Maglev-juna radalla

Sähkö ja kylmät magneetit vauhdittivat junia

Tuulitunnelikokeet, virtaviivainen muotoilu ja suprajohtavat aineet ovat nostaneet maailman nopeimpien junien vauhdin yli 600 kilometriin tunnissa. Kiinalaisinsinöörit yrittävät tehdä junista vielä nopeampia lämpimämmillä suprajohteilla.

Tuulitunnelikokeet, virtaviivainen muotoilu ja suprajohtavat aineet ovat nostaneet maailman nopeimpien junien vauhdin yli 600 kilometriin tunnissa. Kiinalaisinsinöörit yrittävät tehdä junista vielä nopeampia lämpimämmillä suprajohteilla.

Claus Lunau

Lokakuussa 1903 lähti Saksassa kaksi moottorivaunua lyhyin välein 23 kilometriä pitkälle koeradalle, joka kulki Berliinin Marienfeldestä Zosseniin.

Kumpaakin junaa kiidätti kiskoilla ensimmäistä kertaa vaihtovirta.

Siemens & Halsken melkein 24 metriä pitkä ja 89 tonnia painava vaunu saavutti 206,7 kilometrin tuntinopeuden, mutta ennätys ei kestänyt pitkään. AEG:n samankaltaisen vaunun nopeus nousi vain vähän myöhemmin 210,2 kilometriin tunnissa. Ennätyksellinen vauhti ennakoi uuden ajan alkamista rautateillä, joita hallitsivat hitaat ja savuttavat höyryveturit.

Vuonna 1903 nopeusennätyksen tehnyt AEG:n sähkövaunu

AEG teki vuonna 1903 sähkövaunullaan uuden nopeusennätyksen. Muotoilulla pyrittiin parantamaan aerodynaamisia ominaisuuksia.

© Ukendt

Kun lentämisestä tuli halvempaa, kaukojunien tulevaisuus alkoi näyttää perin synkältä, mutta rautatieliikenteen nopeuttamiseen löydettiin uusia keinoja, jotka tekivät junista taas kilpailukykyisiä.

Etenkin Euroopassa ja Aasiassa monien suurkaupunkien välillä liikennöivät suurnopeusjunat. Kehitystyö, joka on tähän mennessä huipentunut yli 600 kilometrin tuntinopeudella radan päällä liitäviin juniin, jatkuu yhä.

Virroitin mullisti veturin

Nykyaikaisten suurnopeusjunien kehityksen perustan laski muutama 1800-luvun lopulla tehty keksintö.

Siemens & Halske esitteli vuonna 1879 maailman ensimmäisen sähköveturin. Siinä höyrykoneen korvasivat sähkömoottorit, jotka ottivat tarvitsemansa virran radan päällä riippuvasta ajojohdosta. Veturi oli varustettu virroittimeksi kutsutulla sähköä johtavalla varrella, joka välitti virran ajojohdosta veturin sähköjärjestelmiin.

Insinöörit sijoittivat jokaiseen vaunuun useita pieniä sähkömoottoreita, jotta energia siirtyi tehokkaammin pyöriin kuin käytettäessä höyry- ja dieselvetureita, jotka kiskovat vaunujonoa.

Virroitin
© Claus Lunau

Virroitin antaa vauhtia sähköjunalle

Katolla sijaitseva virroittimeksi kutsuttu laite välittää liike-energiaksi tarvittavan sähkövirran suoraan ajojohdosta veturin tai moottorivaunun muuntajaan.

Yläosa ottaa vastaan virtaa

Virroittimen yläosa koostuu kahdesta kaaresta, jotka on pinnoitettu hiilikuidulla kulumisen ehkäisemiseksi. Yläosa koskettaa ajojohtoa, joka kulkee siksakkia radan päällä, jotta virroitin kuluu tasaisesti.

Metallivarret varmistavat joustavuuden

Yläosaa kannattavat V-asennossa olevat metallivarret, joita täydentää tasapainottava keskiputki. Rakenteen tehtävänä on varmistaa, että yläosan korkeus säätyy joustavasti, jotta voima, jolla se painautuu ajojohtoa vasten, vaihtelee mahdollisimman vähän.

Ilmanpaine nostaa varsia

Radan päällä riippuva ajojohto toimii plusnapana ja kiskot miinusnapana. Yhdessä ne saavat aikaan virran, joka välittyy sähkövarausta tallentavaan kondensaattoriin. Sieltä tuleva sähkö pyörittää moottoria.

Kun Drehstrom-Triebwagen teki vuonna 1903 nopeusennätyksen, se kulki kolmivaihevirrralla tasavirran sijasta. Uuden ratkaisun ansiosta ajojohdossa voitiin käyttää suurempaa jännitettä ja siten pidentää sähkörataa.

Virran pyöriin välittävää menetelmää sovelletaan yhä suurnopeusjunissa, ja tällä tekniikalla on saavutettu peräti 574,8 kilometrin tuntinopeus. Keksinnöt eivät kuitenkaan lopu tähän.

Drehstrom-Triebwagenin suunnittelijat eivät hyödyntäneet nopeuden lisäämiseksi vain uutta tekniikkaa. He pyrkivät parantamaan sen aerodynaamisia ominaisuuksia korvaamalla vanhan laatikkomallin keulasta pyöristetyllä vaunulla.

Rautateillä voitiin heittää hyvästit höyryvetureille neljän miehen 1800- ja 1900-luvuilla tekemien keksintöjen ansiosta.

Werner von Siemens
© Siemens

1. Siemens ideoi ajojohdon

Saksalainen keksijä Werner von Siemens kehitti dynamosähköisen periaatteen vuonna 1866 ja totesi vaihtovirran edut. Hänen yrityksensä esitteli vuonna 1879 ensimmäisen junan, joka otti virtaa radan päällä kulkevasta johdosta.

Walter Reichel
© Siemens

2. Reichel rakensi virroittimen

Saksalaisinsinööri Walter Reichel suunnitteli yhden ensimmäisistä virran ajojohdosta sähkömoottoriin välittävistä laitteista. Reichel oli mukana pelissä, kun vuonna 1903 tehtiin nopeusennätys 210 km/h.

Francis Herbert Wenham
© MEPL/Ritzau Scanpix

3. Wenham loi tuulitunnelin

Britti-insinööri Francis Wenham ideoi – ja rakensi – umpinaisen tuulitunnelin. Keksinnön ansiosta voitiin tutkia paitsi lentokoneiden myös autojen ja junien aerodynaamisia ominaisuuksia.

Eric Laithwaite
© Wikipedia

4. Laithwaite sovelsi sähkömagnetismia

Brittiläinen Eric Laithwaite loi lineaarisen induktiomoottorin, joka sähkömagnetismin avulla kuljettaa maglev-junia. Häntä pidetään junaa magneettisesti leijuttavan radan isänä.

Tuulitunnelit hiovat junia

Tuulitunnelikokeet osoittavat, että ilmanvastuksen pienentämisestä virtaviivaisella muotoilulla tulee sitä tärkeämpää, mitä kovempaa vauhtia juna kulkee. Fysiikan kaavan mukaan ilmanvastus kasvaa nopeuden neliössä.

Toisin sanoen ilmanvastuksella on huomattava merkitys suurissa nopeuksissa. Ilmanvastusta voidaan kuitenkin pienentää huolehtimalla siitä, että ilma virtaa mahdollisimman häiriöttömästi ohi. Junan suunnittelussa tavoitellaan niin sanottua laminaarista virtausta, jossa ilman hiukkaset etenevät jokseenkin tasaisina rinnakkaisina kerroksina.

Vaihtoehto on turbulenssi: hiukkaset liikkuvat satunnaisesti ja kaoottisesti.

Asia oli kaikkien aikojen nopeimman höyryveturin, brittiläisen Mallardin, suunnittelijoiden tiedossa. Veturi saavutti 203 kilometrin tuntinopeuden vuonna 1938.

Mallard oli muotoiltu muihin höyryvetureihin verrattuna hyvin virtaviivaiseksi. Sen aerodynaamisia ominaisuuksia oli viimeistelty tuulitunnelikokeiden avulla.

Kokeet auttoivat tekemään höyryveturista nuolijunan kaltaisen siinä vaiheessa, kun diesel- ja sähköveturit olivat jo ohittaneet sen.

Aerodynaamiset ominaisuudet korostuvat nykyaikaisissa suurnopeusjunissa, jotka on muotoiltu nuolimaisiksi. Edustava esimerkki löytyy Japanista. Siellä Shinkansen-rataverkossa liikennöivät junat näyttävät edestäpäin sorsannokkaisilta.

Tokaido Shinkansen

Vuonna 1964 avatulla Japanin ensimmäisellä Shinkansen-linjalla, Tōkaidō Shinkansenilla, on kuljetettu miljardeja matkustajia. Kuvassa junat ovat pysähtyneet tokiolaisasemalle.

© Shutterstock

Vuosikymmenten aikana junille on etsitty optimaalista muotoa myös melu- ja paineongelmien näkökulmasta. Kun juna ajaa kovaa vauhtia tunneliin, syntyy paineenvaihteluja, jotka voidaan kokea epämiellyttäviksi.

Kehityksen huipentumana pidetään japanilaista SCMaglev L0 -suurnopeusjunaa, joka teki vuonna 2015 koeradalla nopeusennätyksen 603 km/h. Euroopan unionin määritelmän mukaan juna on suurnopeusjuna, kun sillä ajetaan vanhoilla parannetuilla radoilla vähintään 200 km/h ja uusilla suurnopeusradoilla vähintään 250 km/h.

Juna ohittaa lentokoneen

Nykyään tietokonesimulaatiot optimoivat junien muodot numeerisella eli laskennallisella virtaustekniikalla (CFD, computational fluid dynamics). Tietokone jäljittelee ilman virtausta junan kolmiulotteisen mallin ympärillä mahdollisimman tarkasti.

Junan virtuaalimalleja voidaan siis testata ja hioa näytöllä.

Jos insinöörit eivät olisi jatkuvasti pyrkineet nopeuttamaan matkustamista, junan tarina olisi loppunut lyhyeen. Seuraavaa nopeusennätystä ei todennäköisesti tarvitse odottaa kauan.

SCMaglev L0 on magneettiseen levitaation perustuva juna. Se kiitää noin kymmenen sentin päässä radasta voimakkaiden magneettien leijuttamana.

Junassa ei ole runkoa kannattavia pyörällisiä telejä.

Niinpä metalli ei kosketa metallia eikä synny kitkaa, joka vastustaa liikettä ja hidastaa.

Tavoitteeksi on asetettu, että Tokion ja Nagoyan väli taittuu 2020-luvun lopulla junalla 40 minuutissa. Koska matkaa on 280 kilometriä, vauhdin pitää nousta 500 kilometriin tunnissa.

Rakenteilla oleva maglev-juna

SCMaglev L0 -suurnopeusjuna leijuu noin 10 senttiä radan yläpuolella voimakkaiden sähkömagneettien kannattamana.

© Ritzau Scanpix

Nopea juna on paha kilpailija lentokoneelle kotimaanliikenteessä, sillä rautatieasemat sijaitsevat yleensä kaupunkien keskustassa toisin kuin lentoasemat.

Kiina menee Japanin edelle

Japani on ollut pitkään suurnopeusjunien ja -ratojen edelläkävijä.

Shinkansen-suurnopeusrataverkon ensimmäinen linja, Tōkaidō Shinkansen, avattiin Tokion, Nagoyan ja Osakan välille vuonna 1964, ja se on kuljettanut 6,4 miljardia matkustajaa.

JR Tōkai -rautatieyhtiön mukaan suurnopeusjunille ei ole sattunut eivätkä ne ole aiheuttaneet vakavia onnettomuuksia ja junat ovat myöhästyneet keskimäärin vain 0,9 minuuttia.

Kolme ennätyksen tehnyttä suurnopeusjunaa

Kolmivaihevaihtovirrasta lineaariseen induktiomoottoriin. Nämä kolme ennätystä kuuluvat junien kehityshistoriaan.

Drehstrom-Triebwagen siluetti
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

1903: Saksalaisvaunu ylitti haamurajan

AEG- ja Siemens & Halske -yhtiöiden välinen kilpailu johti siihen, että ensin mainittu teki vuonna 1903 uuden maailmanennätyksen, kun radan yläpuolisesta ajojohtimesta virtaa ottava moottorivaunu saavutti 210 kilometrin tuntinopeuden.

Tokaido Shinkansen siluetti
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

1964: Japanilaisjuna ennätysvauhdissa

Tōkaidō Shinkansen -linjalla ajettiin vuonna 1964 kovimmillaan 320 km/h maailman nopeimmalla matkustajajunalla. Yleensä matkanopeus on noin 220 km/h.

SCMaglev L0 siluetti
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

2015: Maglev-junalla yli 600 km/h

Huhtikuussa 2015 SCMaglev L0 -suurnopeusjuna teki koeradalla uuden nopeusennätyksen: 603 km/h. Toiminta perustuu lineaariseen induktiomoottoriin ja suprajohtaviin magneetteihin.

Kiina on sittemmin ohittanut Japanin, kun arviointiperusteena käytetään suurnopeusrataverkon laajuutta. Väkiluvultaan maailman suurimman maan osuus kaikista suurnopeusradoista on noin kaksi kolmasosaa. Kiinassa sijaitsevalla Shanghain maglev-radalla junat ajavat kovempaa kuin missään muualla, sillä niiden huippunopeus on 431 km/h.

Myös nimellä Shanghai Transrapid tunnettu juna perustuu siis magneettiseen levitaatioon niin kuin Japanin SCMaglev L0.

Teräskiskojen asemasta juna liikkuu betoniradalla, joka sisältää keloja eli käämejä.

Kun vauhtia on vähän, juna kulkee kumipyörillä rataa pitkin. Nopeuden noustua noin 150 kilometriin tunnissa juna alkaa leijua noin kymmenen sentin korkeudessa radan päällä.

Magneettista hylkimisvoimaa hyödyntävä EDS-tekniikka (electrodynamic suspension) perustuu siihen, että vaunujen pohjassa olevat suprajohtavat magneetit luovat keloihin vastakkaisen magneettikentän, joka leijuttaa junaa.

SCMaglev L0 -juna
© Claus Lunau

Sähkömagnetismi nostaa maglev-junaa

Suurnopeusjunan saavat leijumaan sähkömagneetit. Ne antavat yhdessä suprajohtavien ominaisuuksien kanssa SCMaglev-junille jopa 603 kilometrin tuntinopeuden. Maglev-nimitys tulee sanoista magneettinen levitaatio.

Maglev-junan suprajohteet
© Claus Lunau

1. Moottori perustuu sähkömagnetismiin

Junan suprajohtavaa ainetta olevat kelat muuttuvat sähkön vaikutuksesta magneettisiksi. Tapahtumassa syntyvät pohjois- ja etelänavat hylkivät toisiaan. Tällä tekniikalla voidaan leijuttaa junaa ja saada se kulkemaan eteenpäin.

Maglev-junan magneetit
© Claus Lunau

2. Magneetit työntävät junaa

Junan sivuilla ja alla on pohjois- ja etelänapoja. Vastaava sarja on junassa. Kun virta saa junan liikkeelle, magneettinavat vuorotellen vetävät puoleensa ja hylkivät toisiaan ja ikään kuin lykkäävät junaa eteenpäin.

Magneetit säätävät maglev-junaa
© Claus Lunau

3. Magneettikentät vakauttavat junaa

Magneettien kautta kulkevan virran määrä varmistaa, että juna leijuu 10 senttiä radan yläpuolella ja että juna pysyy tarkasti radan keskellä. Magneetit siis sekä siirtävät junaa että pitävät sitä paikallaan.

Suprajohteissa havaittava ilmiö syntyy, kun sähköä johtavan aineen lämpötila laskee hyvin alas – yleensä alle –200 asteeseen. Nykyään jäähdyttämiseen käytetään nestemäistä heliumia. SCMaglev ja eräät muut yritykset tutkivat kuitenkin mahdollisuuksia käyttää suprajohtavia magneetteja, jotka toimivat korkeammassa lämpötilassa ja kuluttavat siten vähemmän sähköä.

SCMaglev pitää hallussaan nopeusennätystä, mutta on vain ajan kysymys, milloin se rikotaan Kiinassa. Kiinalainen tutkimusryhmä kehittää magneettijunaa, jonka huippunopeus on 620 km/h.

Koemalli esiteltiin toimittajille lokakuussa 2021. Sen on tarkoitus rikkoa nopeusennätys lämpimämmässä toimivien suprajohtavien magneettien avulla. Tutkijat puhuvat korkean lämpötilan suprajohteista (HTS, high-temperature superconducting).

Putkijunasta tulee vielä nopeampi

Kun junilla tavoitellaan vielä suurempia matkustusnopeuksia, täytyy vaihtaa tekniikkaa.

Tulevaisuuden nopeaksi kulkuneuvoksi kehitetään Hyperloopia, jonka puolesta on puhunut muun muassa sähköautoja valmistavan Teslan toimitusjohtaja Elon Musk.

1 200 km/h on tulevaisuuden Hyperloop-junien tavoitenopeus.

Konsepti on vanhaa perua, sillä sen esitti yhdysvaltalainen raketti-insinööri Robert H. Goddard jo vuonna 1904.

Elon Muskin visiossa vaunut kiitävät alipaineisessa putkessa parhaimmillaan 1 200 kilometrin tuntinopeudella.

Toiminta perustuu siihen, että putkesta pumpataan pois ilmaa, kunnes paine laskee noin 100 pascaliin eli noin tuhannesosaan normaalista ilmanpaineesta. Silloin ilmanvastus on hyvin pieni.

Etupuolella oleva turbiini poistaa ilmaa junan edestä ja johtaa osan siitä junan alle ilmatyynyksi, joka leijuttaa junaa.

Hyperloop-tekniikka tähtää samaan tapaan kuin maglev-ratkaisu siihen, että juna kulkee radalla mahdollisimman kitkattomasti koskettamatta sitä liikkuessaan kovaa vauhtia.

Jos Hyperloop toteutuu joskus käytännössä, se aloittaa uuden aikakauden maaliikenteessä. Silloin matkustajat saavat tottua jopa yli 1 000 kilometrin keskituntinopeuteen.