進コイルによって超伝導コイルに作用する力を解析してみましょう。

これらすべての力を測定すると正味の力は前進方向になるため、列車が前進します。列車が次の平均位置に到達したら、推進コイルを別の極性に切り替えて、正味の力が再び順方向になるようにします。この切り替えの頻度を制御するだけで列車の速度を制御できるという仕組みです。

それでは次にこのテクノロジーの最も興味深い部分である超電導リニアの浮揚について見ていきましょう。超電導リニアの浮揚は電力の供給なしに、単純な8の字型のコイルによって実現されるということに驚く方もいるかもしれません。このような8の字型のコイルの多くがガイドウェイに配置されており、浮揚技術を理解するにはまず超電導磁石のペアの性質について知っておく必要があります。

この一対の超電導磁石によって結果として生じる磁場は、長い永久磁石と非常によく似ています。ということでよりシンプルに分析を行うために、このペアを長い棒磁石に置き換えて見ていきましょう。