VACTRAIN: DA SWISSMETRO A HYPERLOOP

LA LEVITAZIONE MAGNETICA, MAGLEV (DA MAGNETIC LEVITATION) È UN METODO CON IL QUALE UN OGGETTO È SOSPESO SU DI UN ALTRO OGGETTO SENZA ALCUN SUPPORTO OLTRE AI CAMPI MAGNETICI. 

– Di Andrea Spinosa –

La sola forza elettromagnetica viene usata per contrastare gli effetti della forza gravitazionale: se si riuscisse a rendere questa condizione stabile, sarebbe una condizione ideale per il moto perché eliminerebbe del tutto il problema dell’attrito con il terreno. Samuel Earnshaw nel 1842, dimostrò che un insieme di cariche puntiformi non può essere mantenuta in una configurazione di equilibrio stabile dalla sola interazione elettrostatica delle cariche: è il teorema di Earnshaw che sebbene facesse in origine riferimento a campi elettrostatici, viene considerato soprattutto per i campi magnetostatici. Il teorema si applica ai campi di forza caratterizzati dalla proporzionalità inversa rispetto alla distanza (elettrica e gravitazionale) ma anche alle forze magnetiche dei magneti permanenti e dei materiali paramagnetici, o di loro combinazioni. Il teorema di Earnshaw non presenta eccezioni per ferromagneti permanenti immobili: tuttavia, ferromagneti in movimento, alcuni sistemi elettromagnetici, la pseudo-levitazione e i materiali diamagnetici rappresentano aree su cui il teorema di Earnshaw non si applica, e perciò possono essere viste come eccezioni, benché in realtà esse sfruttino le limitazioni del teorema. Ferromagneti in rotazione (come il Levitron) possono causare levitazione grazie soltanto a ferromagneti permanenti. Invertire la polarità di elettromagneti permette di mantenere un sistema in levitazione attraverso un continuo dispendio di energia: è questo il concetto applicato nei più classici  treni a levitazione magnetica, i Maglev, appunto.

Le tecnologie che si possono usare per realizzare un Maglev sono due:

  • Sospensione elettromagnetica (EMS): utilizza elettromagneti convenzionali montati all’estremità di una coppia di strutture poste sotto il treno che avvolgono i fianchi e la parte inferiore della guidovia. I magneti, attirati verso i binari laminati in ferro, sorreggono il treno. Questo sistema risulta però instabile, perché bisogna controllare costantemente la distanza tra il treno e il binario, che deve essere sempre inferiore a 10 mm.
  • Sospensione elettrodinamica (EDS): il treno raggiunge la levitazione sfruttando le polarità opposte dei magneti del veicolo e gli avvolgimenti posti ai lati del binario, o viceversa. La forza repulsiva si sviluppa in conseguenza del movimento del veicolo e non è attiva a veicolo fermo.

I modelli Maglev proposti al momento utilizzano quindi la tecnologia SED:

  • Il giapponese JR-Maglev, utilizza materiali superconduttori raffreddati fino a 20 K (-253 °C), attraverso dei criostati montati a bordo del veicolo;
  • Inductrack utilizza magneti permanenti anziché avvolgimenti superconduttori, il che rende il veicolo totalmente passivo. La tecnologia è stata inventata presso il Lawrence Livermore National Laboratory dal fisico Richard Freeman Post: è alla fase prototipiale la tecnica di refrigerazione ad elio liquido, in grado di raggiungere una temperatura pari quasi allo zero assoluto (a soli 0,2 K dallo zero assoluto, -273°C). Sono utilizzati magneti permanenti al neodimio ferro boro, a basse velocità la forza di levitazione generata è sufficiente a sollevare 50 volte il peso dei magneti. Una variante utilizza due Array Halbach (una serie di magneti permanenti disposta in modo da rafforzare il campo magnetico lungo la faccia superiore del vettore e nel contempo cancellare per interferenza il campo magnetico della faccia opposta) in modo da raddoppiare il campo magnetico senza incrementare sostanzialmente il peso ed ottenendo una minor richiesta di energia a velocità ridotte.
  • Una terza tecnica allo studio è quella che prevede l’indirizzamento di un flusso di protoni fortemente accelerato verso il magnete permanente (quello ancorato al carrello) tale da accrescerne in maniera esponenziale il campo magnetico. Il vantaggio è quello di poter impiegare magneti più piccoli e leggeri e quindi meno costosi, a spese di un considerevole aumento del consumo di energia elettrica.

maglev_principe_uÈ proprio l’energia la principale voce di costo dei sistemi Maglev: gli attuali sistemi sono stabilizzati da elettromagneti gestiti elettronicamente, che sono molto pesanti e richiedono elevate quantità di corrente elettrica. Se un treno ordinario, globalmente, richiede circa 120 Wh per passeggero km:

  • JR-Maglev 840 Wh per pkm a 120 km/h; 1.100 Wh per pkm a 300 km/h.
  • Indutrack 883 Wh per pkm a 120 km/h; 1.060 Wh per pkm a 300 km/h.

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JR-Maglev in Giappone

In termini di costi energetici lordi di esercizio:

  • ferrovia ordinaria: 9.000 € per Mposti km a 120 km/h; 19.800 € per Mposti/km a 300 km/h.
  • JR Maglev: 12.120 € per Mposti km a 120 km/h; 26.500 € per Mposti/km a 300 km/h.
  • Indutrack: 11.500 € per Mposti km a 120 km/h; 25,200 € per Mposti/km a 300 km/h.

 

SWISSMETRO

Nel 1974, Rodolphe Nieth, sviluppa il progetto Swissmetro: una metropolitana a levitazione magnetica per unire le principali città svizzere. L’idea piace e nel 1981 riceve il sostegno di un gruppo di professori del Politecnico di Losanna. Dopo un periodo di progettazione, nel 1985, Swissmetro viene presentato in Parlamento: il costo totale delle linee San Gallo-Ginevra (326 km) e Basilea-Chiasso (195 km) è stimato in 25 miliardi di franchi svizzeri. I costi sono considerati troppo elevati (99.2 miliardi di euro del 2016 pari a 190 M€/km) e il Consiglio federale respinge lo studio di fattibilità.

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Swissmetro torna nel 1991, quando un nuovo studio di fattibilità sempre del Politecnico di Losanna descrivono una nuova soluzione per un Swissmetro come possibile e redditizio. Con un costo di 25 miliardi di euro (2016) l’asse San Gallo-Ginevra (77 M€/km) avrebbe una redditività tale da essere proponibile per il 40% al finanziamento privato. L’anno seguente nasce la società Swissmetro AG, ma lo scetticismo continua.

Nel 1997 Swissmetro AG chiede una concessione per la costruzione di un percorso pilota tra Ginevra e Losanna, che viene accordata qualche anno dopo dal Consiglio federale a patto che si reperiscano fonti certe di finanziamento. Swissmetro subisce una seria battuta d’arresto nel 2003 quando il ministro dei trasporti, Moritz Leuenberger, esprime pubblicamente le sue perplessità sulla possibilità di sviluppare il progetto.

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Transrapid a Shanghai

TRANSRAPID

Nel frattempo il Maglev, da prototipo tedesco, è diventato realtà: nel 2004 viene inaugurato il Transrapid di Shanghai. Per i 30.5 km da Lóngyáng Lù Zhàn all’aeroporto internazionale di Pudong sono stati spesi 10 miliardi di yuan pari a 1.9 miliardi di euro (2016) ovvero 59 M€/km.

La Datai Line (o linea S1) di Pechino, è la prima linea di trasporto suburbano (e non point-to-point) a implementare questa tecnologia. Dopo una lunga gestazione si decise per un Maglev a bassa velocità (105 km/h) anche per contenere l’impatto acustico dell’esercizio in un’area densamente abitata. Il primo Maglev all-made-in-Cina (CHR corporation) ha un costo di 5.7 miliardi di yuan per 18.9 km (40 M€/km) con 10 fermate.

ROBERT GODDARD

Questi Maglev implementano la levitazione magnetica in condizioni ordinarie: abbiamo visto però che l’ordinarietà ha un prezzo in termini di peso e quindi di energia consumata. La condizione ideale era quella dello Swissmetro: la costruzione di linee Maglev all’interno di tunnel dove si eliminerebbe l’attrito dell’aria praticando un vuoto costante. Robert Goddard (1882 – 1945) è stato uno scienziato statunitense e pioniere della missilistica moderna. Il suo lavoro, seppure ben argomentato, fu così rivoluzionario che le sue teorie vennero trattate con scetticismo e diffidenza. Dopo la sua morte furono scoperti numerosi disegni relativi ad un progetto di linea ferroviaria a levitazione magnetica inserita in tubi sottoposti a vuoto spinto tra New York e Boston: per Goddard sarebbe stato possibile raggiungere i 1.600 km/h per un tempo di viaggio di appena 12 minuti. L’idea si innestò sulla suggestione dei treni proiettile (Shinkansen) che il Giappone stava realizzando in quel periodo ed ebbe facile presa sui media.

ROBERT M. SALTER

I progetti dei Vacuum Train (VacTrain) apparivano spesso nei titoli dei giornali durante gli anni Settanta quando uno tra i principali sostenitori, Robert M. Salter della Rand corp., pubblicò una serie di elaborati articoli che esploravano molti dei suoi aspetti ingegneristici, nel 1972 e di nuovo nel 1978. In un’intervista apparsa sul Los Angeles Times dell’11 giugno 1972), Salter espose  la relativa facilità con la quale il governo statunitense avrebbe potuto costruire un sistema di trasporto interurbano, utilizzando tecnologie già disponibili all’epoca. Dal momento che i treni a levitazione erano scarsamente sviluppati dal punto di vista ingegneristico a quel tempo, lui proponeva ruote in acciaio. Salter metteva in risalto anche come questo tipo di sistema avrebbe aiutato a ridurre il danno ambientale causato all’atmosfera dall’aviazione e dal trasposto su strada in termini di emissioni nocive. Salter affermava che la Very High Speed Transportation  (sotto forma di navette all’interno di tubi sotterranei) fosse il “prossimo passo più logico per la Nazione”. Come per il successivo Swissmetro nessuno di questi piani vide mai la prosecuzione allo stadio pre-progettuale.

PLANETRAN

cityrailways-PlanetranLa proposta più suggestiva fu il Planetran, un servizio di metropolitana trans-continentale tra Los Angeles e New York City in appena 54 minuti. Il tunnel sarebbe stato scavato ad una profondità di alcune centinaia di metri in formazioni di roccia molto solida e stabile. Il processo di costruzione si sarebbe servito di guide laser per assicurare il perfetto allineamento e l’utilizzo di scavatrici con perforatori in tungsteno per polverizzare le formazioni di roccia ignea. Dentro il tunnel si sarebbe mantenuto un vuoto parziale per minimizzare l’attrito. Si ipotizzavano velocità medie di 4.800 km/h che avrebbero sottoposto i passeggeri a forze fino a 1,4 volte quella della gravità, richiedendo l’utilizzo di compartimenti con sospensione cardanica, capaci di assetto variabile di tutta la cabina del treno oppure dei compartimenti interni. L’enorme costo di costruzione (tra 300 e 500 miliardi di euro per 4.130 km ad un costo compreso tra 70 e 100 M€/km) è stato l’argomento principale che decretò la non sostenibilità della proposta di Salter.

ELON MUSK E L’HYPERLOOP

Elon Musk, visionario imprenditore, co-fondatore di PayPal, fondatore e amministratore delegato di Tesla Motor e Space X, poteva sfuggire al fascino dei treni supersoni? Nel 2014 annuncia l’intenzione di voler collegare Los Angeles a San Francisco con un treno ad alta velocità di nuova concezione in grado di coprire i 560 km di distanza che separano le due città in soli 30 minuti. Così mentre il Giappone annuncia che il primo sistema JR-Maglev (che in fase sperimentale ha raggiunto i 603 km/h) sarà in servizio nel 2027, Musk presenta Hyperloop, un VacTrain smart, a basso attrito che consumerà così poca corrente da poter essere alimentato esclusivamente dai pannelli solari installati sul tetto.

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Hyperloop viene presentato come un rivoluzionario mezzo di trasporto più vicino ad una cabinovia o a un ascensore orizzontale: al posto di lunghi convogli ci sono piccoli gusci che partiranno ogni volta che uno o più passeggeri saliranno a bordo. Queste informazioni hanno scatenato l’immaginazione degli esperti, secondo i quali il treno si muoverà su un percorso ad anello: probabilmente si tratterà di un tubo sigillato ermeticamente all’interno del quale ci sarà il vuoto: in questo modo si potrebbe ridurre quasi a zero l’attrito di capsule a levitazione magnetica. “Creando il vuoto all’interno del condotto si potrebbe, almeno teoricamente, spingere i vagoncini a velocità altissime, ben superiori agli attuali 500 km/h dei più veloci treni a levitazione magnetica” spiega Jim Powell, direttore di Maglev 3000 e progettista del treno più veloce del mondo.

I problemi di un progetto così ambizioso sono molteplici e notevoli, primo tra tutti le curve. Il “supertreno” dovrebbe infatti viaggiare a più di 1000 km/h e a velocità simili ogni piccolo cambiamento di traiettoria sottopone i passeggeri ad accelerazioni di decine di g. La soluzione? Studiare un percorso il più possibile rettilineo, il che significa dover fare i conti con centri abitati e insediamenti industriali. ET3, una società americana che ha già costruito diversi prototipi di “metropolitane sottovuoto”, invece che tunnel a grande profondità (come nelle visioni di Goddard o Swissmetro) propone tubi montati su pilastri di cemento armato alti quanto basta a seguire una livelletta il più possibile regolare.

SUGGESTIONI

L’olandese Energy Research Centre (ECN), prevede di costruire una rotaia sotterranea dentro un tunnel circolare con un raggio di 25 km che unirebbe le principali città del Randstad (l’area metropolitana circolare Rotterdam-L’Aia-Amsterdam-Utrecht). All’interno del tunnel, mantenuto sottovuoto, corre un treno sospeso realizzato appunto secondo il principio dei Maglev e capace di raggiungere i 2.000 km/h. I progettisti lo definiscono “di pura massa”: non sarebbe un treno nel senso tradizionale del termine, quanto di un oggetto privo di spazi interni, una massa in movimento, appunto. Quando le fonti di energia rinnovabile collegate alla rete nazionale producono più energia di quanta ne sia consumata al momento, questo surplus viene convogliato sottoterra per alimentare la corsa del Maglev. Quando invece la richiesta di corrente supera la disponibilità, l’energia cinetica del treno – che ormai procederebbe per forza di inerzia – viene riconvertita in elettricità e riversata nella rete. Ma il fine di questo progetto sarebbe un altro: lo stoccaggio energetico su un gigantesco volano. Stando alle previsioni, la resa di questo originale sistema di accumulo sarebbe altissima e permetterebbe di conservare il 10% del fabbisogno quotidiano dell’intero Paese, in modo da compensare le fluttuazioni della produzione di elettricità. Il Maglev potrebbe immagazzinare 2,5 GW di potenza per otto ore, o 400 MW per 48 ore.

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HYPERLOOP PER TRE

Hyperloop è l’unico concept che però va avanti. Due società stanno avanzando parallelamente a livello prototipiale. Hyperloop One, già Hyperloop Technologies, ha realizzato il sito Propulsion Open Air Test all’interno di un’ex area industriale di North Las Vegas, in Nevada (USA). Qui, su una pista lunga un chilometro, sta testando un VacTrain progettato per raggiungere una velocità massima di 540 km/h. La proposta di Hyperloop One è una linea da Los Angeles a Las Vegas (430 km). Dal maggio 2016, Rossijskie železnye dorogi, le Ferrovie Russe, hanno iniziato una collaborazione con Hyperloop One per la progettazione di una tratta VacTrain, esclusivamente merci, tra le città di Mosca e San Pietroburgo (667). 

Hyperloop Transportation Technologies (HTT), di Elon Musk, sta invece lavorando al prototipo per una dorsale californiana Los Angeles-San Francisco (595 km). È sua la prima elaborazione progettuale di VacTrain alla Hyperloop: un tubo in acciaio depressurizzato sopraelevato in viadotto su plinti, nel quale corrono cabine a levitazione magnetica. Alla progettazione di questo concept hanno lavorato ingegneri di Tesla e SpaceX. Musk ha invitato chiunque volesse farlo a presentare la propria idea per migliorare od ottimizzare gli aspetti più delicati di Hyperloop: in cambio ha annunciato che Hyperloop sarebbe stato sviluppato in logica opensource.

Hyperloop è un VacTrain “moderato”: la pressione è di 100 Pa (1 mB) contro una pressione esterna standard di 1.013,25 hPa (ovvero 1.013 mB).  Le capsule di Hyperloop galleggiano su dischi di aria compessa di spessore 0,5-1,3 mm (simili a dischi da hockey). Un motore asincrono lineare steso su tutto il percorso, permette alla capsula di accelerare e rallentare. Sul muso della capsula è installato un ventilatore/compressore che trasferisce letteralmente l’aria compressa dal veicolo in movimento dal fronte al retro della capsula attraverso delle scanalature laterali (deflettori). questo meccanismo aeraulico (ripreso dagli hovercraft, che planano sull’acqua con grandi ventilatori) restituisce per effetto portanza parte della pinta al veicolo riducendo considerevolmente la frenatura per attrito con l’aria.

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La versione alfa di Hyperloop vede capsule circolari di 223 cm di diametro – solo trasporto passeggeri e non merci – procedere ad una velocità massima di 760 mph (1.220 km/h). L’accelerazione massima subita da un passeggero sarebbe pari a 0.5 g (3 volte quella di un aereo in decollo): a questo livello non dovrebbe sentirsi il boato sonico, l’assordante suono prodotto dal cono di Mach generato dalle onde d’urto create da un oggetto che si muove, in un fluido, con velocità superiore alla velocità del suono (343,8 m/s pari a 1.237,68 km/h a 20 °C). In tema di accelerazione si pensi che la mitica Ejection Seat di tanti luna-park – una fionda che ti lancia a 30-50 metri d’altezza in poco più di un secondo (precisamente in 1,2 secondi) raggiunge una accelerazione di 4,8 g, di poco superiore a quella subita dai piloti alla partenza di una gara di Formula 1.

Una delle critiche principali ad Hyperloop è quella che per raggiungere velocità superiori ai 500 km/h mantenendo una certa qualità di viaggio (accelerazione < 0.5 g) il tracciato minimo tra un terminale e l’altro non può essere inferiore a 300 km: per esempio tra Los Angeles e San Francisco non potrebbero esserci fermate intermedie. Ad eccezione di chi vive entro 10 km dalla stazione terminale, i passeggeri che vivono lungo il percorso dovrebbero essere costretti ad un viaggio aggiuntivo per raggiungere il terminale più vicino: in questo modo il tempo totale di viaggio potrebbe essere maggiore che nello scenario zero. Questo problema caratterizza già il vettore aereo: la tratta LAX-SFO ha un tempo di percorrenza medio superiore del 30% rispetto al viaggio diretto in auto di un ipotetico residente nel bacino delle due aree metropolitane.

Nell’ottobre 2013un gruppo di esperto ha dimostrato, con una modellazione in OpenMDAO (Nasa), che il tubo dovrebbe essere considerevolmente più grande (4 metri di diametro) per evitare il flusso supersonico tra la capsula e il condotto. Stessa conclusione in un secondo studio del 2015, sempre su OpenMDAO: tubo più largo e velocità mai superiore a 0.85Match (1.0151 km/h). I dissipatori di calore posti alla base della capsula non sembrerebbero necessari anche in considerazione del peso notevole: la dissipazione avverrebbe comunque per irraggiamento diffuso facendo innalzare la temperatura del condotto di circa 25°C rispetto alla temperatura ambientale.

In una recente conferenza stampa, Musk ha dichiarato che Hyperloop appare estremamente interessante per una futura applicazione come vettore merci su Marte (le prime missioni sono attese nel 2030) dove la pressione atmosferica è proprio l’1% di quella terrestre e non ci sarebbe bisogno del vuoto.

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TransPod, società canadese, sta lavorando ad un corridoio Hyperloop Montréal-Toronto e presenterà il suo veicolo in scala 1:1 all’Innotrans 2016 di Berlino.

Il Governo Slovacco ha stretto un accordo con HTT per il progetto di una rete Hyperloop tra le capitali asburgiche: Bratislava, Vienna e Budapest.

Ed i costi?

Il libro bianco realizzato per la promozione del progetto Los Angeles-San Francisco, con un plafond di 7,4 milioni di passeggeri anno (24.670 per giorno feriale), vede una buona solidità finanziaria già con un biglietto di sola andata a 20$ (tempo di ritorno a 20 anni di esercizio). Molti tecnici sottolineano però che il prezzo di 6 miliardi  di dollari (9 milioni al km) sottovaluti pesantemente il peso della progettazione, dei costi delle opere ambientali e della sicurezza. Alcuni analisti ritengono plausibile una stima almeno 2 o 3 volte superiore (si pensi a opere come il tunnel del Gottardo, dove i costi accessori sono il doppio dei costi tecnici di realizzazione dell’opera).

Ci sono poi non poche perplessità circa la psicometria del viaggio: non è detto che l’utenza calcolata su modi di viaggio tradizionali sia la stessa per Hyperloop. In recenti esperienze su vettori non tradizionali come le cabinovie urbane si è potuto constatare che l’altezza e la qualità del viaggio (oscillazioni) possono ridurre anche del 40% la domanda. Figuriamoci nel caso di una capsula, senza finestre che viaggia con accelerazioni/decelerazioni (sarebbe irrealistico un viaggio su una traiettoria completamente rettilinea tutto a piena velocità) più intense di quelle di un aereo in fase di decollo o atterraggio in cui, anche un’oscillazione laterale di un solo mm, porterebbe ad una accelerazione laterale tale da rendere impossibile alzarsi, sgranchirsi le gambe o andare in bagno. Questo in aggiunta alle precauzioni in termini di sicurezza e gestione delle emergenze che appesantiscono non poco la progettazione di vettori molto più lenti: si pensi alla protezione della capsula da un qualunque urto accidentale oppure alle modalità di evacuazione.

Ma l’ingegneria è proprio questo: risoluzione delle sfide. Certo i treni continueranno ad esistere almeno per un’altra ventina d’anni ma Hyperloop senza dubbio avrò molto da dire.

Riferimenti:
http://www.spacex.com/hyperloop | https://hyperloop-one.com/ | http://hyperlooptransp.com/#!/

 

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