Muchos trenes que levitan magnéticamente son comunes en la actualidad. Sin embargo, el tren Maglev desarrollado por la Central Japan Railway Company es único y superior a otros trenes que corren a más de 600 kilómetros por hora. Este tren ha logrado el título del tren más rápido. Utiliza imanes superconductores, por eso se le llama SC Maglev.
Una vez cargados con una corriente emocionante, los imanes superconductores de este tren producen una corriente continua circulante y un campo magnético fuerte sin ninguna pérdida. Entendamos más sobre esta tecnología de tren que ha sido probada con éxito y se espera que supere a otras tecnologías de levitación magnética para el año 2027. Se proyecta que esta misma tecnología conecte la ciudad de Nueva York con Washington D.C. en solo una hora para el año 2030.
Objetivos de un tren de levitación magnética
Para operar con éxito un tren de levitación magnética, debemos cumplir con estos tres objetivos:
- Propulsión
- Levitación
- Guiado
Todavía no hemos entrado en los detalles sobre cómo el tren SC Maglev logra estos objetivos, así que estudiemos primero el corazón de este tren: los imanes superconductores.
Imanes Superconductores
Los trenes de levitación requieren electromagnetos extremadamente potentes. Cuanto más fuertes sean los imanes, mayor será la fuerza de levantamiento y la fuerza de propulsión, lo que resultará en una mayor velocidad del tren. Un electroimán normal no puede aumentar el valor de corriente más allá de cierto límite debido al problema del calentamiento. En los electroimanes superconductores, la temperatura del conductor se reduce por debajo de un límite crítico. Después de esto, el material produce repentinamente una gran cantidad de flujo de corriente sin resistencia. Ese resultado es exactamente lo que deseamos.
Lo interesante es que solo necesitas cargar la bobina superconductora una vez, utilizando una corriente emocionante, para que las bobinas en cortocircuito produzcan una corriente continua circulante para siempre, sin ninguna pérdida de energía. La corriente circulada por las bobinas superconductoras es enorme, 700 kiloamperios, casi 10,000 veces el valor de corriente de los cables de cobre convencionales del hogar. Los electromagnetos superconductores son obviamente los electromagnetos más potentes y eficientes.
El desafío es mantener las bobinas en un estado superconductor. Para este propósito, se utiliza un sistema de refrigeración a bordo basado en helio líquido. El superconductor en el tren SC Maglev es una aleación de niobio-titanio con una temperatura crítica de 9.2 kelvin. Para mantener la temperatura de la aleación por debajo de este límite, se circula helio líquido a una temperatura de 4.5 kelvin. Después de pasar por el conductor, el helio líquido se evapora para volver al estado inicial. Se utiliza un compresor de helio y una unidad de refrigeración.
La unidad de refrigeración funciona sobre el principio del ciclo de refrigeración de Gilford-McMahon. Aunque el departamento de criogenia ha cumplido su tarea de ingeniería, el superconductor puede absorber calor del exterior en forma de radiación. Para evitar esta absorción, se agrega un escudo de radiación alrededor del superconductor. Sin embargo, durante la operación del tren, pueden ocurrir problemas de formación de corriente y calentamiento en este escudo.
Para neutralizar este calentamiento, el escudo de radiación también necesita refrigeración, que se logra suministrando nitrógeno líquido a la unidad. Para evitar la transferencia de calor por convección, se mantiene un vacío en el interior del escudo de radiación. Cuatro de estos superconductores con polaridad de corriente opuesta se colocan en una unidad.
Propulsión del tren
Propulsar el tren hacia adelante es una tarea sencilla. Para ello, utilizamos una serie de electromagnetos normales llamados bobinas propulsoras. Las bobinas propulsoras se alimentan de una manera alternativa y se colocan dentro de una vía guía. A continuación, debemos determinar la fuerza que las bobinas propulsoras ejercen sobre los imanes superconductores del tren.
Para comprender la dirección de la fuerza que un imán produce en otro, solo debes considerar los polos más cercanos. Analicemos la fuerza que actúa sobre las bobinas superconductoras debido a las bobinas propulsoras. Si sumas el resultado de todas estas fuerzas, la fuerza neta será en la dirección hacia adelante.
Así que el tren se mueve hacia adelante. Tan pronto como el tren llegue a la siguiente posición media, cambia la polaridad de los electromagnetos para que la fuerza neta vuelva a ser en la dirección hacia adelante. Simplemente controlando la frecuencia de este cambio de polaridad, puedes controlar la velocidad del tren.
Levitación del tren
La levitación de los trenes SC Maglev se logra con la ayuda de simples bobinas en forma de ocho que ni siquiera están energizadas. Muchas de estas bobinas en forma de ocho se disponen en la vía guía. Para entender la tecnología de levitación, primero debemos comprender algo sobre la naturaleza de un par de imanes superconductores. El campo magnético resultante producido por este par de imanes superconductores se asemeja mucho a un imán de barra largo.
Para simplificar el análisis, reemplacemos este par con un imán de barra largo. Si un imán de barra se mueve en paralelo a estas bobinas en forma de ocho, ¿puedes predecir qué sucederá? El flujo magnético variable inducirá una fem en ambos bucles según la ley de Faraday. ¿Estas fem son en la misma dirección? Ten en cuenta que esto es una bobina retorcida y solo cuando la desenrolles entenderás la dirección correcta.
Es claro que las fem inducidas son opuestas en dirección, lo que significa que la fem neta inducida en esta bobina debido al movimiento del imán de barra es cero y no fluirá corriente a través del bucle. En resumen, un imán de barra que se mueve a través del centro del bucle no tendrá ningún efecto en el bucle. Ahora considera el mismo caso, pero esta vez el imán está ligeramente desplazado del bucle, como se muestra aquí.
El bucle inferior se enfrenta a un flujo magnético de mayor intensidad, lo que significa que la fem inducida en el bucle inferior será mayor que en el bucle superior. Esta mayor intensidad también significa que fluirá una corriente neta a través del bucle. Este flujo de corriente produce un polo sur en el bucle superior y un polo norte en el bucle inferior. Si analizamos la interacción de fuerzas entre los polos magnéticos, está claro que se impone una fuerza resultante hacia arriba en el imán superconductor. Si esta fuerza es mayor que la fuerza de gravedad, el imán se moverá hacia arriba. Sí, el movimiento de un imán superconductor en paralelo y desplazado a una bobina en forma de ocho produce levitación.
A medida que el imán se mueve hacia arriba, la diferencia entre los valores de fem y el flujo de corriente en el bucle disminuye, lo que significa que la fuerza en el bucle también disminuye. Finalmente, cuando la fuerza hacia arriba se iguala a la fuerza de gravedad, el imán se equilibra, es decir, el tren ha logrado la levitación. Los ingenieros japoneses lograron una levitación de 3,9 pulgadas utilizando esta tecnología.
Es evidente que cuanto mayor sea la velocidad del tren, mayor será la fuerza de levitación, lo que significa que cuando el tren está en reposo, no puede levitar. Por eso, el tren SC Maglev utiliza neumáticos normales para el arranque y la operación a baja velocidad. Cuando el tren alcanza una velocidad crítica, los neumáticos se retraen ya que la fuerza electromagnética es lo suficientemente fuerte como para levitar el tren.
Guiado del tren
El guiado significa que el tren siempre debe estar centrado y moverse sin golpear las paredes laterales, es decir, debe lograr estabilidad lateral. Los ingenieros japoneses lograron esta estabilidad interconectando las bobinas en forma de ocho que vimos anteriormente, como se muestra. Si el tren está en el centro, las fem inducidas en las bobinas derecha e izquierda serán iguales y no fluirá corriente a través de las bobinas interconectadas.
Sin embargo, supongamos que el tren se ha desplazado ligeramente hacia la derecha. Este cambio provocará una diferencia de fem entre las bobinas derecha e izquierda, lo que hace que las bobinas interconectadas tengan flujo de corriente. El flujo de corriente a través de las bobinas interconectadas afectará drásticamente el flujo de corriente en ambos bucles inferiores y, por lo tanto, la fuerza de los polos de cada bucle. Analicemos ahora las fuerzas que actúan sobre el tren. Ahora puedes ver que las componentes verticales de las fuerzas permanecen iguales, pero aparece una componente horizontal neta hacia la izquierda, que obliga al tren a volver al centro.
A medida que el tren se acerca al centro, las corrientes en los bucles interconectados disminuyen y finalmente desaparece la componente horizontal de la fuerza. Qué mecanismo tan fácil y brillante para estabilizar el tren. A partir de la discusión hasta ahora, debes comprender que el sistema criogénico del tren y los demás dispositivos eléctricos del tren requieren una gran cantidad de energía eléctrica. ¿Cómo transfieres energía eléctrica a un tren de alta velocidad? La Central Japan Railway utilizó una técnica llamada recolección de energía inductiva para esto.
Aquí, utilizando el principio de inducción electromagnética, la energía eléctrica se transfiere desde las bobinas en el suelo hasta la bobina de recolección de energía en el tren sin contacto material. El fuerte campo magnético que producen los imanes superconductores puede tener efectos perjudiciales para los pasajeros. Para evitar este efecto no deseado, se utilizan escudos magnéticos en los vagones y en las instalaciones de embarque de pasajeros, lo que mantiene la fuerza del campo magnético por debajo de las pautas de ICN IRP.
Pruebas y futuro del tren SC Maglev
Las pruebas de los viajes en tren del SC Maglev comenzaron en 1997 en la línea de pruebas Yamanashi Maglev. Los viajes de prueba fueron bastante exitosos y continuaron durante 10 años consecutivos sin perder ni un solo día. Durante este tiempo, se logró un récord mundial de velocidad de 603 kilómetros por hora.
Estos resultados altamente positivos animaron a las autoridades japonesas y se les otorgó permiso para llevar a cabo operaciones comerciales con trenes SC Maglev entre Tokio y Nagoya para el año 2027, con la idea de agregar más trenes SC Maglev en el futuro. La tecnología del tren SC Maglev gira en torno a la física de la superconductividad, que es un fenómeno sorprendente y asombroso.
