Un train à lévitation magnétique (maglev) développé par Central Japan Railways Co. effectue un essai le 11 mai. 2010 à Tsuru, Japon. Junko Kimura/Getty Images L'évolution des transports de masse a fondamentalement changé la civilisation humaine. Dans les années 1860, un chemin de fer transcontinental a transformé le travail de plusieurs mois à travers l'Amérique en un voyage d'une semaine. Quelques décennies plus tard, les voitures particulières permettaient de rebondir à travers la campagne beaucoup plus rapidement qu'à cheval. Et bien sûr, à l'époque de la Première Guerre mondiale, les premiers vols commerciaux ont recommencé à transformer nos voyages, faire des voyages d'un océan à l'autre une question d'heures. Mais les voyages en train aux États-Unis ne sont pas beaucoup plus rapides aujourd'hui qu'ils ne l'étaient il y a un siècle. Pour les ingénieurs à la recherche de la prochaine grande percée, peut-être que les trains flottants "magiques" sont juste le ticket.
Au 21e siècle, quelques pays utilisent des électro-aimants puissants pour développer des trains à grande vitesse, appelé trains maglev . Ces trains flottent sur des voies de guidage en utilisant les principes de base des aimants pour remplacer les anciens trains à roues et à chenilles en acier. Il n'y a pas de friction ferroviaire à proprement parler, ce qui signifie que ces trains peuvent atteindre des vitesses de centaines de milles à l'heure.
Pourtant, la grande vitesse n'est qu'un des principaux avantages des trains maglev. Parce que les trains touchent rarement (voire jamais) la voie, il y a beaucoup moins de bruit et de vibrations que d'habitude, trains qui font trembler la terre. Moins de vibrations et de frottements entraînent moins de pannes mécaniques, ce qui signifie que les trains maglev sont moins susceptibles de rencontrer des retards liés aux conditions météorologiques.
Les premiers brevets de lévitation magnétique Les technologies (maglev) ont été déposées par l'ingénieur américain d'origine française Emile Bachelet au début des années 1910. Même avant ça, en 1904, Le professeur et inventeur américain Robert Goddard avait écrit un article décrivant l'idée de la lévitation maglev [source :Witschge]. Il ne fallut pas longtemps avant que les ingénieurs commencent à planifier des systèmes ferroviaires basés sur cette vision futuriste. Bientôt, ils croyaient, les passagers embarquaient dans des voitures à propulsion magnétique et se faufilaient d'un endroit à l'autre à grande vitesse, et sans bon nombre des problèmes d'entretien et de sécurité des chemins de fer traditionnels.
La grande différence entre un train maglev et un train conventionnel est que les trains maglev n'ont pas de moteur - du moins pas le type de moteur utilisé pour tirer les wagons typiques le long des voies en acier. Le moteur des trains maglev est plutôt discret. Au lieu d'utiliser des combustibles fossiles, le champ magnétique créé par les bobines électrifiées dans les parois de la voie et la voie se combine pour propulser le train.
Si vous avez déjà joué avec des aimants, vous savez que les pôles opposés s'attirent et que les pôles semblables se repoussent. C'est le principe de base derrière propulsion électromagnétique . Les électro-aimants sont similaires aux autres aimants en ce qu'ils attirent les objets métalliques, mais l'attraction magnétique est temporaire. Vous pouvez facilement créer vous-même un petit électro-aimant en connectant les extrémités d'un fil de cuivre aux extrémités positive et négative d'un AA, Pile C ou D. Cela crée un petit champ magnétique. Si vous déconnectez l'une des extrémités du fil de la batterie, le champ magnétique est supprimé.
Le champ magnétique créé dans cette expérience de fil et de batterie est l'idée simple derrière un système de rail de train maglev. Il y a trois composants à ce système :
Nous verrons ensuite la piste.
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La voie Maglev permet au train de flotter au-dessus de la voie grâce à l'utilisation d'aimants répulsifs. En savoir plus sur la piste Maglev et voir un schéma d'une piste Magelev. CommentStuffWorks La bobine aimantée courant le long de la piste, appelé un voie de guidage , repousse les gros aimants sur le train d'atterrissage du train, permettant au train de léviter entre 0,39 et 3,93 pouces (1 à 10 centimètres) au-dessus de la voie de guidage [source :Boslaugh]. Une fois le train en lévitation, la puissance est fournie aux bobines à l'intérieur des parois de la voie de guidage pour créer un système unique de champs magnétiques qui tirent et poussent le train le long de la voie de guidage. Le courant électrique fourni aux bobines dans les parois des voies de guidage est constamment en alternance pour changer la polarité des bobines magnétisées. Ce changement de polarité fait que le champ magnétique devant le train tire le véhicule vers l'avant, tandis que le champ magnétique derrière le train ajoute plus de poussée vers l'avant.
Les trains Maglev flottent sur un coussin d'air, éliminant les frottements. Cette absence de friction et la conception aérodynamique des trains permettent à ces trains d'atteindre des vitesses de transport terrestre sans précédent de plus de 310 mph (500 km/h), ou deux fois plus rapide que le train de banlieue le plus rapide d'Amtrak [source :Boslaugh]. En comparaison, un avion commercial Boeing-777 utilisé pour les vols long-courriers peut atteindre une vitesse maximale d'environ 562 mph (905 km/h). Les développeurs disent que les trains maglev relieront éventuellement les villes jusqu'à 1, 000 milles (1, 609 kilomètres) l'un de l'autre. À 310 mph, vous pourriez voyager de Paris à Rome en un peu plus de deux heures.
Certains trains maglev sont capables d'atteindre des vitesses encore plus élevées. En octobre 2016, un train à grande vitesse maglev du Japan Railway a flambé jusqu'à 374 mph (601 km/h) au cours d'un court trajet. Ces types de vitesses donnent aux ingénieurs l'espoir que la technologie s'avérera utile pour des itinéraires de plusieurs centaines de kilomètres de long.
L'Allemagne et le Japon ont tous deux développé une technologie de train maglev, et testé des prototypes de leurs trains. Bien que basé sur des concepts similaires, les trains allemands et japonais ont des différences distinctes. En Allemagne, les ingénieurs ont développé un suspension électromagnétique ( SMU ) système, appelé Transrapide. Dans ce système, le fond du train s'enroule autour d'une voie de guidage en acier. Les électro-aimants fixés au train d'atterrissage du train sont dirigés vers le haut vers la voie de guidage, qui fait léviter le train à environ 1/3 de pouce (1 centimètre) au-dessus de la voie de guidage et maintient le train en lévitation même lorsqu'il ne bouge pas. D'autres aimants de guidage intégrés dans la carrosserie du train le maintiennent stable pendant le voyage. L'Allemagne a démontré que le train maglev Transrapid peut atteindre 300 mph avec des personnes à bord. Cependant, après un accident en 2006 (voir encadré) et d'énormes dépassements de coûts sur un itinéraire proposé de la gare centrale de Munich à l'aéroport, les projets de construction d'un train maglev en Allemagne ont été abandonnés en 2008 [source :DW]. Depuis, L'Asie est devenue la plaque tournante de l'activité maglev.
Accidents de levage magnétiqueLe 11 août, 2006, un compartiment de train maglev sur la ligne de l'aéroport Transrapid de Shanghai a pris feu. Il n'y a eu aucun blessé, et les enquêteurs pensent que l'incendie a été causé par un problème électrique. Le 22 septembre, 2006, un train d'essai Transrapid à Emsland, L'Allemagne lors d'un essai a percuté une voiture de réparation qui avait été accidentellement laissée sur la piste. Le train roulait à au moins 120 mi/h (193 km/h) à ce moment-là. Quelque 23 passagers ont été tués et 11 blessés. Un tribunal a statué que l'erreur humaine était à blâmer pour l'incident, ce qui aurait été évité si les employés avaient suivi les règlements et les procédures établis. Aucun autre accident maglev n'a été signalé depuis 2006. Cependant, les trains d'essai en Allemagne ont finalement été interrompus alors que le train maglev de Shanghai fonctionne toujours.
Ci-dessus, une image de la voie de guidage de la ligne d'essai maglev de Yamanashi au Japon. Photos avec l'aimable autorisation de l'Institut de recherche technique ferroviaire Les ingénieurs japonais ont développé une version concurrente des trains maglev qui utilisent un suspension électrodynamique ( SDE ) système, qui est basé sur la force de répulsion des aimants. La principale différence entre la technologie des trains maglev japonais et allemand est que les trains japonais utilisent des électroaimants supraconducteurs. Ce type d'électro-aimant peut conduire l'électricité même après la coupure de l'alimentation électrique. Dans le système EMS, qui utilise des électro-aimants standards, les bobines ne conduisent l'électricité que lorsqu'une alimentation électrique est présente. En refroidissant les serpentins à des températures glaciales, Le système japonais économise de l'énergie. Cependant, le système cryogénique utilisé pour refroidir les serpentins peut être coûteux et augmenter considérablement les coûts de construction et d'entretien.
Une autre différence entre les systèmes est que les trains japonais lévitent à près de 10 centimètres au-dessus de la voie de guidage. Un inconvénient potentiel de l'utilisation du système EDS est que les trains maglev doivent rouler sur des pneus en caoutchouc jusqu'à ce qu'ils atteignent une vitesse de décollage d'environ 93 mph (150 km/h). Les ingénieurs japonais disent que les roues sont un avantage si une panne de courant provoquait un arrêt du système. Aussi, les passagers porteurs de stimulateurs cardiaques devraient être protégés des champs magnétiques générés par les électroaimants supraconducteurs.
Les Inductrack est un nouveau type d'EDS qui utilise des aimants permanents à température ambiante pour produire les champs magnétiques au lieu d'électroaimants alimentés ou d'aimants supraconducteurs refroidis. Inductrack utilise une source d'énergie pour accélérer le train uniquement jusqu'à ce qu'il commence à léviter. En cas de panne de courant, le train peut ralentir progressivement et s'arrêter sur ses roues auxiliaires.
La piste est en fait un réseau de circuits électriquement court-circuités contenant un fil isolé. Dans une conception, ces circuits sont alignés comme les barreaux d'une échelle. Pendant que le train avance, un champ magnétique repousse les aimants, faisant léviter le train.
Il existe actuellement trois conceptions Inductrack :Inductrack I, Inductrack II, et Inductrack III. Inductrack I est conçu pour les vitesses élevées, tandis que l'Inductrack II est adapté aux vitesses lentes. Inductrack III est spécialement conçu pour les charges de fret très lourdes déplacées à basse vitesse. Les trains Inductrack pourraient léviter plus haut avec une plus grande stabilité. Tant qu'il se déplace à quelques kilomètres à l'heure, un train Inductrack lévitera à près d'un pouce (2,54 centimètres) au-dessus de la voie. Un écart plus grand au-dessus de la voie signifie que le train n'aurait pas besoin de systèmes de détection complexes pour maintenir la stabilité.
Les aimants permanents n'avaient pas été utilisés auparavant parce que les scientifiques pensaient qu'ils ne créeraient pas assez de force de lévitation. La conception Inductrack contourne ce problème en disposant les aimants dans un Réseau Halbach . Les aimants sont configurés de sorte que l'intensité du champ magnétique se concentre au-dessus du réseau plutôt qu'en dessous. Ils sont fabriqués à partir d'un matériau plus récent comprenant un alliage néodyme-fer-bore, qui génère un champ magnétique plus élevé. La conception Inductrack II intègre deux réseaux Halbach pour générer un champ magnétique plus puissant à des vitesses inférieures.
Notamment, le concept de lévitation magnétique passive est une caractéristique essentielle des systèmes de transport hyperloop proposés, qui est essentiellement un train de style Inductrack qui souffle à travers un tube scellé qui enveloppe toute la piste. Il est possible que les hyperboucles deviennent l'approche de choix, en partie parce qu'ils évitent le problème de la résistance de l'air comme ne le peuvent pas les maglevs ordinaires, Et ainsi, devrait être capable d'atteindre des vitesses supersoniques. Certains disent qu'une hyperloop pourrait coûter encore moins cher qu'une ligne ferroviaire à grande vitesse traditionnelle.
Mais alors que les trains maglev sont déjà une technologie éprouvée avec des années d'histoire opérationnelle, personne n'a encore construit d'hyperloop commercial nulle part dans le monde [source :Davies].
Un train Transrapid à l'Emsland, Installation d'essai en Allemagne. Image utilisée sous licence de documentation libre GNU Alors que le transport maglev a été proposé pour la première fois il y a plus d'un siècle, le premier train maglev commercial n'est devenu réalité qu'en 1984, lorsqu'une navette maglev à basse vitesse est devenue opérationnelle entre la gare internationale de Birmingham au Royaume-Uni et un terminal de l'aéroport international de Birmingham. Depuis, divers projets maglev ont démarré, bloqué, ou été carrément abandonné. Cependant, il existe actuellement six lignes commerciales maglev, et ils sont tous situés en Corée du Sud, Japon et Chine.
Le fait que les systèmes maglev soient rapides, lisse et efficace ne change pas un fait paralysant - ces systèmes sont incroyablement coûteux à construire. Les villes américaines de Los Angeles à Pittsburgh à San Diego avaient des plans de ligne maglev en cours, mais le coût de la construction d'un système de transport maglev (environ 50 à 200 millions de dollars par mile) a été prohibitif et a finalement tué la plupart des projets proposés. Certains critiques fustigent les projets de maglev comme coûtant peut-être cinq fois plus que les lignes ferroviaires traditionnelles. Mais les promoteurs soulignent que le coût d'exploitation de ces trains est, dans certains cas, jusqu'à 70 pour cent de moins qu'avec la technologie des trains à l'ancienne [sources :Hall, Hidekazu et Nobuo].
Cela n'aide pas que certains projets de grande envergure aient échoué. L'administration de l'Université Old Dominion en Virginie avait espéré avoir une super navette pour faire aller et venir les étudiants à travers le campus à partir du semestre d'automne 2002, mais le train a fait quelques essais et n'a jamais vraiment approché les vitesses de 40 mph (64 km/h) qu'il avait promises. Les gares ont finalement été déconstruites en 2010, mais certaines parties du système de voies surélevées sont toujours debout, un témoignage d'un échec de 16 millions de dollars [source :Kidd].
Mais d'autres projets persistent. Un groupe ambitieux veut construire un tronçon de 64 kilomètres de Washington D.C. à Baltimore, et l'idée a beaucoup de partisans, mais le projet devrait coûter jusqu'à 15 milliards de dollars. Le prix exorbitant du concept pourrait être risible n'importe où ailleurs dans le monde, mais l'embouteillage écrasant et l'espace limité de cette région signifient que les urbanistes et les ingénieurs ont besoin d'une solution innovante, et un système maglev ultra-rapide pourrait être la meilleure option. Un argument de vente clé - une extension de ce projet pourrait se connecter à Washington à New York et réduire les temps de trajet à seulement 60 minutes, un trajet rapide qui pourrait transformer le commerce et les déplacements dans le Nord-Est [sources :Lazo, Maglev nord-est].
En Asie, bien que, le boom maglev est essentiellement déjà en cours. Le Japon travaille fiévreusement sur une route Tokyo-Osaka qui pourrait ouvrir d'ici 2037. Lorsqu'elle sera terminée, le train réduira le trajet de près de trois heures à seulement 67 minutes [source :Reuters].
La Chine envisage sérieusement des dizaines de routes maglev potentielles, tous dans des zones encombrées qui nécessitent des transports de masse à grande capacité. Ce ne seront pas des trains à grande vitesse. Au lieu, ils déplaceront beaucoup de personnes sur des distances plus courtes à des vitesses inférieures. Néanmoins, La Chine fabrique toutes ses propres technologies maglev et est sur le point de dévoiler une ligne commerciale maglev de troisième génération avec une vitesse de pointe d'environ 125 mph (201 km/h) et - contrairement aux versions précédentes - est complètement sans conducteur, s'appuyant plutôt sur des capteurs informatiques pour l'accélération et le freinage (le pays a déjà des trains maglev en service mais ils ont besoin d'un conducteur.) [source :Wong].
Il est impossible de savoir exactement comment les maglevs figureront dans l'avenir du transport humain. Les progrès des voitures autonomes et des voyages en avion peuvent compliquer le déploiement des lignes maglev. Si l'industrie de l'hyperloop parvient à générer de l'élan, cela pourrait perturber toutes sortes de systèmes de transport. Et certains ingénieurs soupçonnent que même les voitures volantes, bien que incroyablement cher, pourraient l'emporter sur les systèmes ferroviaires à l'avenir, car ils n'ont pas besoin de projets d'infrastructure massifs pour démarrer.
Peut-être dans une décennie ou deux, les nations du monde entier se seront prononcées sur les trains maglev. Peut-être qu'ils deviendront un pilier des voyages à grande vitesse, ou simplement des projets favoris qui ne servent que des fragments de certaines populations dans des zones urbaines surpeuplées. Ou peut-être qu'ils vont simplement s'effacer dans l'histoire, une forme presque magique de technologie de lévitation qui n'a tout simplement jamais vraiment décollé.
