IT
USA
DE
FR
ES
TR
IT
EN
USA
DE
ZH
ES
FR
PT
JP
RU
AR
KR
PL
RO
VN
HE
CS
HR
DA
FI
EL
NL
SR
SK
SV
HU
NO
HI
ID
FA
Manyetik olarak yükseltilmiş trenler günümüzde yaygın hale gelmiştir. Bununla birlikte, Central Japan Railway Company tarafından geliştirilen MagLev treni oldukça benzersizdir ve diğer trenlerden daha üstündür. Saatte 600 km üzerinde hızlara ulaşan bu tren, ‘en hızlı tren’ ünvanını kazanmıştır. Bu tren, süper iletken mıknatıslar kullandığından SC MagLev olarak adlandırılır. Uyarıcı bir akımla şarj edildikten sonra, bu trenin süper iletken mıknatısları sıfır kayıpla sonsuza kadar dolaşan doğru akım ve güçlü manyetik alan üretir. 2027 yılı itibariyle diğer manyetik kaldırma teknolojilerini geride bırakması öngörülen, bu başarıyla test edilmiş tren teknolojisini daha iyi anlayalım. Aynı teknolojinin 2030 yılıyla birlikte New York şehrini Washington DC’ye sadece bir saatte bağlaması planlanmaktadır.
Manyetik yükseltmeli bir treni başarıyla çalıştırmak için şu üç hedefe ulaşmamız gerekir: 1) itme, 2) yükseltme ve 3) yönlendirme. Ancak, SCMagLev treninin bu hedeflere nasıl ulaştığını açıklamadan önce, bu trenin kalbi olan süper iletken mıknatısları inceleyelim.
Yükselme sağlayan trenler son derece güçlü elektromıknatıslara ihtiyaç duyar. Mıknatıslar ne kadar güçlü olursa, kaldırma ve itme kuvvetleri de o kadar fazla olur, bu da daha yüksek tren hızıyla sonuçlanır. Normal bir elektromıknatıs, ısınma sorunu nedeniyle akım değerini belirli bir sınırın ötesine geçiremez. Süper iletken elektromıknatıslarda iletkenin sıcaklığı kritik sınırın altına düşürülür. Bunun sonrasında, malzeme bir anda sıfır dirençle çok büyük bir akım debisi üretir. İstediğimiz de tam olarak budur. İlginç olan şu ki, süper iletken bobini sadece bir kez uyarıcı akımla şarj etmeniz yeterlidir; kısa devre edilmiş bobinler enerji kaybı yaşamadan sonsuz doğru akım üretir. Süper iletken bobinlerin dolaştırdığı akım çok büyüktür: 700 kilo amper, yani ev tipi bakır kablolardan yaklaşık 10.000 kat daha fazlası! Süper iletken elektromıknatıslar açık ara en güçlü ve en verimli elektromıknatıslardır.
Buradaki zorluk, bobinleri süper iletken durumda tutmaktır. Bu amaçla tren üzerinde sıvı helyum soğutma sistemi kullanılır. SCMagLev trenindeki süper iletken, kritik sıcaklığı 9.2 Kelvin olan niyobyum-titanyum alaşımıdır. Bu alaşımın sıcaklığını bu sınırın altında tutmak için 4.5 Kelvin sıcaklığında sıvı helyum etrafında dolaştırılır. İletkenin üzerinden geçtikten sonra sıvı helyum buharlaşır. Bu buharı tekrar başlangıç aşamasına döndürmek için helyum kompresörü ve soğutma ünitesi kullanılır. Soğutma ünitesi Gifford-McMahon soğutma çevrimi prensibiyle çalışır.
Ancak, soğutma departmanının mühendislik görevleri bununla kalmaz. Süper iletken dışarıdan radyasyon yoluyla ısı emebilir. Bu ısı emilimini önlemek için çevresine bir radyasyon kalkanı yerleştirilir. Ancak tren çalışırken bu kalkan içinde girdap akımları oluşabilir ve bu da ısınmaya neden olabilir. Bu ısınmayı dengelemek için radyasyon kalkanının da soğutulması gerekir; bu, ünite içerisinde sıvı azot dolaştırılarak mümkün kılınır. Taşınım ısı transferini önlemek için radyasyon kalkanı içinde vakum ortamı korunur. Karşıt akım polaritelerine sahip dört süper iletken bir ünite halinde düzenlenmiştir. SCMagLev treninde elektromıknatıslar güç kaynağı olmadan çalışsa da, soğutma departmanı yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç duyar. Bu tür birçok ünite trenin her iki yanına konumlandırılmıştır.
Daha önce belirttiğimiz üzere, ilk görev itmedir. Treni ileri doğru itmek kolay bir görevdir. Bu amaçla normal elektromıknatıslar dizisi kullanılır, bunlara itici bobinler denir. İtici bobinler alternatif biçimde çalıştırılır ve bir kılavuz ray içine yerleştirilir. Şimdi, bu itici bobinlerin trenin süper iletken mıknatısları üzerinde oluşturduğu kuvveti anlamamız gerekir. Bir mıknatısın diğerine uyguladığı kuvvetin yönünü anlamak için sadece en yakın kutupları düşünmeniz yeterli olduğunu lütfen aklınızda bulundurun. Bu şekilde, itici bobinlerin süper iletken bobinler üzerinde oluşturduğu kuvveti analiz edelim. Bu kuvvetlerin toplamı ileri yönde bir net kuvvet oluşturur, böylece tren ileri doğru hareket eder. Tren bir sonraki ortalama konuma ulaştığında elektromıknatısların polariteleri değiştirilir, böylece net kuvvet yine ileri yönlü olur. Bu anahtarlamanın frekansı kontrol edilerek trenin hızı ayarlanabilir.
Şimdi bu teknolojinin en ilginç kısmı olan SC MagLev trenlerinin yükselmesine geçelim. SCMagLev treninin yükselmesinin, enerji verilmemiş basit sekiz şekilli bobinlerle sağlandığını öğrenmek sizi şaşırtabilir. Bu sekiz şekilli bobinlerden birçoğu kılavuz ray boyunca dizilir. Yükselme teknolojisini anlamak için önce bir çift süper iletken mıknatısın doğasını öğrenmeliyiz. Bu süper iletken mıknatıs çiftinin oluşturduğu net manyetik alan, uzun bir kalıcı mıknatısınkiyle oldukça benzerdir. Bu nedenle, analiz kolaylığı açısından bu çifti uzun bir çubuk mıknatısla değiştirerek temsil edelim.
Manyetik yükseltmeli bir treni başarıyla çalıştırmak için şu üç hedefe ulaşmamız gerekir: 1) itme, 2) yükseltme ve 3) yönlendirme. Ancak, SCMagLev treninin bu hedeflere nasıl ulaştığını açıklamadan önce, bu trenin kalbi olan süper iletken mıknatısları inceleyelim.
Yükselme sağlayan trenler son derece güçlü elektromıknatıslara ihtiyaç duyar. Mıknatıslar ne kadar güçlü olursa, kaldırma ve itme kuvvetleri de o kadar fazla olur, bu da daha yüksek tren hızıyla sonuçlanır. Normal bir elektromıknatıs, ısınma sorunu nedeniyle akım değerini belirli bir sınırın ötesine geçiremez. Süper iletken elektromıknatıslarda iletkenin sıcaklığı kritik sınırın altına düşürülür. Bunun sonrasında, malzeme bir anda sıfır dirençle çok büyük bir akım debisi üretir. İstediğimiz de tam olarak budur. İlginç olan şu ki, süper iletken bobini sadece bir kez uyarıcı akımla şarj etmeniz yeterlidir; kısa devre edilmiş bobinler enerji kaybı yaşamadan sonsuz doğru akım üretir. Süper iletken bobinlerin dolaştırdığı akım çok büyüktür: 700 kilo amper, yani ev tipi bakır kablolardan yaklaşık 10.000 kat daha fazlası! Süper iletken elektromıknatıslar açık ara en güçlü ve en verimli elektromıknatıslardır.
Buradaki zorluk, bobinleri süper iletken durumda tutmaktır. Bu amaçla tren üzerinde sıvı helyum soğutma sistemi kullanılır. SCMagLev trenindeki süper iletken, kritik sıcaklığı 9.2 Kelvin olan niyobyum-titanyum alaşımıdır. Bu alaşımın sıcaklığını bu sınırın altında tutmak için 4.5 Kelvin sıcaklığında sıvı helyum etrafında dolaştırılır. İletkenin üzerinden geçtikten sonra sıvı helyum buharlaşır. Bu buharı tekrar başlangıç aşamasına döndürmek için helyum kompresörü ve soğutma ünitesi kullanılır. Soğutma ünitesi Gifford-McMahon soğutma çevrimi prensibiyle çalışır.
Ancak, soğutma departmanının mühendislik görevleri bununla kalmaz. Süper iletken dışarıdan radyasyon yoluyla ısı emebilir. Bu ısı emilimini önlemek için çevresine bir radyasyon kalkanı yerleştirilir. Ancak tren çalışırken bu kalkan içinde girdap akımları oluşabilir ve bu da ısınmaya neden olabilir. Bu ısınmayı dengelemek için radyasyon kalkanının da soğutulması gerekir; bu, ünite içerisinde sıvı azot dolaştırılarak mümkün kılınır. Taşınım ısı transferini önlemek için radyasyon kalkanı içinde vakum ortamı korunur. Karşıt akım polaritelerine sahip dört süper iletken bir ünite halinde düzenlenmiştir. SCMagLev treninde elektromıknatıslar güç kaynağı olmadan çalışsa da, soğutma departmanı yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç duyar. Bu tür birçok ünite trenin her iki yanına konumlandırılmıştır.
Daha önce belirttiğimiz üzere, ilk görev itmedir. Treni ileri doğru itmek kolay bir görevdir. Bu amaçla normal elektromıknatıslar dizisi kullanılır, bunlara itici bobinler denir. İtici bobinler alternatif biçimde çalıştırılır ve bir kılavuz ray içine yerleştirilir. Şimdi, bu itici bobinlerin trenin süper iletken mıknatısları üzerinde oluşturduğu kuvveti anlamamız gerekir. Bir mıknatısın diğerine uyguladığı kuvvetin yönünü anlamak için sadece en yakın kutupları düşünmeniz yeterli olduğunu lütfen aklınızda bulundurun. Bu şekilde, itici bobinlerin süper iletken bobinler üzerinde oluşturduğu kuvveti analiz edelim. Bu kuvvetlerin toplamı ileri yönde bir net kuvvet oluşturur, böylece tren ileri doğru hareket eder. Tren bir sonraki ortalama konuma ulaştığında elektromıknatısların polariteleri değiştirilir, böylece net kuvvet yine ileri yönlü olur. Bu anahtarlamanın frekansı kontrol edilerek trenin hızı ayarlanabilir.
Şimdi bu teknolojinin en ilginç kısmı olan SC MagLev trenlerinin yükselmesine geçelim. SCMagLev treninin yükselmesinin, enerji verilmemiş basit sekiz şekilli bobinlerle sağlandığını öğrenmek sizi şaşırtabilir. Bu sekiz şekilli bobinlerden birçoğu kılavuz ray boyunca dizilir. Yükselme teknolojisini anlamak için önce bir çift süper iletken mıknatısın doğasını öğrenmeliyiz. Bu süper iletken mıknatıs çiftinin oluşturduğu net manyetik alan, uzun bir kalıcı mıknatısınkiyle oldukça benzerdir. Bu nedenle, analiz kolaylığı açısından bu çifti uzun bir çubuk mıknatısla değiştirerek temsil edelim.
Eğer bir çubuk mıknatıs bu sekiz şekilli bobinlerin üzerinden paralel şekilde geçerse ne olacağını tahmin edebilir misiniz? Değişen manyetik akı, Faraday yasasına göre her iki halka üzerinde EMF’yi tetikleyecektir. Bu EMF’ler aynı yönde midir? Bu bobin bükülmüş olduğundan, doğru yön olduğunu anlamamız için gevşetmemiz gerektiğini lütfen aklınızda tutun. Açıkça görülür ki indüklenen EMF’ler zıt yöndedir, bu da net EMF’nin sıfır olduğu ve bobin içinde akım olmadığı anlamına gelir. Kısacası, çubuk mıknatıs bobin ortasından geçerken hiçbir etkisi olmayacaktır.
Aynı durumu düşünün, ancak bu sefer mıknatıs bobine biraz kaymış şekilde geçsin. Bu durumda, alt halkadaki manyetik akı daha güçlü olur, bu da alt halkada üsttekine göre daha fazla EMF indüklenmesiyle sonuçlanır. Bu fark net bir akım akışına yol açar. Bu akım üst halkada güney kutbu ve alt halkada kuzey kutbu üretir. Mıknatıs kutupları arasındaki kuvvet etkileşimini analiz edersek, süper iletken mıknatıs üzerine yukarı yönlü net bir kuvvet uygulandığı açıktır. Bu kuvvet yerçekiminden büyükse mıknatıs yukarı doğru hareket eder. Evet, sekiz şekilli bobine göre kayık ve paralel hareket eden bir süper iletken mıknatıs yükselme üretir.
Mıknatıs yukarı hareket ettikçe, EMF farkı ve bobin içindeki akım akışı azalır, bu da bobin üzerindeki kuvvetin de azalması anlamına gelir. Sonunda yukarı yönlü kuvvet yerçekimine eşit olduğunda mıknatıs dengede kalır, yani tren yükselmiş olur. Japon mühendisler bu teknolojiyi kullanarak 3.9 inçlik yükselme elde etmiştir.
Açıkça görülebilir ki trenin hızı ne kadar yüksekse yükselme kuvveti de o kadar fazladır; bu da tren dururken yükselmenin gerçekleşemeyeceği anlamına gelir. Bu nedenle SCMagLev treni başlatma ve düşük hızlarda çalışma için normal lastik kullanır. Tren kritik hıza ulaştığında lastikler içeri çekilir, çünkü elektromanyetik kuvvet treni yükseltecek kadar güçlü hale gelmiştir.
Sonraki soru ise trenin yönlendirilmesidir. Yönlendirme, trenin her zaman ortalanmış şekilde gitmesini; yani yan duvarlara çarpmadan ilerlemesini sağlar. Başka bir deyişle, yanal kararlılık sağlanmalıdır. Japon mühendisler bu kararlılığı sekiz şeklindeki bobinleri birbirine bağlayarak kolaylıkla sağlamıştır. Tren ortadaysa sağ ve sol bobinlerde indüklenen EMF eşit olur ve bağlayıcı bobinlerde akım oluşmaz.
Ancak trenin hafif sağa kaydığını varsayalım. Bu sağ ve sol bobinler arasında EMF farkı yaratacak olup bağlayıcı bobinlerde akım oluşmasıyla sonuçlanacaktır. Bu akım, her iki alt halkadaki akım ve dolayısıyla kutup kuvvetini büyük ölçüde etkileyecektir.
Şimdi tren üzerinde etkili olan kuvvetleri analiz edelim. Dikey kuvvet bileşenlerinin aynı kaldığını, ancak yatayda sola yönelen net bir kuvvet oluştuğunu ve bunun da treni tekrar merkeze doğru ittiğini görebilirsiniz. Tren merkeze yaklaştıkça bağlayıcı bobinlerdeki akım azalır ve sonunda yatay kuvvet bileşeni kaybolur. Ne kadar kolay ve dahiyane bir mekanizma, değil mi?
Buraya kadar yapılan açıklamalardan trenin kriyojenik sistemi ve diğer elektrikli cihazlarının büyük miktarda enerjiye ihtiyaç duyduğu anlaşılmış olmalı. Bu kadar yüksek hızlı bir trene elektrik enerjisini nasıl aktarırsınız? Central Japan Railway bu amaçla ‘endüktif enerji toplama’ adı verilen bir teknik kullanmıştır. Burada, elektromanyetik indüksiyon prensibiyle, elektrik enerjisi yer bobinlerinden tren üzerindeki enerji toplama bobinine herhangi bir fiziksel temas olmadan aktarılır.
Süper iletken mıknatısların oluşturduğu güçlü manyetik alan yolcular üzerinde sağlık sorunlarına neden olabilir. Bu istenmeyen etkiyi önlemek için hareketli ekipmanlarda ve yolcu biniş alanlarında manyetik kalkanlar kullanılır, böylece manyetik alan gücü ICNIRP yönergelerinin altında tutulur.
SCMagLev tren test sürüşleri 1997 yılında Yamanashi Maglev test hattında başladı. Test sürüşleri oldukça başarılı geçti ve art arda 10 yıl boyunca tek bir gün bile aksatılmadan devam etti. Bu süre zarfında saatte 603 km hıza ulaşılarak dünya rekoru kırıldı. Bu olumlu sonuçlar Japon yetkilileri cesaretlendirdi ve 2027 yılı itibariyle Tokyo ile Nagoya arasında ticari SCMagLev seferlerine izin verildi ve daha da fazla SCMagLev treni bu hat sonrasında devreye girecek.
Aynı durumu düşünün, ancak bu sefer mıknatıs bobine biraz kaymış şekilde geçsin. Bu durumda, alt halkadaki manyetik akı daha güçlü olur, bu da alt halkada üsttekine göre daha fazla EMF indüklenmesiyle sonuçlanır. Bu fark net bir akım akışına yol açar. Bu akım üst halkada güney kutbu ve alt halkada kuzey kutbu üretir. Mıknatıs kutupları arasındaki kuvvet etkileşimini analiz edersek, süper iletken mıknatıs üzerine yukarı yönlü net bir kuvvet uygulandığı açıktır. Bu kuvvet yerçekiminden büyükse mıknatıs yukarı doğru hareket eder. Evet, sekiz şekilli bobine göre kayık ve paralel hareket eden bir süper iletken mıknatıs yükselme üretir.
Mıknatıs yukarı hareket ettikçe, EMF farkı ve bobin içindeki akım akışı azalır, bu da bobin üzerindeki kuvvetin de azalması anlamına gelir. Sonunda yukarı yönlü kuvvet yerçekimine eşit olduğunda mıknatıs dengede kalır, yani tren yükselmiş olur. Japon mühendisler bu teknolojiyi kullanarak 3.9 inçlik yükselme elde etmiştir.
Açıkça görülebilir ki trenin hızı ne kadar yüksekse yükselme kuvveti de o kadar fazladır; bu da tren dururken yükselmenin gerçekleşemeyeceği anlamına gelir. Bu nedenle SCMagLev treni başlatma ve düşük hızlarda çalışma için normal lastik kullanır. Tren kritik hıza ulaştığında lastikler içeri çekilir, çünkü elektromanyetik kuvvet treni yükseltecek kadar güçlü hale gelmiştir.
Sonraki soru ise trenin yönlendirilmesidir. Yönlendirme, trenin her zaman ortalanmış şekilde gitmesini; yani yan duvarlara çarpmadan ilerlemesini sağlar. Başka bir deyişle, yanal kararlılık sağlanmalıdır. Japon mühendisler bu kararlılığı sekiz şeklindeki bobinleri birbirine bağlayarak kolaylıkla sağlamıştır. Tren ortadaysa sağ ve sol bobinlerde indüklenen EMF eşit olur ve bağlayıcı bobinlerde akım oluşmaz.
Ancak trenin hafif sağa kaydığını varsayalım. Bu sağ ve sol bobinler arasında EMF farkı yaratacak olup bağlayıcı bobinlerde akım oluşmasıyla sonuçlanacaktır. Bu akım, her iki alt halkadaki akım ve dolayısıyla kutup kuvvetini büyük ölçüde etkileyecektir.
Şimdi tren üzerinde etkili olan kuvvetleri analiz edelim. Dikey kuvvet bileşenlerinin aynı kaldığını, ancak yatayda sola yönelen net bir kuvvet oluştuğunu ve bunun da treni tekrar merkeze doğru ittiğini görebilirsiniz. Tren merkeze yaklaştıkça bağlayıcı bobinlerdeki akım azalır ve sonunda yatay kuvvet bileşeni kaybolur. Ne kadar kolay ve dahiyane bir mekanizma, değil mi?
Buraya kadar yapılan açıklamalardan trenin kriyojenik sistemi ve diğer elektrikli cihazlarının büyük miktarda enerjiye ihtiyaç duyduğu anlaşılmış olmalı. Bu kadar yüksek hızlı bir trene elektrik enerjisini nasıl aktarırsınız? Central Japan Railway bu amaçla ‘endüktif enerji toplama’ adı verilen bir teknik kullanmıştır. Burada, elektromanyetik indüksiyon prensibiyle, elektrik enerjisi yer bobinlerinden tren üzerindeki enerji toplama bobinine herhangi bir fiziksel temas olmadan aktarılır.
Süper iletken mıknatısların oluşturduğu güçlü manyetik alan yolcular üzerinde sağlık sorunlarına neden olabilir. Bu istenmeyen etkiyi önlemek için hareketli ekipmanlarda ve yolcu biniş alanlarında manyetik kalkanlar kullanılır, böylece manyetik alan gücü ICNIRP yönergelerinin altında tutulur.
SCMagLev tren test sürüşleri 1997 yılında Yamanashi Maglev test hattında başladı. Test sürüşleri oldukça başarılı geçti ve art arda 10 yıl boyunca tek bir gün bile aksatılmadan devam etti. Bu süre zarfında saatte 603 km hıza ulaşılarak dünya rekoru kırıldı. Bu olumlu sonuçlar Japon yetkilileri cesaretlendirdi ve 2027 yılı itibariyle Tokyo ile Nagoya arasında ticari SCMagLev seferlerine izin verildi ve daha da fazla SCMagLev treni bu hat sonrasında devreye girecek.