L0 Series Shinkansen: Το νέο Ιαπωνικό υπερ-τραίνοΤο L0 (Ελ Ζέρο) είναι ένα τραίνο µαγνητικής αιώρησης (maglev) υπερ-υψηλών ταχυτήτων της Εταιρείας Σιδηροδρόµων Κεντρικής Ιαπωνίας (Central Japan Railway Company, JR Central), το οποίο βρίσκεται στο στάδιο των δοκιµών και προβλέπεται να χρησιµοποιηθεί στην νέα υπερταχεία γραµµή Chūō Shinkansen που θα συνδέει το Τόκυο µε την Οζάκα. Ηδη κατασκευάζονται 14 δοκιµαστικά οχήµατα (προ παραγωγής) από τις εταιρείες Mitsubishi Heavy Industries και Nippon Sharyo (θυγατρική της JR Central). Tο τραίνο είναι σχεδιασµένο να αναπτύσσει ταχύτητα 500 km/h, εξασφαλίζοντας χρόνο διαδροµής µεταξύ του Τόκυο (Σταθµός Shinagawa) και της Nagoya µόλις 40 λεπτών (απόσταση 260 km), και µεταξύ του Τόκυο και της Οζάκα, µόλις 67 λεπτών. Το πρώτο όχηµα της σειράς L0 µεταφέρθηκε στην γραµµή δοκιµών maglev στο Yamanashi και επιδείχθηκε στους δηµοσιογράφους τον Νοέµβριο του 2012. Τα πέντε πρώτα οχήµατα συνδέθηκαν και τοποθετήθηκαν στην γραµµή τον Ιούνιο του 2013 και άρχισαν τις δοκιµαστικές διαδροµές στην µήκους 42.8 km γραµµή δοκιµών, αµέσως µετά την ολοκλήρωση των εργασιών επέκτασης και αναβάθµισής της, τρεις µήνες ενωρίτερα από την προβλεπόµενη προθεσµία. Η µέγιστη ταχύτητα των δοκιµαστικών διαδροµών, µέχρι τα τέλη Ιουλίου 2013, αυξανόταν σταδιακά, µέχρι την µέγιστη τιµή σχεδιασµού, τα 500 km/h. Στον συρµό δοκιµών προστέθηκαν άλλα δύο βαγόνια τον Σεπτέµβριο του 2013, ενώ από τις 25 Ιουνίου 2014 άρχισαν οι δοκιµές µε συρµό 12 οχηµάτων. Από τον Νοέµβριο του 2014 άρχισαν δοκιµές επίδειξης/αξιολόγησης µε συµµετοχή του κοινού.1/6Οι λάτρεις των τρένων στην Ιαπωνία έχουν τη δυνατότητα να ζήσουν την εµπειρία της απίστευτης ταχύτητας που αναπτύσουν τα “µαγνητικά τρένα” καθώς είναι σε εξέλιξη οι σχετικές δοκιµές για το κοινό, στην Κεντρική Ιαπωνία Η Σιδηροδροµική Εταιρεία Κεντρικής Ιαπωνίας ανακοίνωσε 8 ηµέρες δοκιµών για το πειραµατικό τρένο µαγνητικής αιώρησης Shinkansen 100 επιβάτες ήδη δοκίµασαν µια διαδροµή 42,8 km µεταξύ των πόλεων Uenohara και Fuefuki µε ταχύτητες που “άγγιξαν” τα 500 km/h. Η νέα γραµµή υπερ-υψηλών ταχυτήτων Tokyo - Nagoya προβέπεται να λειτουργήσει το 2027. Τα τραίνα τεχνολογίας L-Zero αναπτύσσουν αρχικά ταχύτητα 160 km/h κινούµενα επί ελαστικών τροχών, η οποία απαιτείται για την έναρξη λειτουργίας του συστήµατος µαγνητικής αιώρησης και στην συνέχεια επιταχύνονται βαθµιαία στην εκπληκτική ταχύτητα των 500 km/h.2/6Η τεχνολογία Maglev (από τις λέξεις magnetic levitation, δηλ. µαγνητική αιώρηση) παρέχει την δυνατότητα κίνησης εντός µαγνητικών πεδίων, χωρίς να απαιτούνται τροχοί, άξονες και έδρανα. Ισχυροί υπεραγώγιµοι µαγνήτες που βρίσκονται κάτω από τις ράγες ανυψώνουν το όχηµα σε µικρή απόσταση από την γραµµή-οδηγό και κατάλληλη διαµόρφωση εναλασσοµένων µαγνητικών πεδίων παρέχει την απαιτούµενη πρόωση. Τα τραίνα Maglev κινούνται πιο οµαλά και αρκετά πιο αθόρυβα από τους τροχοφόρους συρµούς. Η κίνησή τους δεν εξαρτάται από την έλξη και την τριβή και ως εκ τούτου µπορούν να αναπτύξουν µεγαλύτερες επιταχύνσεις, ενώ παράλληλα δεν επηρεάζονται από τις καιρικές συνθήκες. Η ισχύς που απαιτείται για την ανύψωση των οχηµάτων αποτελεί σηµαντικό ποσοστό της συνολικής απαιτούµενης ισχύος µέρος. Το µεγαλύτερο µέρος της ισχύος απαιτείται για την αντιστάθµιση της αντιστάσεως του αέρα, όπως άλλωστε συµβαίνει µε όλα τα µεταφορικά µέσα υψηλών ταχυτήτων. Είναι γεγονός ότι οι συµβατικοί τροχοφόροι συρµοί µπορούν πλέον να κινούνται πολύ γρήγορα, όµως τα συστήµατα maglev επιτρέπουν την ανάπτυξη υψηλότερης µέγιστης ταχύτητας από ότι επιτρέπουν οι σιδηροτροχιές. Θεωρητικά, ένα τραίνο maglev κινούµενο εντός σωλήνα υπό κενό (vacuum tube train) επιτρέπει την ανάπτυξη ταχυτήτων άλλης τάξεως µεγέθους! Βέβαια τέτοιου τύπου γραµµές δεν έχουν κατασκευασθεί µέχρι σήµερα, τουλάχιστον σε εµπορικώς εκµεταλλεύσιµη κλίµακα, διεξέγονται διάφορες έρευνες για την µελέτη και ανάπτυξη των "super-maglev" τραίνων. Συγκρινόµενα µε τα συµβατικά τροχοφόρα τραίνα, τα τραίνα maglev εµφανίζουν κατασκευαστικές διαφορές που επηρεάζουν σηµαντικά τα οικονοµικά δεδοµένα του συστήµατος συρµός-γραµµή. Στην περίπτωση των συµβατικών τραίνων υψηλών ταχυτήτων η αποµείωση και φθορά λόγω τριβής σε συνδυασµό µε τα κρουστικά φαινόµενα µεταξύ τροχού και γραµµής (hammer effect) επιταχύνει την υποβάθµιση του εξοπλισµού και παρεµποδίζει την ανάπτυξη υψηλοτέρων ταχυτήτων. Αντίθετα, οι γραµµές των τραίνων maglev είναι σηµαντικά υψηλοτέρου κόστους κατασκευής, αλλά απαιτούν πολύ λιγότερη συντήρηση, ενώ και το λειτουργικό τους κόστος είναι µικρότερο. Τρένα µαγνητικής αιώρησης δοκιµάζονται σε διάφορες χώρες από τη δεκαετία του 1970, ωστόσο το υψηλό κόστος και οι τεχνικές δυσκολίες περιορίζουν τις εµπορικές τους εφαρµογές.3/6Σήµερα υπάρχουν µόνο τρεις γραµµές µαγνητικής αιώρησης που λειτουργούν σε εµπορική βάση -η µία εξυπηρετεί το αεροδρόµιο της Σαγκάης µε µέση ταχύτητα 266 χιλιοµέτρων ανά ώρα, ενώ οι άλλες δύο καλύπτουν σύντοµες διαδροµές στο Ντεετζόν της Νοτίου Κορέας και στο Αΐτσι της Ιαπωνίας. Το ρεκόρ ταχύτητας ανήκει σε ένα ιαπωνικό maglev που πέτυχε το 2003 µέγιστη ταχύτητα 581 km/h.Τα συστήµατα µαγνητικής αιώρησης διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Συστήµατα ηλεκτροµαγνητικής ανάρτησης (Electromagnetic suspension, EMS)Σύστηµα EMS του τραίνου Transrapid.Στα σύγχρονα συστήµατα ηλεκτροµαγνητικής ανάρτησης (EMS) το τραίνο ανυψώνεται πάνω από τις σιδηροτροχιές µέσω ενσωµατωµένων στο πλαίσιό του ηλεκτροµαγνητών, οι οποίοι επενεργούν επί των σιδηροτροχιών εκ των κάτω. Τα συστήµατα αυτά περιλαµβάνουν βραχίονες σχήµατος C, το άνω µέρος των οποίων στηρίζεται στο όχηµα και το κάτω, µε τους ηλεκτροµαγνήτες, περνάει κάτω από την τροχιά. Η τροχιά περικλείεται στο εσωτερικό των βραχιόνων αυτών. Η µαγνητική έλξη είναι αντιστρόφως ανάλογη προς τον κύβο της απόστασης, οπότε µικρές αλλαγές στην απόσταση µεταξύ µαγνητών και τροχιάς έχουν ως αποτέλεσµα σηµαντικές αλλαγές των αναπτυσσοµένων δυνάµεων. Οι διακυµάνσεις αυτές οδηγούν σε δυναµική αστάθεια: όταν επέλθει απόκλιση από την βέλτιστη θέση αρχίζουν ταλαντώσεις λόγω συνεχούς µεταβολής των αναπτυσσοµένων δυνάµεων. Για την αντιµετώπιση του προβλήµατος αυτού χρησιµοποιούνται πολύπλοκα συστήµατα ανάδρασης/ελέγχου (feedback/control), ώστε το όχηµα να διατηρείται σε σταθερή απόσταση από την τροχιά, συνήθως 15 mm.4/6Συστήµατα ηλεκτροδυναµικής ανάρτησης (Electrodynamic suspension, EDS)Η λειτουργία των συστηµάτων EDS βασίζεται στην ανάπτυξη µαγνητικών πεδίων εξ επαγωγής, µεταξύ του διερχοµένου οχήµατος και των παραπλεύρων εκατέρωθεν οδηγών, από τους υπεραγώµους µαγνήτες που είναι εγκατεστηµένοι στο όχηµα.Τα δηµιουργούµενα πεδία είναι εναλασσόµενα και ωθούν τον συρµό προς την επιθυµητή κατεύθυνση.Στα συστήµατα ηλεκτροσυναµικής ανάρτησης (EDS), τόσο η τροχιά, όσο και το τραίνο παράγουν µαγνητικά πεδία και το όχηµα ανυψώνεται υπό την επενέργεια της ελκτικής και της απωθητικής δύναµης που αναπτύσσεται µεταξύ των δύο µαγνητικών πεδίων. Σε κάποιες από τις διαµορφώσεις που έχουν δοκιµασθεί, το τραίνο ανυψώνεται µόνον υπό την επενέργεια απωθητικών δυνάµεων. Κατά τα αρχικά στάδια της ανάπτυξης των συρµών maglev στην δοκιµαστική γραµµή Miyazaki χρησιµοποιήθηκε η αµιγώς απωθητική διάταξη, όµως στην συνέχεια υιοθετήθηκε η ελκτική/απωθητική διάταξη EDS. Πολλοί νοµίζουν ότι τα συστήµατα EDS είναι µόνον απωθητικού τύπου, αλλά αυτό είναι ανακριβές. Tο µαγνητικό πεδίο στο τραίνο παράγεται είτε µε υπεραγώγιµους ηλεκτροµαγνήτες (όπως στην περίπτωση του JR-Maglev), ή από µια συστοιχία µονίµων µαγνητών (όπως στην περίπτωση του Inductrack). Οι ελκτικές και απωθητικές δυνάµεις στην ροχιά σηµιουργούνται από την ανάπτυξη ρεύµατος εξ επαγωγής σε πηνία ή αγώγιµες ταινίες επί της τροχιάς. Σηµαντικό πλεονέκτηµα των συστηµάτων EDS είναι ότι είναι εκ φύσεως ευσταθή: µικρή µείωση της απόστασης µεταξύ των µαγνητών του οχήµατος και της τροχιάς οδηγεί στην ανάπτυξη ισχυρών απωθητικών δυνάµεων που επαναφέρουν το όχηµα στην αρχική ου θέση, ενώ µικρή αύξηση της απόστασης οδηγεί σε σηµαντική µείωση των απωθητικών δυνάµεων που επίσης οδηγεί στην στην επαναφορά του οχήµατος. Επιπρόσθετα, οι αναπτυσσόµενες ελκτικές δυνάµεις αναποκρίνονται κατά την αντίστροφη µε τις απωθητικές δυνάµεις φορά, συµβάλλοντας εξ ίσου την εξασφάλιση της σταθερής θέσης του οχήµατος. Είναι εµφανές ότι µε την διάταξη αυτή δεν απαιτείται σύστηµα αναδράσεως/ελέγχου.5/6Όµως τα συστήµατα EDS έχουν και ένα βασικό µειονέκτηµα. Σε χαµηλές ταχύτητες το εξ επαγωγής ρεύµα που αναπτύσσεται στα πηνία της τροχιά είναι µειωµένης εντάσεως (και κατ' αναλογία η αναπτυσσόµενη µαγνητική ροή), µε αποτέλεσµα να µην επαρκεί για την αντιστάθµιση του βάρους του τραίνου και την ανύψωσή του. Για τον λόγο αυτό το τραίνο πρέπει να διαθέτει και τροχούς ή άλλο σύστηµα κύλισης που θα λειτουργούν µέχρι να αναπτυχθεί επαρκής ταχύτητα, ώστε τα µαγνητικά πεδία να αποκτήσουν την ελάχιστη απαιτούµενη ισχύ για την ανύψωση του συρµού. Λόγω του ότι το τραίνο είναι δυνατόν να επιβραδυνθεί ή να σταµατήσει σε οποιοδήποτε σηµείο της διαδροµής για τεχνικούς ή άλλους λόγους, είναι προφανές ότι η γραµµή, σε ολόκληρο το µήκος της, πρέπει να υποστηρίζει τόσο την βραδεία, όσο και την ταχεία διακίνηση του συρµού. Ένα άλλο µειονέκτηµα των συστηµάτων EDS είναι η δηµιουργία µαγνητικών πεδίων εµπρός και πίσω από τους µαγνήτες ανύψωσης, τα οποία οδηγούν στην ανάπτυξη οπισθέλκουσας δύναµης (συνιστώσας κατά την διεύθυνση κίνησης). Το πρόβληµα αυτό όµως αφορά µόνον την κίνηση σε χαµηλές ταχύτητες. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους οι Ιαπωνικοί Σιδηροδρόµοι (JR) εγκατέλειψαν τα αµιγώς απωθητικά συστήµατα και στράφηκαν προς τα συστήµατα πλευρικών οδηγών. Στις υψηλές ταχύτητες δεν παρέχεται ο χρόνος που απαιτείται για την πλήρη ανάπτυξη των διαµήκων συνιστωσών των δυνάµεων λόγω µαγνητικών πεδίων και παραµένει µόνον το θέµα της αεροδυναµικής οπισθέλουσας, όπως σε όλα τα ταχέως κινούµενα µέσα.6/6