اگر سوار هواپیما شده باشید، احتمالا متوجه شده‌اید كه سفر هوایی بیش‌تر و بیش‌تر شلوغ می‌شود. باوجود تأخیرهایی كه در هواپیماها وجود دارد سریع‌ترین راه برای سفر صدها یا هزاران كیلومتر است. در قرن گذشته این نوع سفرها انقلابی در صنعت حمل و نقل محسوب می‌شدند، چراكه مردم را به جای چند روز و چند ماه، ظرف چند ساعت به مقصد می‌رساندند.

دیگر انتخاب‌ها مانند پیاده‌روی،‌ ماشینها،‌ قایق‌ها و قطارهای بین شهری در حالی كه در دنیای سرعتی امروز بسیار كُند هستند. با این حال شكل جدیدی از حمل و نقل اتقلابی را در قرن 21 به‌وجود آورده است.


تصویر1


چند كشور در دنیا هستند كه از آهنربای الكتریكی قوی برای توسعه‌ی قطارهای سریع‌السیر به‌نام «قطارهای ماگلِو» (Maglev trains) استفاده می‌كنند. ماگلو برای شناوری الكتریكی بسیار كوتاه است. به این معنی كه این‌ها قطارها بالای ریل شناور می‌مانند. در واقع از اصل آهنربا به جای ریل‌های استیل استفاده می‌شود. در این جا با طرد الكترومغناطیسی و سه نوع قطار ماگلو آشنا می‌شویم و این‌كه شما هم می‌توانید یكی از این‌ها را برانید.

آویز الكترومغناطیسی (EMS)

اگر با آهنربا كار كرده باشید می دانید كه قطب‌های مخالف هم‌دیگر را قطب‌های مشابه هم‌دیگر را دفع می‌كنند. این اصلی است كه طرد مغناطیسی را هدایت می‌كند. آهنربای الكتریكی مشابه دیگر آهنرباها هستند كه در جذب اجسام فلزی نقش دارند، كشش مغناطیسی موقتی است. می‌توانید آهنربای‌الكتریكی كوچكی با اتصال انتهای یك سیم مسی با انتهای مثبت و منفی باطری معمولی درست كنید.

این باطری یك میدان مغناطیسی كوچك درست كند. اگر انتهای سیم را از باطری قطع كند، میدان مغناطیسی از بین می‌رود. میدان مغناطیسی در این آزمایش سیم – باطری درست می‌شود كه این ایده‌ی ساده پشتوانه‌ی قطارهای ماگلو است. به راه برای طراحی این سیستم وجود دارد:

 منبع تغذیه‌ی الكتریكی بزرگ
 سیم‌پیچ‌های فلزی یك ریل
 آهنربای راهنمای بزرگ كه به بخش داخلی قطار

 

اختلاف بزرگ بین قطار ماگلو و قطارهای معمولی این است كه قطارهای ماگلو موتور ندارند (حداقل آن‌ها از نوع موتورهای قابل استفاده در قطارهای معمولی نیستند). موتور ماگلو تقریبا مشخص نیست. به‌جای استفاده از سوخت‌های فسیلی، این سیم‌پیچ‌های الكتریكی در دیواره‌ و ریل طرد قطار است.

تصویر2- خط «یاماناشی» در ژاپن

سیم‌پیچ‌های مغناطیسی در طول ریل «خط راهنما» نامیده می‌شوند. مغناطیس‌های بزرگی بر قسمت زیرین قطار وارد می‌شود. قطار بین 39/0 تا 93/3 اینچ (1 تا 10 سانتی‌متر) بالای این خط راهنما معلق می‌شود. وقتی قطار معلق می‌شود،‌ منبع تغذیه سیم‌پیچ‌های درون دیوار‌های خط راهنما را فراهم می‌آورد كه یك سری از میدان‌های مغناطیسی درست می‌كند كه قطار را به ‌طور دائم می‌كشد و هل می‌دهد.

جریان الكتریكی پشتیبان سیم‌پیچ‌های داخل دیواره است كه به ‌طور ثابت قطب سیم ‌پیچ‌های مغناطیسی را تغییر می‌دهد. این تغییر قطب باعث می‌شود كه میدان مغناطیسی پشت قطار آن را به سمت پشت كشیده می‌شود، كه میدان مغناطیسی پشت قطار به آن اضافه می‌شود.

تصویر3

قطارهای ماگلو بر پیچه‌ی هوا و اصطكاك قابل صرف ‌نظر كردن شناور است. این فقدان اصطكاك و آیرودینامیك قطار اجازه می‌دهد كه این قطارها به شكل غیرقابل باوری حمل و نقل را سریع انجام می‌دهد. این سرعت بیش‌از 310 كیلومتر در ساعت یا دوبرابر سریع ترین قطارهای آمتراك (Amtrak) است. در مقایسه با هواپیماهای مسافری بوئینگ 777 كه برای مسافت‌های زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند به سرعت‌ 562 مایل در ساعت (905كیلومتر در ساعت) دست یابد. طراحان قطار می گویند خطی را تا بیش از 1000 مایل (1609 كیلومتر) خواهند كشید. با 310 كیلومتر در ساعت می‌توانید از پاریس تا رم را فقط در 2 ساعت طی كنید.

آلمان و ژاپن هردو از این فناوری سود می‌برند و پیش‌طرحی را از این قطارها آزمایش می‌كنند. اگرچه با مشابه همین فناوری قطارهایی در این دو كشور كار هستند. در آلمان مهندسین روی دستگاه تعلیق الكترومغناطیسی (EMS) را به‌نام ترانس رپید (Transrapid) كار می‌كنند. در این دستگاه، در انتهای قطار سیم‌پیچ دور خط راهنمای استیل پیچیده شده است. آهنربای الكتریكی در زیر قطار كار گذاشته شده كه مستقیماً با خط راهنما در ارتباط است. در این حالت قطار 3/1 اینچ (1 سانتی متر) با سطح ریل فاصاه دارد و قطار حتی وقتی حركت نمی‌كند معلق است. دیگر راهنماهای مغناطیسی در بدنه‌ی قطار تعبیه شده‌اند و آن را در طول سفر حفظ می‌كند. آلمان نشان داد كه قطار ترانس رپید ماگلو می‌تواند به سرعت‌های بالای 300 ... با مسافر دست یابد.

مهندسین ژاپنی در حال كار روی قطارهایی تكمیل‌تر هستند كه از یك دستگاه آویز مغناطیسی استفاده می‌كند. اساس كار همان طرد مغناطیسی است. اختلاف كلیدی بین قطارهای آلمان و ژاپن در آهنربای الكتریكی ابرسردكننده‌ی ابررسانایی كه است كه ژاپنی ها استفاده كرده‌اند. در این نوع برق حتی بعد از خاموشی هم در جریان است (به زنگ تفریح قبلی مراجعه كنید). در دستگاه EDS كه از آهنربای الكتریكی استانداردی هم استفاده می‌كند، سیم‌پیچ ها فقط برق را زمانی كه دستگاه روشن است منتقل می‌كنند. به‌وسیله‌ی سردكننده‌های سیم‌پیچ‌ها در دمای انجماد، دستگاه‌های ژاپنی انرژی را ذخیره می‌كنند. با این حال دستگاه برودتی برای سرمایش گران است.

دیگر اختلاف بین دستگاه ها این‌است كه قطارهای ژاپنی نزدیك 4 اینچ (10 سانتی متر) بالای خط راهنما قرار می‌گیرد. یكی از دلایل اصلی استفاده از دستگاه EDS این است كه قطارهای ماگلو باید تا رسیدن به سرعت 100 كیلومتر در ساعت روی لاستیك‌های مدوری حركت كنند. مهندسین ژاپنی می‌گویند كه این چرخ‌ها اگر برق قطع شود یك مزیت محسوب می‌شوند. قطار آلمانی به باطری های اضطراری مجهز هستند. همچنین مسافرین می توانند با دستگاه تنظیم ضربان قلب خود را از میدان های مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای الكتریكی ابررسانا حفاظت كنند.

«ایندیوس تراك» (القای خطی) نوع جدیدی از EDS هستند كه آهنربایی با دمای اتاق را مصرف می‌كنند تا میدان های مغناطیسی به جای آهنرباهای الكتریكی تغذیه شده و آهنرباهای ابررسانای سرد استفاده كنند. القای خطی منبع تغذیه‌ای استفاده می‌كنند كه قطار را تا قبل از معلق شدن شتاب می‌دهد. اگر برق قطع شود،‌ قطار به تدریج سرعت قطار كم می‌شود و چرخ‌های آن با منبع كمكی شروع به توقف می‌كنند.

ریل هم آرایه‌ای از مدارهای كوتاه الكتریكی با سیم‌های عایق شده هستند. در یك طرح این مدارها مانند پله‌ی نردبان است. وقتی قطار حركت می‌كند، میدان مغناطیسی باعث دفع آهنربا می‌شود كه قطار معلق می‌ماند.

دو نوع طرح ریل القایی وجود دارد: نوع اول و نوع دوم؛ نوع اول برای سرعت‌های بالا و نوع دوم برای سرعت‌های پایین طراحی شده است. به‌طور كُلی این نوع قطارها در طول سفر خود (چند كیلومتر در ساعت) حدود 45/2 سانتی متر بالای ریل معلق بوده و حركت می‌كنند. فاصله‌‌ی بیش‌تر از ریل به این معناست كه قطار نیاز به سیستم‌های پیچیده‌ای برای ثبات در حركت خود ندارند.

آهنربای دائمی نباید قبلا استفاده شده باشد، زیرا دانشمندان بیان می‌كنند كه نیروی كافی برای معلق ماندن ندارند. این قطارها این مشكل را با آرایه‌ی آهنرباها به نام «آرایه‌ی هال‌باخ» مرتفع می‌كنند. آهنرباها طوری ساخته می‌شوند كه شدت میدان به جای این‌‌كه پایین آرایه باشد بالای آن تمركز یافته است. آن‌ها از مواد جدیدتری ساخته شده‌اند كه شامل آلیاژ نئودیمیم-آهن-بورون است كه میدان قوی‌تری تولید می‌كند. نوع دوم تركیبی است از دو «آرایه‌ی هال‌باخ» تا میدان قوی‌تری در سرعت‌های پایین‌تر تولید كند.

اولین حمل و نقل ماگلو بیش از یك قرن پیش پایه‌گذاری شد ولی اولین استفاده‌‌ی تجاری از آن در شانگهای (چین) به سال 2002 مورد بهره‌برداری قرار گرفت. این طرح را كشور آلمان به عهده داشت. حط مشابهی یك سال بعد (2003) مورد بهره‌‌برداری قرار می‌گیرد. خط شانگهای در حال حاضر تا ایستگاه لوونگ‌یانگ در مركز شهر و فرودگاه پودونگ كشیده شده است. این سفر با سرعتی حدود 430 كیلومتر در ساعت، 10 دقیقه‌ طول می كشد، در حالی كه این فاصله‌ی 30 كیلومتری با ماشین یك ساعت طول می‌كشد. تا سال 2010 اولین خط بین شهری توسط چین ساخته خواهد شد.

 

تصویر4 - ترانس رپید محصول كشور آلمان

كشورهای متعددی در حال بهره‌برداری از این نوع قطارها هستند، ولی چین همچنان تنها كشوری است كه این طرح را به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار می‌دهد. طرحی نیز توسط دانشجویان دانشگاه ویرجینیا در ایالات متحده در حال انجام است.

 

منبع:

http://www.roshd.ir/Default.aspx?tabid=293&EntryID=1209&SSOReturnPage=Check&Rand=0