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MAGLEV-COBRA: O TRANSPORTE URBANO SOBRE TRILHOS MAGNTICOS

Autores: Richard Magdalena Stephan e Eduardo Gonalves David

3 Concurso de Monografia CBTU 2007 A Cidade nos Trilhos

RESUMO Nas ltima dcadas, houve uma significativa alterao no perfil demogrfico brasilerio. Atualmente, os centros urbanos concentram mais de 80% da populao. Infelizmente, esta mudana no veio acompanhada pela desejvel modernizao dos meios de transporte. Os metrs apresentam-se como a soluo mais conveniente para o problema de mobilidade nas grandes cidades, no entanto, os custos superiores a R$100.000,00/km inviabilizam sua implantao em larga escala. Esta monografia apresenta um veculo de levitao magntica (Maglev), baseado em tecnologia inovadora empregando a propriedade diamagntica de supercondutores de elevada temperatura crtica, como uma alternativa economicamente vivel para a crise no transporte urbano. A proposta respeita imposies energticas, ambientais e ecolgicas e abre oportunidades para o desenvolvimento tecnolgico e cientfico nacional. A tecnologia foi testada em um prottipo de escala reduzida em trajetria fechada de 30m de comprimento pelo grupo proponente. Por ser totalmente articulado, inserir-se em curvas de 30m de raio e ser capaz de vencer declividades de 15%, o veculo foi apelidado de Maglev-Cobra. Nesta monografia, faz-se uma retrospectiva das tcnicas de levitao magntica, destacando-se a vantagem da aqui proposta. Alm disso, confronta-se o Maglev-Cobra com um VLT (Veculo Leve sobre Trilhos). Dois estudos de caso so discutidos e, finalmente, prope-se a construo de uma linha de teste de 114m de extenso, em escala real, para o aprofundamento e validao desta nova modalidade de transporte urbano.

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SUMRIO 1. INTRODUO 2. BREVE HISTRICO DA LEVITAO MAGNTICA 2.1 Levitao Eletrodinmica (EDL) 2.2 Levitao Eletromagntica (EML) 2.3 Levitao Magntica Supercondutora (SML) 3. VANTAGENS DA LEVITAO MAGNTICA SUPERCONDUTORA 3.1 Desenvolvimento da Engenharia Civil e Arquitetura 3.2 Racionalizao Energtica com Menores Emisses Gasosas 3.3 Desenvolvimento da Indstria Nacional de Alta Tecnologia 4. ESTUDO DE CASOS 4.1 Revitalizao da Linha de Petrpolis 4.2 Ligao Ferroviria Rio de Janeiro So Paulo 5. LINHA DE TESTE 6. CONCLUSO 7. REFERNCIAS

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INTRODUO

Nas ltimas dcadas, os centros urbanos brasileiros, onde habita mais de 80% da populao, vm sofrendo profundas alteraes. Esta dinmica decorre da globalizao da economia, de novas tecnologias de comunicao, da reestruturao econmica, social e demogrfica e do uso do solo das reas metropolitanas, alterando os padres de mobilidade das populaes. Esta mobilidade urbana exige aes no sentido de permitir aos cidados o direito de acesso seguro e eficiente aos espaos urbanos. Assim, um conjunto estruturado de modos, redes e infra-estruturas de transporte que garantam o deslocamento das pessoas nas cidades e mantenham fortes interaes com as demais polticas urbanas, dispensando o uso intenso do transporte individual, impe-se como necessidade de sobrevivncia. Nos dias atuais, esta necessidade vem sendo suprida, em grande parte, por nibus, automveis, metrs e trens, que dependem, em grande parte, de combustveis fsseis e so poluentes. Nos centros urbanos, o tempo gasto nos deslocamentos casa/trabalho/casa, quando superior 40 minutos, repercute em perdas de produtividade. Cada hora diria em congestionamento, em uma vida profissional de 35 anos, representa um ano de vida perdida. A soluo para resolver este problema do mundo moderno passa pelo transporte pblico, pois o investimento direcionado apenas para ampliar a infra-estrutura de transporte individual, que conduza a um aumento da velocidade, acompanhado por um correlato aumento nos ndices de acidentes. As quebras de paradigma na histria dos transportes foram conseguidas com solues veiculares inovadoras. No atual sistema econmico, com a diviso do trabalho e internacionalizao da manufatura, o fator tempo no transporte de pessoas, bens e informaes, determinante. A infraestrutura de transporte est em constante evoluo, sendo que atualmente o que mais importante no a menor distncia, mas o menor tempo de viagem. Os ciclos de investimento na infra-estrutura de transporte podem ser observados na retrospectiva histrica do economista russo Nikolai Kondratieff (1892-1938), na qual Longos Ciclos do sistema capitalista resultam, na sua expanso, de slidos investimentos em infra-estrutura e na retrao de um processo de depreciao. Quando as ondas de desenvolvimento econmico de longo prazo so sobrepostas com as curvas de desenvolvimento dos sistemas de transporte, as correlaes entre estes sistemas e o desenvolvimento econmico ficam claras. Utilizando dados estatsticos e econmicos dos Estados Unidos, Raschbichler (2006) organizou o grfico da Figura 1, evidenciando as ondas de Kondratieff. O autor indaga se a prxima onda expanso do transporte areo poder ser ser a dos veculos de levitao magntica.

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Fig. 1 - Ondas Longas de Crescimento Econmico e Taxas de Crescimento dos Sistemas de Transporte nos EUA [Raschbichler(2006)] Este texto procura demonstrar que no caso brasileiro, onde grande parte da infra-estrutura de transporte sobre trilhos est ainda para ser construda, um sistema baseado em levitao magntica pode ser uma alternativa de baixo custo, capaz de melhorar a qualidade do transporte pblico, permitir o uso racional dos recursos energticos sem impactos ambientais e representar um salto tecnolgico. Para a CBTU, que opera trechos de linhas antigas, muitas delas afastadas dos atuais centros populacionais e econmicos das cidades, esta alternativa que incorpora a tecnologia de transporte mais avanada, surge como uma grande oportunidade de recuperao da importncia do setor pblico na matriz de transportes de passageiros no Brasil.

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2. BREVE HISTRICO DA LEVITAO MAGNTICA Os estudos de transporte ferrovirio empregando levitao remontam mais de meio sculo. A srie de congressos MAGLEV, cuja primeira edio ocorreu nos anos 60, rene, a cada dois anos, os principais especialistas neste campo. As tcnicas de levitao magntica, devido intensidade da fora que produzem, podem ser empregadas em sistema de transporte de alta e mdia velocidade e podem ser subdivididos em trs grupos, descritos abaixo: 2.1 Levitao Eletrodinmica (EDL) Este tipo de levitao necessita do movimento de um campo magntico nas proximidades de um material condutor. A proposta japonesa de trem de levitao, LEVMAG, est calcada neste princpio. Neste sistema, um trem com caractersticas convencionais (rodas e trilhos) viaja ao longo de corredores onde esto instaladas bobinas condutoras. Aps atingir cerca de 120 km/h, o trem comea a levitar. Uma linha experimental de 18,4 km foi inaugurada em abril de 1997, local onde este trem bateu o recorde de velocidade terrestre (581 km/h) em dezembro de 2003 (Figura 2). Trata-se de um sistema de construo onerosa (R$ 84 milhes/km) e de elevado consumo de energia.

Fig. 2 - Superestrutura do Maglev de levitao eletrodinmica (EDL)

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Se um material magntico realizar um movimento relativo a uma lmina condutora (alumnio, p.ex.), correntes eltricas sero induzidas no condutor. Estas correntes geram um outro campo magntico o qual, pela lei de Lenz, opor-se- variao do campo criado pelo material magntico. A interao entre ambos gerar uma fora repulsiva no material magntico. Esta fora a responsvel pela levitao do corpo. 2.2 Levitao Eletromagntica (EML) Este tipo de levitao tem na proposta alem de trem de levitao Transrapid, que est atualmente implantado na China numa conexo de 30 km entre Pudong Xangai International Airport e Xangai Lujiazui, onde o trem, que alcana 480 km/h e na proposta japonesa HSST, grandes exemplos de sucesso (Figura 3). Trata-se do sistema mais antigo de levitao magntica, baseada em eletroms instalados no veculo, exigindo um sofisticado sistema de controle, pois se trata de um sistema instvel. O projeto iniciou-se na dcada de 70 na Alemanha, sendo concluda em 1976 a primeira linha de teste de 1,3 km. Por algum tempo, ficou restrito s pesquisas, devido concorrncia dos trens de alta velocidade, que so uma evoluo da tecnologia do sculo XIX, at que o primeiroministro chins decidiu pela implantao deste sistema na linha em Xangai, ligando o centro da cidade ao aeroporto internacional. Esta linha foi inaugurada na virada do ano 2002/2003 e custou China US$ 1 bilho para ter acesso tecnologia alem.

Fig. 3 Maglev de levitao eletromagntica (EML) O fundamento fsico bsico, nesta aplicao, explora a fora de atrao que existe entre um eletroim e um material ferromagntico. A estabilizao, neste caso, s possvel com uma malha de realimentao e regulador devidamente sintonizado.

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2.3 Levitao Magntica Supercondutora (SML) Este tipo de levitao baseia-se na propriedade diamagntica dos supercondutores para excluso do campo magntico do interior dos supercondutores [Moon, 1994]. No caso dos supercondutores do tipo II, esta excluso parcial, o que diminui a fora de levitao, mas conduz a estabilidade da levitao, dispensando sistemas de controle sofisticados ou rodas. Esta propriedade , que representa o grande diferencial em relao aos mtodos EDL e EML, s pde ser devidamente explorado a partir do final do sculo XX com o advento de novos materiais magnticos e pastilhas supercondutoras de alta temperatura crtica, como o YBa2Cu3OX (YBCO). Nesta ocasio, os projetos japons e alemo mencionados anteriormente estavam muito avanados para serem redirecionados. Os novos supercondutores de alta temperatura crtica podem ser resfriados com nitrognio liquido (cuja temperatura de ebulio de 196oC) enquanto que os supercondutores convencionais tinham que ser refrigerados com hlio liquido (temperatura de ebulio 269oC) o que tornava o custo da refrigerao muito oneroso. Por se tratar da tecnologia mais recente, ainda no existe linha de teste em escala real. Em outros pases, como no Brasil, construram-se linhas em modelo reduzido. No prottipo brasileiro o formato oval tem 30 metros de extenso, com guia linear formada por ims permanentes de Neodmio-Ferro-Boro (NdFeB) compondo o circuito magntico (interagindo com os supercondutores) para levitao (Figura 4). O Maglev acionado por motor linear sncrono (LSM) de armadura longa, alimentado com inversor de freqncia de fabricao nacional (WEG).

Fig. 4 Linha de 30 m em escala reduzida (SML).

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3. VANTAGENS DA LEVITAO MAGNTICA SUPERCONDUTORA As vantagens tecnolgicas deste projeto so de trs naturezas: desenvolvimento de engenharia civil e arquitetura; racionalizao energtica com menores emisses gasosas; desenvolvimento de indstria nacional de alta tecnologia.

3.1 Desenvolvimento da Engenharia Civil e Arquitetura Para permitir uma avaliao das vantagens diretas do Maglev sobre a tecnologia metro-ferroviria tradicional, cujo custo de implantao e operao so os principais fatores que impedem pases de reduzida poupana interna (como o Brasil) de investirem nesta opo de transporte de massa, sero feitas no texto comparaes com os Veculos Leves sobre Trilhos (VLTs) que operaram por vrios anos na Linha 2 do Metr do Rio de Janeiro. 3.1.1 Vantagem da Carga Distribuda em relao Carga Concentrada Os veculos rodovirios e ferrovirios utilizados no transporte pblico tm seu peso total transmitido ao solo atravs dos eixos, resultando em cargas concentradas, como nos VLTs. No Maglev, o peso total distribudo ao longo dos blocos supercondutores, resultado em cargas distribudas. Esta configurao tem grande efeito no dimensionamento flexo das vigas para veculos que circulem sobre vias elevadas, pois, o momento devido flexo para uma mesma carga P, concentrada no centro de uma viga bi-apoiada de vo L, comparada com a mesma carga distribuda (q = P/L), resulta num valor 50% inferior no segundo caso, como se observa na Figura 5:

Fig. 5 Momento mximo de flexo no centro da viga bi-apoiada8


3.1.2 Peso Total do Maglev reduzido metade do VLT Como conseqncia de prescindir de rodas, motores e truques, o Maglev tem um peso total equivalente metade do VLT mostrado na Figura 6. No Quadro 1, comparam-se as caractersticas tcnicas do VLT com um Maglev de igual capacidade de passageiros.

Fig. 6 Planta baixa do VLT utilizado at 1998 na Linha 2 do Metr-Rio Quadro 1 Dados comparativos VLT e Maglev Especificao Largura Altura Comprimento Altura do Piso Bitola Massa do Carro Vazio Passageiros sentados Passageiros em p Lotao de passageiros Massa do Carro Lotado Unidade m m m m m kg quantidade quantidade quantidade kg VLT 2,70 3,80 25,50 0,95 1,60 37.000 59 195 254 54.780 Maglev 2,70 2,70 25,50 0,20 1,60 10.200 59 195 254 27.980

Esta reduo de tara, aliada ao carregamento distribudo ao invs de concentrado, favorece o projeto de estrutura elevada mais esbelta do que no caso de trem convencional em concreto armado. Estruturas essas capazes de serem instaladas sobre canteiros centrais das grandes vias urbanas, reduzindo os custos com desapropriaes.

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3.1.3 Peso Menor da Superestrutura da Via Permanente O VLT um veculo que est sujeito s normas ferrovirias e, portanto, a superestrutura da via no muito diferente dos sistemas ferrovirios convencionais. Considerando uma linha assentada sobre lastro de brita, dormentes de concreto bi-bloco, trilho TR-45, o peso deste conjunto por metro linear superior a 1.500 kg. Comparativamente, a superestrutura de um veculo Maglev compe-se de duas linhas de ms com 50 mm de altura e 100 mm de largura, correspondendo a um peso por metro linear inferior a 10% do peso da superestrutura do VLT. 3.1.4 Reduo no Custo das Estruturas As estruturas de concreto armado, pr-moldada e metlica, apesar de possibilitarem diferentes desenhos e projetos, tm como referncia bsica para oramento $/kg. Logo, uma estrutura mais leve custa muito menos. Pelo fato do baixo peso, torna-se possvel utilizar o Maglev em trelias metlicas vencendo grandes vos, o que reduz o custo e os problemas de utilizao dos canteiros centrais, geralmente tambm utilizados para linhas de dutos. Para uso do Maglev em vias elevadas, est sendo desenvolvidoum projeto que utiliza estrutura mista: ao e concreto, cujas caractersticas so apresentadas nas Figuras 7, 8 e 9 a seguir. A possibilidade de utilizar estruturas industrializadas tem grande efeito na reduo do custo total dos projetos, pois a engenharia civil responde por mais de 60% nos sistemas convencionais.

Fig. 7 Corte Transversal da viga mista

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+ Fig. 8 Perspectiva da viga mista

Fig. 9 Encontro das vigas em concreto pr-fabricado 3.1.5 Reduo de Custo na Abertura de Tneis Os grandes atrativos dos sistemas metrovirios subterrneos - uma concepo construtiva de 144 anos, pois o primeiro metr do mundo, o de Londres, foi inaugurado em 1863 so a utilizao da energia eltrica no transporte, reduzida interferncia com o trfego virio, isolamento de rudo e a dispensa de desapropriaes. Entretanto, apesar dos avanos na abertura de tneis pela utilizao de equipamento automatizado, que realiza o acabamento medida que avana a escavao, o custo dos tneis ainda representa a maior parcela do investimento total das obras metrovirias subterrneas. Em relao ao veculo metrovirio tradicional (de seo retangular), o Maglev (de seo quadrada), que se inscreve em um crculo, possui caractersticas que podem gerar grandes redues de custos, principalmente nos tneis em curva. Nessas trechos, onde se exige superelevao da linha, a escavao do tnel dos sistemas convencionais necessita acompanhar esta exigncia, constituindo uma obra muito mais exigente tecnicamente do que um simples tnel circular.

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Fig. 10 Seo de tnel em curva: retangular do VLT ( 14 m2) e circular (7 m2) do Maglev A ttulo de exerccio comparativo, adotando-se as dimenses do VLT e Maglev apresentadas no Quadro 3, com uma folga de 15 cm para cada lado, superestrutura convencional para o VLT (TR 57, dormente concreto monobloco e lastro de 30 cm), obtm-se uma reduo prxima de 50% na seo de escavao do tnel de seo circular do Maglev em comparao com o de seo retangular do VLT (Figura 10). 3.1.6 Reduo de Custo nas Estaes Subterrneas Decorrente da utilizao de motores lineares para a trao do Maglev, a limitao tcnica e econmica de 4% de rampa mxima dos veculos, que necessitam do atrito da roda sobre trilho para trafegarem, superada facilmente, sendo o limite mximo fixado pelo conforto dos passageiros. Desta forma, ao invs de se construir estaes subterrneas, obras onerosas e de grande risco, como demonstrou o acidente na estao Pinheiros da Linha 4 do Metr de So Paulo em 30 de dezembro de 2006 (Figura 11), o Maglev permite que as estaes sejam de superfcie. Estas construes, alm de melhorarem a acessibilidade dos passageiros, principalmente dos portadores de necessidades especiais, economiza energia para iluminao e dispensa escadas rolantes.

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Fig. 11 Flagrante pouco antes e depois do acidente da estao de Pinheiros (FSP) 3.1.7 Raio Mnimo de Curva de 30 m Alm da limitao de rampas at 4%, os sistemas metrovirios tradicionais exigem raios de curva superiores a 250 m. Como o Maglev projetado tem mltipla articulao, este grande limite tcnico para projetos de engenharia tambm rompido, propiciando aos arquitetos maior liberdade para projetos inovadores. Nas aplicaes urbanas o Maglev pode, portanto, acompanhar perfeitamente as vias existentes, inserindo-se de maneira integrada no ambiente. Este projeto rene interessantes pontos de investigao para a engenharia civil, no estabelecimento de novos parmetros construtivos, alm de liberar a arte da arquitetura de limitaes tcnicas que padronizavam os projetos ferrovirios. 3.2 Racionalizao Energtica com Menores Emisses Gasosas 3.2.1 Economia de Energia no Transporte Atualmente, no transporte pblico, os veculos sobre pneus representam mais de 95% do transporte de passageiros realizado no Brasil (ANTP, 2006). Um aspecto importante na comparao de VLP (Veculo Leve sobre Pneus) com os VLT (Veculo Leve sobre Trilhos) refere-se resistncia ao rolamento. Quando um cilindro, roda ou esfera rola sobre outra superfcie plana, surge uma resistncia a esse movimento, chamada Resistncia ao Rolamento. Este resistncia dada em kgf/t, onde kgf a fora que se ope ao movimento e t, a fora vertical (peso) atuante na roda. Sobre trilhos, no contato entre o ao da roda e o ao do trilho, este grandeza varia de 1 a 2 kgf/t, o contato do pneu sobre o asfalto varia de 8 a 12 kgf/t. Enquanto um Trem Unidade Eltrica (TUE) com motor de corrente alternada, conforme Pires (2002), consome 0,025 kWh/tkm (quilo-watt hora por tonelada quilmetro), os nibus utilizados no trfego urbano brasileiro tm o seguinte consumo mdio de leo diesel: Micronibus 0,23 km/l; Veculo Leve - 0,33 km/l e Veculo Padron 0,42 km/l. Como se trata de combustveis diferentes, uma comparao econmica, que leva em conta a diferena de rendimento energtico das duas modalidades, pode ser realizada, considerando R$ 0,30/kWh para o custo da eletricidade e R$ 1,90/litro do leo diesel [Oliveira & Orrico Filho, 2004]. O Quadro 2 apresenta o custo energtico do transporte urbano medido em unidades monetrias por mil passageiro-quilometro (Kpkm):13


Quadro 2 Custo Energtico Comparativo no Transporte UrbanoESPECIFICAO Consumo mdio Consumo mdio Custo combustvel Custo combustvel Peso bruto Passageiros Consumo unitrio Consumo unitrio Custo unitrio Unidade kWh/tkm l/km R$/kWh R$/l t nm litro/pkm kWh/pkm R$/Kpkm nibus 0,33 1,90 16,00 100,00 0,0033 6,21 Automvel 0,13 2,30 1,00 1,41 0,0887 203,93 TUE 0,025 0,30 54,78 254,00 0,0054 1,62 Maglev 0,025 0,30 27,98 254,00 0,0027 0,81

Observa-se que o Maglev, nesta estimativa com base em referncias bibliogrficas, apresenta um custo energtico por passageiro-quilmetro equivalente a apenas 13% do consumo mdio do nibus urbano, gerando uma economia de 87% no item que representa cerca de 30% do custo operacional. A comparao com o transporte individual apresenta valores ainda mais significativos. 3.2.2 Reduo nas Emisses de Gases do Efeito Estufa O Governo Estado do Rio de Janeiro apresentou em 2005 o resultado de uma ampla pesquisa de origem/destino, que entrevistou cerca de 100 mil moradores da Regio Metropolitana do Rio de Janeiro (RMRJ), denominado Plano Diretor de Transporte Urbano (PDTU). Os Quadros 3 e 4, a seguir, o primeiro transcrito do referido estudo, permitem avaliar o potencial de emisses de CO2 (dixido de carbono), o principal gs formador do efeito estufa de aquecimento global.

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Quadro 3 Distribuio das Viagens por Modalidade de Transporte1

O Quadro 4, organizado a partir dos Quadros 2 e 3, avalia as emisses dirias de dixido de carbono provenientes do transporte motorizado, considerando as modalidades rodovirias que atendem 92% das viagens motorizadas na RMRJ. Quadro 4 Emisses de Dixido de Carbono Devido ao Transporte Urbano Rodovirio na Regio Metropolitana do Rio de JaneiroESPECIFICAO Emisses CO2 Consumo energia Emisses CO2 Viagens dirias RMRJ Distncia mdia Produo viagens Emisses CO2 Emisses CO2 Total Unidade kg/litro litro/Kpkm kg/Kpkm mil km Kpkm t/dia t/dia nibus 2,62 3,27 8,56 8.545 30 256.350 2.194 20.391 Automvel 2,17 88,67 192,41 3.108 30 93.240 17.940 Outros 2,170 45,97 99,75 129 20 2.580 257

Os benefcios para o meio ambiente, decorrentes da substituio de parte do transporte individual pelo Maglev, sero imediatos, pois opera com energia eltrica. A emisso de CO2 devido s usinas termeltricas movidas a combustvel de apenas 0,4 kg/kWh e tais usinas esto localizadas afastadas dos centros urbanos.

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Fonte: PDTU (2005) 15


Na linha definitiva na UFRJ, sensores instalados permitiro esta comprovao experimental e o estabelecimento de frmulas empricas para a determinao da resistncia ao movimento do Maglev, seu efetivo consumo de energia e emisses gasosas. 3.3 Desenvolvimento de Indstria Nacional de Alta Tecnologia

Neste item sero listados vrios pontos que evidenciam as vantagens desta pesquisa para o aumento da competitividade de empresas brasileiras j instaladas e a serem criadas. 3.3.1 Engenharia Veicular Inovadora O Maglev do presente projeto, visando aproveitar ao mximo a infra-estrutura urbana existente, teve como princpio a possibilidade de realizar curvas de pequeno raio mantendo a carga uniformemente distribuda ao longo da via. As Figuras 13 e 14 demonstram as possibilidades deste conceito, com o veculo sendo formando por vrios anis interligados atravs de juntas flexveis, como se fossem as articulaes de uma serpente da a sua denominao: Maglev-Cobra2. A capacidade de cada trem cresce com a adio de anis, ajustando-se demanda. Mdulos que contm as portas podem ser montados em diversas disposies ao longo do veculo, pois cada anel representa uma estrutura independente, assim como o posicionamento dos bancos: transversal ou longitudinal.

Fig. 13 Maglev-Cobra com capacidade de 240 passageiros

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Marca requerida ao INPI 16


Fig. 14 Anis do Maglev-Cobra com bancos no sentido transversal O componente fundamental do veculo a base de levitao, onde se apiam os mdulos de passageiros e esto situados os criostatos (em azul), mostrado na Figura 15, no interior dos quais se encontram os supercondutores, refrigerados com nitrognio em estado liquido (-196 C). Na parte central encontram-se as bobinas que so alimentadas com energia eltrica e permite a movimentao do veculo atravs de um motor linear instalado na via.

Fig. 15 Base de Levitao do Maglev-Cobra 3.3.2 Indstria de Material Rodante Infelizmente, no mercado brasileiro, as indstrias ferrovirias genuinamente nacionais que poderiam desenvolver a tecnologia de veculo ferrovirio inovador, como a Cobrasma, Mafersa e Santa Matilde foram extintas, restando as multinacionais que, naturalmente, obedecem rigidamente s orientaes das matrizes. Dificilmente podero ser parceiras no desenvolvimento de uma tecnologia que venha a ameaar o seu principal produto inovador: trens de alta velocidade baseados17


no atrito roda/trilho, que aps esgotar as alternativas econmicas no mercado europeu necessitam ser exportadas para outros mercados. Como aconteceu no caso da indstria aeronutica, possvel a implantao por grupos industriais brasileiros de empreendimentos avanados tecnologicamente, desde que haja o devido apoio poltico e seja afastado qualquer trao de xenofobia como observado na dcada de 70 do sculo passado. 3.3.3 Fabricao de ms de Terras Raras Os ms de Terras Raras, os super-ms, especialmente os fabricados a partir de uma combinao de Neodmio, Ferro e Boro (Nd2Fe14B) so muito poderosos. Sua fora classificada desde N24 at ao mais forte N54. O nmero aps o N representa o produto da energia magntica em megagaussoersteds (MGOe) 1MGOe = 7,957 TA/m = 7,957 J/m. Nos anos 90, houve investimento na Unicamp na tentativa de fabricar este material no Brasil, mas sem sucesso comercial, devido, provavelmente, baixa demanda, j que utilizado sobretudo em fones de ouvido, discos rgidos e aplicaes na rea eletrnica. As melhores opes para suprir o mercado nacional tem sido importar este produto da Alemanha ou da China, como fez o LASUP para a construo da linha de 30 m. O fornecedor chins, recentemente contatado para a realizao do oramento deste Projeto, sinalizou que o governo de seu pas est considerando suas reservas de terras raras como estratgicas, diante das grandes aquisies realizadas pelo Japo. Por esta razo, algumas minas foram lacradas e o preo da matria para produo do Neodmio cresceu de US$ 11/kg para US$ 40/kg ao longo de 2006. Atualmente, o preo se mantm estvel neste patamar. Felizmente o Brasil um pas muito rico em reservas de terras raras, como as existentes na Mina do Pitinga, na cidade de Presidente Figueiredo, no estado do Amazonas (120 km de Manaus). Da mesma forma, pesquisas acadmicas para a produo de super-ms so realizadas em vrios locais, obtendo-se resultados inovadores como a recente descoberta de que a adio de uma pequena quantidade de carbeto de titnio (TiC) melhora o desempenho do NdFeB (Murakami, 2005). Para a implantao do Maglev, a via composta de ms permanentes constitui o maior item de custo. Um bloco de NdFeB, de 50 mm x 50 mm x 100 mm, capaz de garantir uma fora de levitao de 4 a 6N/cm2, com gap (altura de levitao) de 8 a 10 mm, tem um custo FOB China de US$ 64. Este material tem sofrido valorizao, devido crescente aplicao do NdFeB em microfones e autofalantes de pequenas dimenses usados em celulares e discos rgidos de alto desempenho. Para preservar seu mercado, a China tem fechado minas de terras raras, o que tem contribudo para elevao do preo. A indstria brasileira de alta tecnologia poder se sentir estimulada a desenvolver um produto de grande valor agregado e excelente potencial de aplicao futura. 3.3.4 Fabricao de Supercondutores de Alta Temperatura Crtica Trata-se de outro componente fundamental para a viabilizao do Maglev-Cobra, cujo processo de produo ainda mais elaborado do que os super-ms. Atualmente, o estado da arte na fabricao18


de supercondutores do Tipo II, que no excluem totalmente o campo magntico e se comportam como diamagntos imperfeitos, encontra-se na Alemanha, especialmente no Leibniz-Institut fr Festkrper und Werkstoffforschung (IFW) em Dresden, que presta assessoria para empresas de alta tecnologia nas imediaes e com quem mantemos cooperao atravs de projeto PROBRALCAPES/DAAD. O Centro de Pesquisa da Eletrobrs (CEPEL), localizado na Ilha do Fundo, chegou a produzir supercondutores do Tipo II em fita, mas no com a finalidade de aplicaes na rea de transportes. Entendimentos realizados pela equipe com o referido CEPEL evidenciou um grande interesse pelo sucesso do Maglev-Cobra. Como este centro de pesquisa possui laboratrios bem equipados, pessoal tcnico altamente qualificado e interesse em estabelecer parcerias, com algumas aes especficas, depois de aprovado este projeto, poder ser mobilizado como um ponto de partida para futura produo nacional do supercondutor de YBCO, um material de alta tecnologia e estratgico. Todavia, como nos itens anteriores, devido economia globalizada, no indispensvel a produo nacional destes materiais. Se ningum no Brasil se interessar por esta questo de natureza estratgica, a soluo ser a importao, como at agora vem sendo realizada. 3.3.5 Fabricao de Motores Lineares O motor eltrico linear no uma tecnologia recente, pois, por exemplo, j utilizado com sucesso no lanamento de avies em aerdromos. um motor eficiente que funciona com movimento longitudinal ao invs de rotao e constitui o principal componente para motorizao de um trem de levitao magntica, que, por concepo, no possui contato com a superfcie de rolamento. Os motores utilizados no prottipo em escala reduzida do LASUP foram de construo artesanal, j que o motor linear no um produto de linha de nenhum grande fabricante nacional. Foram criados dois modelos para teste: de primrio curto, que trabalha com bobinas instaladas no veculo e de primrio longo, onde as bobinas esto dispostas ao longo da via. A nova demanda poder tambm estimular empresas j instaladas e de grande liderana mundial, como a WEG, na criao de uma linha especial de motores lineares dando mais profissionalismo e certeza de peas de reposio para manuteno ao futuro sistema. Entretanto, no est descartada a possibilidade de empresas inovadoras implantarem linhas de motores lineares, que constituem produtos de alta tecnologia. 3.3.6 Desenvolvimento de Softwares de Controle Como o Maglev-Cobra apresenta caractersticas operacionais distintas dos sistemas ferrovirios tradicionais, abre-se um grande mercado para empresas de engenharia de software. O Brasil no tem se destacado em softwares de massa, porm existe instalada uma razovel base tcnica capaz de, por exemplo, atender plenamente s necessidades de um sistema financeiro moderno, desenvolver um processo eleitoral totalmente digital e criar softwares empresariais de exportao. Na regio Sul e Sudeste existem vrias empresas, j fornecedoras para as ferrovias, que podero se interessar no desenvolvimento comercial de aplicativos especficos para o Maglev-Cobra, que no fechando circuito eltrico nos trilhos (pois levita sobre eles), exigir todo um novo sistema a ser desenvolvido.19


3.3.7 Implantao de Engenharia Civil Inovadora Desde meados da dcada de 50, quando foram criadas as grandes empresas de engenharia civil nacionais, as grandes empreiteiras de obras pblicas, os desafios tcnicos foram vencidos com sucesso: construo de Braslia, grandes obras rodovirias, Ponte Rio - Niteri, Itaipu Binacional, Ferrovia do Ao e tantas outras obras. Na dcada de 80, com os problemas econmicos brasileiros que constituram dcadas perdidas de desenvolvimento, muitas dessas empresas foram buscar no exterior o desenvolvimento de seus negcios e diversificaram suas atividades, voltando-se tanto para a rea industrial quanto para a concesso de rodovias. Durante o desenvolvimento deste projeto, houve contato com a maior empresa brasileira de engenharia civil, a Construes e Comrcio Camargo Correa S/A (CCCC) que, vislumbrando as vantagens da tecnologia no desenvolvimento de novos negcios mostrou-se favorvel em participar da implantao da linha experimental, em estreita colaborao com os proponentes deste trabalho. Considerando que a CCCC rene em seu conglomerado empresas que exploram concesses importantes no sistema de transporte do Brasil, como a Nova Dutra e a Ponte S/A, este interesse ganha um destaque maior, porque provavelmente a implantao das novas linhas de Maglev se dar atravs de programas de Participao Pblico Privada (PPP). A presena de grandes empresas nacionais no exterior, por outro lado, garante uma possvel expanso da tecnologia, pois a engenharia civil, nas grades empreendimentos de transporte pblico, geralmente representam mais de 60% dos custos totais. 3.3.8 Registro de Patentes Internacionais A partir do ltimo quarto do sculo XX a sustentabilidade do crescimento de uma economia tradicionalmente industrializada, expressa pela taxa de aumento do PIB, passou a ser cada vez mais dependente da capacidade do pas de desenvolver a sua prpria tecnologia, medida quantitativamente pela quantidade de patentes concedidas no maior mercado, os EUA. O Brasil

ainda tmido nesta estratgia, como se observa nos dados das patentes concedidas pelo United Satates Patent and Trademark Office (USPTO) mostrado no Quadro 5. Quadro 5 Patentes Concedidas pelo USPTO

PERODO Trinio 2001-2003 Trinio 2004-2006

Brasil 336 304 -10%

ndia 768 1.228 60%

China 1.527 2.373 55%

Fonte: Protec (2006) O Maglev-Cobra baseado em supercondutores uma tecnologia inovadora, que j teve dois pedidos de patentes solicitadas ao Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI). Com o devido apoio para realizao de testes e pesquisas, este projeto poder gerar outros pedidos de registro internacional.20


4. ESTUDO DE CASOS Explorando as caractersticas dos sistemas de levitao magntica, sero analisadas sumariamente duas aplicaes: a revitalizao do trecho crtico da mais antiga ferrovia do Brasil, a Estrada de Ferro Mau que foi sucedida pela Estrada de Ferro Prncipe do Gro Par (EFPGP) e a discutida ligao ferroviria entre o Rio de Janeiro e So Paulo. Em ambos, as caractersticas particulares dos sistemas de levitao magntica sero explorados, tanto nas aplicaes urbanas, de baixa velocidade, como nas interurbanas de alta de velocidade neste caso comparando o sistema com os Trens de Alta Velocidade convencionais. 4.1 Revitalizao da Linha de Petrpolis

Inaugurada em 1883, como prolongamento da E. F. Mau de 1854, essa pioneira ferrovia de cremalheira tinha como principal caracterstica a capacidade de subir rampas de at 15, vencendo o difcil plano inclinado da Serra da Estrela. Com um diferencial de altitude de quase 800 m, o paredo desafiou o baro de Mau, que interrompeu sua ferrovia pioneira na Raiz da Serra, em 1856 e teve que aguardar 25 anos, pois a rampa somente era possvel de ser superada por meio de pequenas locomotivas-tanque a vapor, com o sistema de cremalheiras denominado de Riggenbach (homenagem a Niklaus Ribbenbach, engenheiro suo que o inventou). Nesse sistema, o deslocamento no se d atravs da simples aderncia das rodas da locomotiva aos trilhos, mas atravs de uma pea dentada instalada entre os trilhos, sobre a qual encaixa-se a engrenagem instalada na locomotiva. Atravs desta engrenagem realiza-se todo o movimento de trao permitindo, assim, uma maior aderncia ao empurrar a composio na subida, e tambm para apoi-la no declive. No Brasil, a Estrada de Ferro Corcovado, no Rio de Janeiro, contempornea com a EFPGP, ainda a nica ferrovia que opera 3,8 km por esse sistema, realizando transporte de turistas, por meio de modernos trens eltricos importados da Sua com a capacidade para 100 passageiros. Nos ltimos anos do 2. Reinado a EFPGP teve grande movimentao, pois nos veres insalubres da capital, a elite acompanhava a retirada do Imperador Pedro II para a serra de Petrpolis, verificando-se uma verdadeira transferncia geogrfica de poder poltico. Em 1965 a operao da ferrovia foi extinta, dentro do programa de extino de ramais anti-econmicos sob o ponto de vista micro-econmico (Figura 16). Entretanto, o trecho sem trfego refere-se aos seis quilmetros de subida da serra e da parte urbana de Petrpolis, pois a partir da estao Baro de Mau no centro da cidade do Rio de Janeiro at a raiz da serra, na cidade de Vila Inhomirim, a linha com 49 km est operacional, embora de reduzido movimento.

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Fig. 16 Trem Operando em Petrpolis na dcada de 50 A Supervia a concessionria da operao dos trens metropolitanos no Rio de Janeiro, que opera o trecho de propriedade da Cia. Estadual de Engenharia de Transportes e Logstica (CENTRAL). Portanto, tanto a faixa de domnio abandonada como a operao do transporte est na esfera de controle do governo do Estado do Rio de Janeiro (Figura 17). Para tornar-se vivel, tcnica e economicamente, a nova operao com os trens na serra, conforme Tese de Mestrado defendida na Universidade Cndido Mendes (Pastori, 2007), foi toda repensada sob a tica da eficincia e produtividade, pois no poderia ser mais realizada da mesma forma que era na poca do vapor.

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Fig. 17 Acesso Vila Inhomirim (fonte CENTRAL) 4.1.1 Demanda de Transporte Transitam entre o Rio de Janeiro e Petrpolis 3 milhes de pessoas anualmente, deslocando-se atravs de nibus, vans, automveis e motos. No estudo realizado, para a ferrovia foi alocada uma demanda de 500 mil passageiros/ano, que poder ser ampliada pois o tempo de viagem ferrovirio em 1965 equivalia ao atual rodovirio. 4.1.2 Modelo Operacional Como a Supervia a empresa concessionria e responsvel pela operao do trecho ferrovirio da estao Baro de Mau at a estao da Vila Inhomirim, com o devido incentivo do governo do estado do Rio, poder ficar responsvel pelos investimentos necessrios para um transporte de qualidade. No trecho da serra, cuja faixa de domnio com a liquidao da RFFSA ficou ligada diretamente ao governo federal, seria recomendvel uma integrao com os poderes municipais (Rio, Mag, Caxias, Petrpolis), j que o Maglev-Cobra, por suas caractersticas tcnicas seria capaz de vencer a serra a circular pelo interior da cidade com mnima interferncia. 4.2 Ligao Ferroviria Rio de Janeiro So Paulo

Devido crise no setor areo, voltou-se novamente a cogitar uma ligao ferroviria para o transporte de passageiros entre o Rio de Janeiro e So Paulo. O texto a seguir exercita, como exemplo de viabilidade mercadolgica, esta ligao realizada atravs de sistemas de levitao, reunindo duas tecnologias: urbano, levitao magntica (SML) supercondutora, por ns aqui proposta, para o trecho

levitao eletromagntica (EML) para o trecho interurbano, onde pelo menos a construo civil poderia ser integralmente nacional. Varar a Serra do Mar de tneis para manter a declividade mnima, como fez Cristiano Otoni em 1860, quando existe atualmente engenharia capaz vencer rampas elevadas a cu aberto, s tem justificativa porque o projetista ficou preso ao contato roda-trilho. Como tambm no tem sentido operar com equipamento desenhando para altas velocidades na regio urbana, apenas para que trem possa partir de estaes de localizao centenrias, como a Estao da Luz em So Paulo e Central (D.Pedro II) no Rio de Janeiro, onde o passageiro, naturalmente, vai necessitar de outro meio de transporte para chegar ao destino final (trabalho ou residncia). 4.2.1 Modelo Operacional Neste plano, a linha de alta velocidade partiria da Barra da Tijuca at Volta Redonda, por um trajeto novo, simultaneamente de Guarulhos at So Jos dos Campos pela variante do Parate, encontrando os dois trechos em Aparecida do Norte. Esses pontos teriam as estaes intermedirias e a linha seria inicialmente singela, duplicada quando a demanda assim justificasse.23


Quando estes dois lotes de Maglev-EML estivessem sendo inaugurados, j estariam prontos os sistemas urbanos de levitao, Maglev-Cobra, baseado em supercondutores (SML). No Rio de Janeiro, ligando o aeroporto Tom Jobim, UFRJ, estao Del Castilho do Metr e da Supervia Barra da Tijuca, aproveitando faixa de domnio da Linha Amarela, Avenida Arton Sena e seguindo em via elevada pelo canteiro central da Avenida das Amricas at seu final, nos limites do Parque Estadual da Pedra Branca, onde estaria o grande terminal do Maglev de alta velocidade (Figuras 22 e 23). Em So Paulo, o Terminal Rodovirio Tiet, seria interligado ao aeroporto de Cumbica por uma via elevada ao longo das margens do rio de mesmo nome. Por suas dimenses esbeltas, leveza, silncio e baixo consumo de energia, o Maglev-Cobra urbano pode aproveitar a infra-estrutura pblica existente, valorizando com seu design os locais por onde passa (Figuras 18 e 19).

Fig. 18 Aeroporto Tom Jobim Av. das Amricas: 26 km

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Fig. 19 Maglev-Cobra ao longo da Av. das Amricas: 22 km Em So Paulo, o terminal do Maglev de Alta Velocidade seria junto ao acesso ao Aeroporto de Cumbica, em Guarulhos. A partir da a viagem prossegue pelo Maglev-Cobra, que por suas caractersticas, pode aproveitar as margens do Rio Tiet (Figuras 20 e 21).

Fig. 20 Traado ao longo das margens do Tiet (sem desapropriaes)

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Fig. 21 Trecho do Maglev-Cobra na chegada ao Terminal Rodovirio Tiet O trajeto aproveita as faixas federais, da Rodovia Presidente Dutra e da Ferrovia MRS Logstica, ambas sob concesso da iniciativa privada para operao. O traado no antigo Ramal de So Paulo tem raio mnimo de 600 m e rampa mxima de 0,5%, portanto sem problema algum para trens de alta velocidade. O veculo andar o tempo todo em via elevada, como mostra a Figura 22 do Transrapid, tecnologia tomada como referncia para a levitao eletrodinmica. Observa-se que a engenharia civil nacional, com muitas obras de sucesso em estruturas pr-moldada de concreto protendido (ex.: Ponte Rio-Niteri), no ter dificuldade alguma em implantar a via (Guideway), que foi objeto de estudos detalhados e otimizao, tanto na Alemanha como na China, podendo adquirir, em curto prazo, a tecnologia necessria, implantando-se o projeto com elevado ndice de nacionalizao. O material de consumo bsico sero cimento e ao, que o pas e auto-suficiente e, durante as obras, sero gerados milhares de empregos, pois a engenharia civil intensiva em mo-de-obra.

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Fig. 22 Montagem de uma linha para o Transrapid na Alemanha

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5. LINHA DE TESTE Para comprovar a viabilidade da tecnologia Maglev-Cobra prope-se a construo de uma linha de teste, conforme detalhamento abaixo. O objetivo da via comprovar a capacidade de o veculo fazer curvas com raio de 30 m e subir rampas de at 15% de inclinao. Visando reduzir o custo de implantao e facilitar os trabalhos de pesquisa, o trecho experimental de 114 metros ser assentado sobre lajes pr-moldadas de concreto protendido. Estas lajes sero apoiadas em estacas de ao de perfil I cravadas no local onde ser assentada a linha experimental. O traado segue em nvel, durante 4 lajes retas e 8 lajes curvas, totalizando (4*6 + 8*3 = 24 + 24 = 48 m). Depois comea a subir, primeiro numa inclinao de 7,5%, por uma laje de 3 m, seguida por outras duas com inclinao de 15% e 6 m de comprimento e novamente mais uma laje de 3 m com inclinao de 7,5%, totalizando 18 m. A altura total do desnvel de 2,25m, suficiente para testar o desempenho do motor linear em situao de rampa. O terceiro trecho, em nvel, tem a mesma configurao do primeiro, apenas mudando o sentido da curva. O comprimento total da linha ser, portanto, de 114m, ilustrado na Figura 23,

Fig. 23 Perspectiva do Maglev-Cobra na Linha de Teste Embora sendo curto, este trecho permitir a realizao de testes de acelerao do projeto, prevista para 1m/s2, que a acelerao do utilizada nos sistemas metrovirios. Como natural nos projetos, especialmente de pesquisa cientfica e tecnolgica, os valores apresentados no Quadro 6 abaixo referem-se a valores estimados. Considerando que o projeto acena28


com um grande mercado potencial para empresas privadas, foi possvel conseguir 10% de participao da iniciativa privada nos investimentos atravs da Construtora Camargo Correa, para complementar os 90% de investimento pleiteados ao BNDES no Desenvolvimento Tecnolgico atravs do FUNTEC. Quadro 6 USOS e FONTES da Linha ExperimentalESPECIFICAO Infraestrutura Super-estrutura Edificaes Subtotal Engenharia Civil Consultoria Prottipo do Maglev Cobra Subtotal Engenharia Veicular Gerenciamento do Projeto TOTAL USO Maglev Cobra UFRJ BNDES - Funtec Contrapartida - Iniciativa Privada TOTAL FONTES Maglev Cobra UFRJ Unidade R$ R$ R$ R$ R$ R$ R$ R$ R$ R$ R$ R$ Valor 258.000,00 800.000,00 165.000,00 1.223.000,00 768.000,00 1.380.000,00 2.148.000,00 738.000,00 4.109.000,00 3.698.100,00 410.900,00 4.109.000,00

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6. CONCLUSO As linhas anteriores demonstraram as vantagens que podem ser obtidas na nova modalidade de transporte oferecida pela levitao. Trata-se de uma quebra de paradigmas: um meio de transporte que voa (sem asas) em trajetrias pr-estabelecidas (sem rodas). A proposta destaca-se por ser:Ecologicamente corretacommenor poluio sonora e ambiental e menor consumo de energia. Economicamente correta, pois apresenta menor custo de implantao e manuteno. Tecnicamente correta tendo em vista que a levitao magntica supercondutora mais vantajosa que o mtodo eletromagntico ou eletrodinmico. Politicamente correta uma vez que est calcada em tecnologia nacional com oportunidades para crescimento industrial e cientfico. Pelas razes expostas nos itens anteriores, fundamental a comprovao da tecnologia da levitao, em especial da levitao supercondutora (SML) do Maglev-Cobra, o que pode ser iniciado com uma linha de teste, um roteiro natural aps anos de testes com um modelo reduzido do grupo proponente. O principal desafio vencer o ceticismo do meio tcnico e acadmico diante da possibilidade da indstria brasileira liderar uma soluo inovadora no setor de transportes. A histria recente tem comprovado que o Brasil quando quebrou paradigmas tecnolgicos foi bem sucedido, como na explorao de petrleo em guas profundas, na implantao do maior programa de bio-combustvel do mundo (Prolcool) e na adaptao da soja (cultura de clima frio) para vicejar nos cerrados. O Maglev-Cobra, enfrentando e vencendo desafios tecnolgicos, rene as condies necessrias para em um futuro muito prximo fazer parte desta lista de sucessos.

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7. REFERNCIAS MOON, F.C. (1994) - Superconducting Levitation, John Willy & Sons Inc. New York, USA. MURAKAMI, R.K. (2005) - Novos Materiais Magnticos para Ims de Alta Perfomance, Tese de Doutorado, Instituto de Fscia, Universidade de So Paulo, SP, Brasil. PASTORI, A.C. (2007), As PPPs Parcerias Pblico-Privadas, como ferramenta para viabilizar projetos de infra-estrutura ferroviria. Um estudo para reativao do trem de passageiros RioPetrpolis (Trem da Serra). Dissertao de Mestrado em Economia Empresarial, Universidade Cndido Mendes, Rio de Janeiro, RJ. PDTU-RMRJ (2005) Plano diretor de transporte urbano regio metropolitana do Rio de Janeiro. Secretaria Estadual de Transporte, Governo do Estado do Rio de Janeiro. Relatrio de Maio de 2005. PIRES, C.L. (2002) Simulao de marcha de composio ferroviria acionada por motores de induo e PWM. Tese de Mestrado em Engenharia, Escola Politcnica da Universidade de So Paulo, So Paulo. RASCHBICHLER, M. (2006) - Transrapid in the Context of Urban and Regional Transport Planning MAGLEV06 pp. 717-720 Dresden, Alemanha.

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