HISTORIA DEL TREN DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA (MAGLEV)

¿Qué es la levitación magnética?

(Líneas del campo magnético)

Llamamos levitación magnética al fenómeno por el cual un material puede levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”, que es una propiedad inherente a los superconductores.

La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. En estas condiciones de temperatura son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, y además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad.

Efecto Meissner

El Efecto Meissner fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 (a veces se llama, más justamente, Efecto Meissner-Ochsenfeld), y consiste en que cuando un superconductor se enfría por debajo de determinada temperatura, si se le aplica un campo magnético externo en el interior del superconductor el campo magnético se anula.

Básicamente, los electrones modifican sus órbitas de modo que compensan el campo magnético externo de modo que en el interior, el campo sea nulo. No vamos a entrar en mucha profundidad en las causas, pero tiene que ver con el hecho de que, suficientemente frío, un superconductor no tiene resistencia eléctrica - esto requiere necesariamente que el campo magnético en el interior sea cero.

Historia

A lo largo de la historia la búsqueda de un transporte mas rápido y eficaz a sido de suma importancia para los ingenieros, actualmente las investigaciones buscan un transporte eficaz, el cual no consuma mucho combustible, no dañe al medio ambiente y que se veloz.

Esto ha llevado a que grandes naciones investigaran la forma mas adecuada de optimizar el uso de la energía que consume los medios de transporte, fue entonces que descubrieron que si encontraban una forma de evitar la fricción de dicho transporte con el terreno por donde circularan, lograrían disminuir el consumo de energía considerablemente. En gran Bretaña se les ocurrió la idea del uso de la levitación magnética en los medio de transporte, ya que de esta manera el campo magnético evitara que tenga contacto con la superficie del camino que recorriera.

Hoy en día el concepto de maglev (levitación magnética) se ha utilizado en medios de transporte y en generadores de energía, continuación hablare de los antecedentes del medio de transporte maglev (tren que levita)

Antecedentes

En 1978 gran Bretaña tenía el liderazgo en investigación maglev. Erik Laithwaite desarrollo un vehículo de pasajeros maglev el cual pesaba 1 tonelada y podía llevar 4 pasajeros. Pero la investigación fue suspendida en debido a que dejaron de financiarla.

Hamburgo, Alemania 1979

Transrapid 05 fue el primer tren maglev con propulsión de estator largo patentado para transporte de pasajeros. En 1979, sobre 908 metros de vías fue abierto en Hamburgo para el International Transportation Exhibition (IVA 79). Hubo tanto interés que la operación tuvo que extenderse hasta 3 meses después de terminado la exhibición, transportó 50.000 pasajeros. Fue re ensamblado en Kassel en 1980

Birmingam Inglaterra 1984-1985

El primer maglev de baja velocidad totalmente automatizado, operaba en una sección elevada de 600 metros sobre una pista monoriel, entre el aeropuerto internacional Birmingam y la estación internacional de ferrocarril de birmingham, fue cerrado temporalmente en 1995 por problemas en el diseño.

China 1995 -actualidad

La máxima velocidad probada de un Maglev actual que opere comercialmente fue la obtenida en la demostración lineal del IOS (inicial operating segment) del tren alemán Transrapid construido en Shangai, China, que transportó personas durante 30 km (18.6 millas) en tan solo 7 minutos 20 segundos, consiguiendo una velocidad tope de 431 km/h (268 mph), y promediando 250 km/h (150 mph).

Existen otras líneas comerciales operativas en Japón, como la línea Linimo. Algunos proyectos de Maglev están siendo estudiados por su factibilidad. En Japón, en la pista de pruebas de Yamanashi, la tecnología actual de los Maglev está madura, pero los costes y otros problemas crean dificultades para su desarrollo e implementación, por lo que se están intentando desarrollar tecnologías alternativas para resolver estas dificultades.

Funcionamiento

Un tren de levitación magnética, o maglev, es un tren suspendido en el aire por encima de una vía, siendo propulsado hacia adelante por medio de las fuerzas

repulsivas y atractivas del magnetismo.Este método tiene el potencial de ser rápido y tranquilo en comparación con otros sistemas de transporte masivos con ruedas. Tiene un potencial de velocidad como los turbohélice y las aeronave jet (900 km/h).

Principios básicos para el movimientoPrincipio de levitación.

En la siguiente figura se muestra la forma en la que se colocan las bobinas en las paredes laterales. Cuando el superconductor pasa a centímetros de estas bobinas a muy altas velocidades, una corriente eléctrica es inducida en la bobina la cual actúa como campo electromagnético temporalmente. Como resultado de estos campos, existen fuerzas que empujan al superconductor hacia arriba , teniendo así la levitación del tren.

Principio de guía lateral.

Las bobinas de levitación están conectadas de frente entre ellas en la parte baja del riel, generando un anillo magnético. Cuando el tren, el cual es un superconductor magnético, se desplaza lateralmente, una corriente es inducida en el anillo, resultando una fuerza repulsiva actuando en las bobinas de levitación de el lado más lejano del tren. Por lo tanto el tren siempre esta situado en el centro de los rieles.

Principio de propulsión.

Una fuerza repulsiva y una de atracción son inducidas entre los imanes para propulsar al tren (superconductor magnético). Las bobinas de propulsión están localizadas el las paredes laterales en ambos lados del riel, las cuales están energizadas por una corriente alterna trifásica de una estación, creando un campo magnético en el riel. Los superconductores magnéticos son atraídos y empujados por el campo magnético, elevando el tren.

Desarrollo del tren Magnético

Características de la Línea

Supermagnétismo de la pista

Los imanes superconductores son lo principal para la existencia de estos trenes. Cada imán superconductor consiste de 4 enredos superconductores. Son altamente confiables con una largo promedio de vida útil. Consiste de un tanque cilíndrico arriba que es un tanque almacenando helio líquido y nitrógeno. La parte inferior tiene un superconductor que genera polos norte y sur alternamente. En un extremo del tanque antes mencionado está un refrigerador integrado que sirve para convertir líquido el helio una vez que se evapore por la temperatura ambiental, entre otros factores.

Instalaciones eléctricas.

Se requiere de un inversor en la instalación de energía para transformar la energía de una compañía comercial de frecuencia normal a una frecuencia requerida para la operación del tren magnético. En la pista de prueba se pusieron tres inversores para tres fases respectivamente, de 38 MVA para la línea del norte y 20 MVA para la línea del sur.Dependiendo de la velocidad al cual viaja el tren, los inversores dan una frecuencia de 0 a 56 Hz para 550 km/h y los inversores del sur dan una frecuencia entre 0 y 46 Hz, para velocidades menores de como 450 km/h.

Instalación de las bobinas para propulsión, levitación y guía.

El primero es el método del “beam”, consiste en que la portión de la pared será hecha únicamente de concreto. Toda la construcción de esta forma se hace en la fábrica, donde se incluye las bobinas de piso. Finalmente todo el tramo de pista es transportado a donde se está construyendo en la pista.

Método del Panel.

El segundo es el método del panel. En este método la construcción se hace en el mismo lugar. Se construye primero uniendo las bobinas de piso con el cemento, posteriormente por medio de tornillos especiales, se une esta parte con una pared de concreto situada justo donde va la pista.

El último avance en tecnología Maglev: La Inductrack.

La Inductrack es esencialmente un sistema EDS que, en vez de materiales superconductores, utiliza imanes permanentes. Antes se creía que los imanes permanentes proveerían una fuerza de levitación demasiado pequeña como para ser útil en cualquier diseño maglev. La solución encontrada por un equipo de investigación fue emplear una distribución especial de poderosos imanes permanentes, conocida como una ordenación Halbach, para crear una fuerza de levitación lo suficientemente poderosa para hacer funcionar un maglev. En esta ordenación, barras magnéticas con grandes campos son dispuestas de manera que el campo magnético de cada barra esté orientado en un ángulo correcto con la barra adyacente. La combinación de las líneas de campo magnético de esta ordenación resulta en un poderoso campo debajo de esta y prácticamente ningún

campo arriba.

(Ordenación Halbach)

Como en el sistema EDS, la levitación es generada por las fuerzas repulsivas entre el campo magnético de los imanes en la ordenación Halbach y el campo magnético inducido en la vía conductora por el movimiento de los imanes (ya que estos ocupan el lugar de los superconductores en el sistema EDS). La vía Inductrack contendría dos filas de bobinas que actuarían como rieles. Cada uno de estos "rieles" estaría rodeado por dos ordenaciones Halbach de imanes (las cuales estarían ubicadas debajo del vehículo): una posicionada directamente sobre el "riel" y la otra a lo largo del lado interior del mismo.

Los imanes sobre las bobinas proveerían de levitación al vehículo, mientras que los imanes a los lados de las bobinas se encargarían del guiado lateral. Como en el sistema EDS esta levitación sería muy estable, ya que las fuerzas de repulsión aumentan exponencialmente al disminuir la distancia entre el vehículo y la guía. La Inductrack posee una considerable ventaja en eficiencia sobre los otros sistemas. Como resultado de utilizar imanes permanentes, la levitación en un tren Inductrack es independiente de cualquier fuente de energía, en contraste con los complejos electroimanes en el sistema EMS o los costosos equipos criogénicos en el EDS. Por lo tanto, los trenes Inductrack sólo requerirían energía para propulsión y las únicas pérdidas serían la ocasionada por la fricción con el aire y la ocasionada por la resistencia eléctrica en los circuitos de levitación (bobinas).

Como los otros sistemas maglev, la propulsión sería provista por un LSM.

Tendencias de futuro de levitación magnética.

Coches Maglev: Algunos grupos de investigación están trabajando arduamente en su desarrollo con el objetivo desarrollar los coches de vuelo.

Ascensores Maglev: Japón tenía previsto abrir en 2008 el primer ascensor Maglev en Tokio. También se habla en la actualidad de ascensores espaciales, idea en pleno desarrollo en la NASA.

Lanzaderas Maglev: la NASA está trabajando en una lanzadera sobre la base de Maglev para reducir el costo y los problemas de lanzamiento de aeronaves espaciales. El proyecto se está llevando a cabo en colaboración con la Armada, que está interesada en facilitar el lanzamiento de aviones.

(Prototipo de lanzadera Maglev)

Una pista operacional tendría unos 2400 metros de longitud y sería capaz de acelerar al vehículo a unos 1000 Km/h en 9,5 segundos, el que luego debería cambiar a motores a bordo para completar la salida al espacio. La parte más costosa de una misión a una órbita terrestre baja son los primeros segundos, el despegue. La mayor parte de este gasto se debe al peso del propergol, y como un vehículo maglev utiliza electricidad para acelerarse, el peso de la nave espacial al momento del despegue podría ser de hasta un 20% menos que en un cohete normal. Además este sistema es reutilizable, ya que la pista que se usa para acelerar al vehículo se queda en el suelo. Otros beneficios son que la electricidad no contamina y es mucho más barata. Cada lanzamiento realizado utilizando tecnología maglev (con vehículos a escala real) consumiría cerca de 60€ de electricidad en el mercado actual. Un sistema maglev de este tipo no necesitaría (idealmente) ningún tipo de mantenimiento, ya que no hay partes movibles y no existe contacto entre el vehículo y la pista. Tanto es así que se espera que un sistema maglev funcione durante 30 años. Dentro de 20 años esta tecnología sería utilizada para poner vehículos mucho más grandes en órbita por sólo cientos de euros por kilogramo, un gran contraste con el valor actual de 4000€ (cuatro mil euros) por kilogramo. Pruebas con naves a escala se realizan en la actualidad en la NASA.