Hyperloop
2018. november 29. írta: Vámos Sándor

Hyperloop

 

hyperloop.png

A Hyperloop technológia napjainkban az egyik legdinamikusabban fejlődő közlekedéstechnikai koncepció. „Csővasút, persze” – legyintettem rá eleinte, aztán vettem a fáradságot, hogy utánanézzek, és a technikai fejlesztések, egészen ötletes megoldások hosszú sora tárult elém.

Ezt, amit megtapasztaltam, próbálom itt egy blogbejegyzésbe összegezni, de ez – a téma szerteágazó voltának, és naponta változó tartalmának köszönhetően – szinte lehetetlen. Sebaj, írok majd még több bejegyzést – mert érdemes figyelemmel kísérni ezt a szemünk előtt zajló nagyszabású kísérletet.

Az előd, a Transrapid

A Hyperloop technológia előképe a Siemens által fejlesztett Transrapid volt. Ebből a mágneses lebegtetésű, lineáris motor hajtotta vonatból mindössze egy épült meg, ami Sanghaj városközpontját és repülőterét köti össze.

A technológia a Siemens számára rendkívül ráfizetéses volt, ugyanis a vasút nagyon speciális és ezáltal költséges pályát igényel, a légellenállás okán a nagy sebességű vonat villamosenergia-felvétele is hatalmas és ráadásul a vonat meglehetősen zajos.

Ráadásul a projekt nem folytatódott, bár eleinte hallani lehetett még egy müncheni megrendelésről, azt lemondták a csillagászati költségek okán. A projekt a német multi számára így bukással végződött.

Akkor kezdjük is itt, az elején, mielőtt továbblépnénk; hogyan működik a Transrapid. A megoldás kulcsa gyakorlatilag a pályában van; ami egyfelől gondoskodik a jármű lebegtetéséről, másrészt ez biztosítja a meghajtását is, lévén ez egy lineáris motor. Maga a kabin a technológia szempontjából gyakorlatilag passzív elem, nincs benne se motor, se vezetőállás.

Lineáris motor

A villanymotor forgását a benne található tekercsek mágneses tere biztosítja, a lineáris motor ugyanennek egy „kiterített” változata, ami a pálya hosszán a kabint mozgatja. Az ehhez felhasznált mágnesek persze elektromágnesek, ezek (gondoljunk pele, az egész pálya ezekből épül fel) eszméletlen sok áramot fogyasztanak és nagyon drága a kiépítésük és fenntartásuk.

linear_motor_sema.png

SCMaglev 

Japánban is kifejlesztésre került egy maglev technológia, az ún. SCMaglev. Itt a Transrapid koncepciójától eltérően, az ott alkalmazott EMS (Electromagnetic Suspension) eljárást EDS-re (Electrodinamic Suspension) cserélték.

Míg az EMS a járművet „felhúzza”, azaz a mágnes (eltérő polaritású) vonzó-hatását aknázza ki, addig az EDS a mágnes (azonos polaritású) taszító hatására alapoz, azaz a felszínén lebegteti a járművet, mint azt a lenti kép is szemlélteti:

ems_eds.png

A Japán rendszer habár már kevesebb energiát emészt fel a lebegtetésre, a technológia mélyhűtött szupravezetőket alkalmaz a járművek lebegtetéséhez, melyeknek a hűtését a pálya teljes hosszán biztosítani kell.

De térjünk vissza a Hyperloop-ra. Az elődök bár működőképes, sőt akár kereskedelmi koncepciókat tudtak felmutatni, a költségek (és ezáltal a megtérülésük) terén nem voltak vonzóak.

Olyan koncepcióval kellett előállni, ami megoldást kínált a Transrapid és az SCMaglev problémáira, a légellenállásra, az energiafaló lebegtetésre és a megbízható és gazdaságos hajtásra:

Csökkentett légnyomás

Első körben a légellenállást csökkentették le; a repülőgépek is azért üzemeltethetők nagy magasságban (nagyjából 10 km-en) gazdaságosan, mert a külső légnyomás ott már lényegesen alacsonyabb, mint a földfelszínen.

Rendben, akkor tegyük a járművünket csőbe, és szívjuk ki onnan a levegőt. Ez a technológia (igaz kicsiben) már az 1800-as évekből is közismert „csőposta” néven, ami ráadásul napjainkban ismét reneszánszát éli. Sokszor szokás ezeket a csövekre, és a Hyperloop csöveire is „vákuumcső”-ként hivatkozni, de ez azért messze áll a valóságtól.

hyperloop_tube.png

A csövekben jelentősen csökkentik a légnyomást (1 millibarra) a földfelszíni nyomáshoz képest, de nem hoznak létre vákuumot. Ez egyrészt túl sok pénz és energiát emésztene fel, másrészt a nagy sebességgel közlekedő járművek alatt egy légpárna keletkezik (mint a léghokinál), ami stabilizálja azok futását, és értelemszerűen vákuumban erre nem nyílna lehetőség.

Ráadásul a csövek külső oldalára naptáblákat terveznek telepíteni. Ezek kettős célt szolgálnának: egyrészt leárnyékolnák a csövet, annak a hűtéséről így nem kell majd külön gondoskodni, és a megtermelt energiával részben kiváltható lesz a vákuumszivattyúk és lineáris motorok működtetéséhez szükséges villanyáram.

hyperloop_tube_2.png

Érdekes felvetés volt Musk-tól – akinek azért van egyfajta Mars fixációja – hogy a vörös bolygón kialakítandó közlekedési rendszereket érdemes volna eleve Hyperloop-ra alapozni, mivel ott nem lenne szükség a légnyomást csökkentő csőre, ugyanis a bolygó felszíni légnyomása elég alacsony.

Az energiafelhasználás redukálása már egy keményebb dió, de ez ügyben is komoly áttöréseket értek el a fejlesztők.

Inductrack

1998 májusában a Lawrence Livermore National Laboratory egyik fejlesztői csapata – Richard Post vezetésével – egy új ötlettel álltak elő, melyet „Inductrack“ néven mutattak be. A fejlesztés egyébként egy másik lendkerekes energiatároló-rendszer projekt „mellékterméke” volt. A technológia a járművek lebegtetéséhez egyszerű, szobahőmérsékleten is alkalmazható „hagyományos” mágneseket használ, azaz nem (energiafaló) szupravezetőket vagy elektromágneseket. A mágneseket egy speciális konfigurációba, a Halbach-tömbbe (Halbach-Array) kell elrendezni.

inductrack_origin.pnga kísérleti Inductrack a fejlesztőkkel, kép forrása: str.llnl.gov

Halbach-Array

A Halbach tömb a (permanens) mágnesek egy olyan konfigurációja, melyben az egyik oldalon a mágneses fluxus megszűnik, így a másik oldalon felerősödik. Az első ilyen speciális elrendezést Klaus Halbach, a Lawrence Berkeley National Laboratory kutatója találta meg 1980-ban (más vélemények szerint ezt már John C. Mallinson is leírta, még 1973-ban egyoldalú fluxus „one-sided flux“ néven).

Gyakran az egyszerű hűtőmágneseknél is alkalmazzák a Halbach konfigurációt, mert így lényegesen kisebb mennyiségű mágneses anyag is ugyanazt a tartóerőt képes biztosítani. Generátorok és villanymotorok esetén is gyakran alkalmazzák az eljárást, de például részecskegyorsítókban vagy NMR kísérleteknél is fel szokott bukkanni a neve.

A Hyperloop koncepciók esetén a speciális Halbach tömbök gyakorlatilag úgy biztosítanak kis távolságú mágneses lebegtetést a vonatoknak, hogy mágnesességük akár 50-szeresen is meghaladhatja az egyéb megoldásokat.

Visszatérve az Inductrack-hoz; a járművek aljára a technológia szerint Halbach-tömböt kell szerelni, míg a pályát zárt rézhuzalokból álló szegmensekből kell felépíteni. A Halbach-tömb mozgatása közben a mágneses mező a tekercsekben áramot indukál, ez a járművet felemeli pár centiméterrel (nagyjából egy hüvelykre, azaz 2,54cm-re) a pálya szintje fölé, és amíg a mozgás tart, stabilan ott is tartja.

A jármű nyugalmi helyzetében nem lebeg, stabilan (az ez esetre kiépített) kerekeken áll. Amint elkezd gyorsulni, eleinte még a kerekeken gördül, de nagyjából 1-2 km/h sebességet meghaladva kezd elemelkedni a kerekekről és lebegni.

Habár a jármű mozgatásához külső energiát igényel, a lebegés a mozgásból nyert energiával működik, nem igényel semmilyen aktív elektronikát vagy további betáplálást, ez a funkció a pálya teljes hosszán passzív. Ráadásul nagy sebesség esetén a jármű aerodinamikus kialakításának köszönhetően egy vékony légpárna is kialakul a vonat alatt, ezzel is „rásegítve” a Halbach-tömb munkájára. Az eljárást szokás passzív-EDS-nek is nevezni, megkülönböztetve az SCMaglev-nél alkalmazott (mélyhűtött pályát igénylő) aktív-EDS-től.

2004-ben egy nyolc tonnás járművel tesztelték a 120 méteres lineáris motor „Inductrack” pályájukat, sikeresen. A további fejlesztéseket akkor sajnos Richard Post 2015-ös halála ellehetetlenítette. A technológiát mindenesetre átvették a Hyperloop One fejlesztői, és ezzel a Transrapid egyik legkomolyabb „átkát”, az energiát zabáló pályát sikerült nekik megspórolniuk.

Meghajtás

Egy kérdés maradt még hátra, és ez a meghajtás volt. Az eredeti „Musk”-féle koncepció szerint egy szívómotort helyeztek volna el a jármű elején, hátul pedig egy axiális légkompresszort. Az első, valóban „komolyan vehető”, tervasztalra került „Hyperloop One” viszont már lecserélte (visszacserélte) ezt a hajtást (a pálya teljes hosszán) lineáris motorra és Inductrack-ra.

Ez egyes tervek szerint ez a lebegtetéshez szükséges pályától függetlenül kerülne kiépítésre, és az örvényáram-fékek működését is biztosítaná, más tervek szerint viszont a passzív lebegtetési elemeket már összevonták a lineáris motorral és fékekkel.

Hyperloop Alpha

 

hyperloop_alpha.png

Elon Musk, a némileg ellentmondásos, de szerintem egyértelműen zseniális milliárdos 2013-ban a Spacex oldalán tette közzé a Hyperloop-ot bemutató 57 oldalas white paper-t (itt). Ebben még a Hyperloop meglehetősen korai terveit tárta a nyilvánosság elé:

A jármű még légkompresszorral épült volna, a lebegtetéséről a légpárna gondoskodott volna. Az ötlet voltaképpen a szilikon-völgyi befektető Shervin Pishevar fejéből pattant ki, de Elon Musk alakította ki a kezdeti koncepciót.

A technológiával a tervek szerint a San Francisco – Los Angeles közötti 600 kilométeres távolságot fél óra alatt lehetett volna megtenni. A meghajtásáról a csőben 100 kilométerenként kiépített lineáris motor blokkok gondoskodtak volna, mintegy 1200 km/h-s sebességgel „továbblökdösve” a járművet a pályán. A pályát 6-30 méter magas pilonok tartották volna, 30 méterenként. A pálya bizonyos szakaszain a szűk körívek miatt – főleg Los Angeles környékén – a járművek sebességét 480 km/h-re kellett volna visszafogni.

Habár a koncepció ebben a formában nem valósult meg, a különc milliárdos a tervet inkább ötletadónak szánta. Meglepő módon a projektet mintegy „open projekt”-ként definiálta, azaz nem védte le.

Az ötleten kapott is a másik közismerten különc milliárdos, a virgines Richard Branson is, és belekezdett a saját Hyperloop fejlesztésébe. Saját bevallása szerint barátok Musk-kal, annak ellenére, hogy szinte minden új ötleteken alapuló technológiában egymás versenytársai.

A Virgin Hyperloop One-t 2014 júniusában alapította (vette át). Az Virgin oldalán a gyakori kérdések között található egy: „Is Elon Musk an investor or affiliated with Virgin Hyperloop One?”, (Elon Musk invesztor vagy támogató a Virgin Hyperloop One-ban?), amire a válasz: „No, but we share the same goal of wanting to see hyperloop become a reality worldwide. ” (Nem, de ugyanazt a célt tűztük ki magunknak, hogy látni akarjuk, hogy a Hyperloop világszerte valósággá válik.)

A Hyperloop fejlesztésébe Musk és Branson is egymással konkuráló egyetemi csapatokat vontak be. A SpaceX 2015-ben egy 1 mérföld hosszú tesztcsövet épített ki Hawthorne-ban.

2017-ben az MIT Hyperloop csapata bemutatta az első üzemképes járművet, ami már elektrodinamikus lebegtetést (EDS), és örvényáramú fékezést alkalmazott. A fejlesztések és a verseny ezen a területen az egyetemek és fejlesztőintézetek között napjainkban is zajlik. A technikai paraméterek mind a cső, mind a járművek tekintetében még viszonylag képlékenyek.

Virgin Hyperloop One

A Richard Branson féle Hyperloop One definíciója szerint a járművek így egy 2,23 méter átmérőjű csőben közlekedhetnének maximum 1220 km/h sebességgel, úgy, hogy utasaikat 0,5 g gyorsulással terhelnék, ami nagyjából 2-3-szor haladja meg a kereskedelmi repülőgépek okozta terhelést. Ez a hyperloop az utas szállítás mellett már nagyon hangsúlyosan a teherszállítást, konkrétabban a konténerszállítást is céljául tűzte ki (vö. csőposta).

Ennek a megvalósítására (illetve támogatására) létrehozta a DP World Cargospeed nevű, kifejezetten a hyperloop rakományrendszerek kezelésére hivatott márkát.

A vállalat a rendszer tesztelésére egy speciális pályát (Development Loop; DevLoop) épitett ki 2016-ban Las-Vegastól északra, itt zajlott az első sikeres járműteszt 2017-ben. A tesztpályán az XP-1 nevű (elsőgenerációs) jármű 309 km/h-s sebességet ért el a 300 méteres gyorsítási szakasz végén.

Jelenleg a Virgin Hyperloop One tervei közül a Dubai-projekt magasodik ki. Itt – ismereteim szerint – már elkezdték a pálya kialakítását, mely a 2020-ban megrendezésre kerülő „Expo 2020” világkiállítás egyik fő attrakciója lesz.

A fenti két cégen kívül még egy sor másik cég is komoly üzletet szimatolt a Hyperloop technológiában, ők felsorolásszerűen: Hyperloop Transportation Technologies (HTT), TransPod, DGWHyperloop, Arrivo, Hardt Global Mobility, Hyper Chariot, Zeleros.

Hyperloop Europ’

A Hyperloop – bár az európai cégek szemmel láthatóan távol tartják magukat tőle – nem kerüli el az öreg kontinenst sem. Az egyetemi szféra komolyan kiveszi a részét a fejlesztésekből, a müncheni technikai egyetem (Technical University of Munich - TUM) lelkes csapata (WARR Hyperloop team) nyeri már szinte évről-évre az egyetemek közötti versenyt a járművel (pod) elért sebességgel, a harmadik ilyen megmérettetés alkalmával ők állították be a jelenlegi csúcsot 470 km/h-val.

Ráadásul a Hyperloop Transportation Technologies (HTT) is jórészt európai háttérrel bír, az első 320 méter hosszú tesztpályájukat a fejlesztési központjuk mellett, Toulouse-ban építik meg. Ők az első projektjüket, egy 10 km hosszú pályát Abu Dhabi-ban tervezik megvalósítani. Ez valószínű, hogy a Hyperloop One Expo 2020 projektje lesz, de ezt - mármint a két cég között milyen együttműködés van - még nem bogoztam ki.

Feltűnő a Hyperloop elődjét, a Transrapid-ot kifejlesztő Siemens távolmaradása ettől a fejlesztési versenytől. A nagy német multi jelenleg választotta le magáról a vasúttechnikai ágazatát, a Mobility-t, így a nagy alapító szándékaival szemben – magánvéleményem - teljesen távol fog maradni minden hasonló fejlesztéstől.

Tovább az ob121 oldalra: ob121

A bejegyzés elérhető és kommentelhető a Facebook-on: Hyperloop

Források

The verge: Hyperloop Transportation says it will use a ‘cheaper, safer’ form of magnetic levitation
Wikipedia: Inductrack
Wikipedia: Hyperloop
Wikipedia: Halbach-Array
Magkraft: What is a Halbach Array?
Spiegel: Elon Musks Hyperloop
Hyperloop
ingenieur.de: Hyperloop baut erste europäische Teststrecke in Frankreich
tum.de: TUM Hyperloop team remains world champion

A bejegyzés trackback címe:

https://ob121.blog.hu/api/trackback/id/tr4914402112

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.