SC Maglev van de tweede generatie: de veelbelovende technologie die nog niet van de grond kwam

Anders dan conventionele spoorwegen heeft een Maglev trein geen wielen nodig, maar wordt hij magnetisch opgeheven en voortbewogen langs een rails. Hoewel het futuristisch klinkt, heeft de technologie zich bewezen in Japan en is er zelfs een plan om een Maglev treinroute aan te leggen in de Verenigde Staten, gebaseerd op Superconducting (SC) Maglev technologie. Er wordt echter gewerkt aan een nieuwere versie van de levitatietechnologie met een aantal belangrijke voordelen, zegt James Jordan, die al lange tijd pleit voor het systeem in de VS, dat kruissnelheden van rond de 529 kilometer per uur (325 mph) zou kunnen opleveren.

De unieke eigenschap en het belangrijkste voordeel van de tweede generatie supergeleidende Maglev, of Maglev 2000, is het feit dat het kan worden gebruikt op bestaande spoorlijnen met behulp van gepatenteerde Maglev Emplacement on RailRoad Infrastructure (MERRI) technologie. Maglev 2000 bevestigt dunne panelen van aluminium lussen aan de dwarsliggers van bestaande spoor- en metrorails. Volgens Jordan zouden de kosten relatief laag zijn, met 4 miljoen dollar per mijl spoor voor eenrichtingsverkeer en 8 miljoen dollar per mijl voor een conversie in twee richtingen. “Belangrijk is dat het aangepaste spoor geen belemmering vormt voor het conventionele gebruik van stalen wielen. Dit is een belangrijk overgangspad dat intermodale activiteiten mogelijk maakt voor de eigenaars en exploitanten van staalspoorinfrastructuur”, zegt Jordan.

Voor het huidige gebruik van magnetische levitatie, zoals de Chuo Shinkansen die Japan bouwt tussen Tokyo en Osaka voor L0-serie Maglev treinen, moet een compleet nieuwe infrastructuur worden gebouwd, die fysiek volledig gescheiden is. De visie voor Maglev 2000, legt Jordan uit, is een verhoogde structuur die gebruik maakt van een monorailbaan, die ook aansluit op bestaande stations via aangepaste treinsporen. Conventionele treinen zouden de sporen kunnen blijven gebruiken nadat de Maglev 2000-voertuigen zijn gaan rijden, mits de juiste planning wordt gemaakt. Dit is hetzelfde uitgangspunt als waar de Poolse start-up Nevomo ook technologie voor ontwikkelt.

“Er moet worden opgemerkt dat het gebruik van hogesnelheidstreinen (HSR), zoals die in Europa en Japan, nieuwe infrastructuur zou vereisen in de Verenigde Staten”, zegt Jordan. Hij gelooft dat het economischer zou zijn om direct over te stappen van de huidige Amtrak-systemen naar de tweede generatie SC Maglev. De naam Maglev 2000 werd gekozen omdat de uitvinders van Superconducting Maglev, James Powell en Gordon Danby, in het jaar 2000 de prestigieuze Franklin Medal voor engineering ontvingen.

Op dit moment is er een bedrijf dat een magneetzweefbaan wil aanleggen in de VS, genaamd The Northeast Maglev (TNEM), die uiteindelijk Washington D.C. zou verbinden met Boston, via Baltimore en New York. Hierbij zou gebruik worden gemaakt van dezelfde technologie die momenteel in Japan wordt gebruikt op de Chuo Shinkansen. In de ogen van Jordan is dit echter ook een gemiste kans om de volgende generatie Maglev-technologie te implementeren, die verschillende voordelen zou hebben.

Tegenstand en weinig ontwikkeling

“Een maglev transportsysteem in Amerika had al gebouwd kunnen zijn, als er geen tegenstand was geweest van de gevestigde transport- en energiesector en hun belangen, die bang zijn voor ontwikkeling,” zegt Jordan. De Amerikaanse Senaat nam al in 1992 wetgeving aan voor een R&D-programma van 750 miljoen dollar voor de ontwikkeling van een Amerikaans Maglev-systeem. Senator Daniel Patrick Moynihan, voorzitter van de Commissie Milieu en Openbare Werken, slaagde hierin en stelde voor om het Nationale Maglev Netwerk te bouwen op de rechtsweg naast de Amerikaanse Interstate Highways.

Dr. Powell en Dr. Danby, de uitvinders van supergeleidende magnetische levitatie, waren covoorzitters van het Maglev Technology Advisory Committee (MTAC) van Senator Moynihan, dat informatie verschafte aan de Senator en zijn commissie. De Transportcommissie van het Huis weigerde echter hoorzittingen te houden over de wetgeving van Senator Moynihan en het wetsvoorstel kwam niet door het Congres. Volgens Jordan lobbyden vastgeroeste transportbelangen tegen de financiering van de vitale R&D.

“Als de wet was aangenomen, had er nu al een Maglev netwerk kunnen zijn”, zegt Jordan. In de tijd die sinds 1992 is verstreken, zijn andere landen begonnen met de bouw van Maglev-systemen, waaronder Japan, China en Korea, samen met nieuwere ontwikkelingen in Polen, India en Italië.

De volgende generatie

Maglev-systemen van de eerste generatie rijden op een vaste route, wat betekent dat ze voor de hele route hetzelfde type hebben. Maglev 2000-voertuigen kunnen daarentegen zowel op monorailgeleidingen als op vlakke geleidingen rijden. Maglev 2000 treinen kunnen overstappen van verhoogde geleiderails naar aangepaste bestaande sporen, wat betekent dat er in dichtbevolkte gebieden waar al conventioneel spoor is, geen dure en storende verhoogde geleiderails hoeven te worden aangelegd. In stedelijke of voorstedelijke gebieden zouden de Maglev 2000 voertuigen kunnen rijden op bestaande spoorlijnen die zijn aangepast voor Maglev gebruik met dunne, goedkope aluminium luspanelen die aan de dwarsdragers zijn bevestigd, waardoor de Maglev 2000 voertuigen kunnen zweven, zegt Jordan.

Met behulp van de ‘planar guideway’-configuratie kunnen Maglev-voertuigen met hoge snelheid elektronisch overschakelen van de hoofdlijn naar een secundaire lijn die leidt naar een aangepast conventioneel station voor lossen en laden. Wanneer het voertuig het wisselgedeelte nadert, wordt de monorailgeleiding vlak en schakelt het voertuig elektronisch over van de verhoogde geleiding. Het begint aan een langzamere en geleidelijke afdaling van de verhoogde vlakke geleidingssectie naar beneden via een vlakke geleidingssectie naar het aangepast spoor. Vanaf dat punt glijdt het voertuig met een lagere snelheid naar het treinstation of de vrachtwagenterminal.

Dankzij deze mogelijkheid kan het Maglev 2000 systeem veel meer stations hebben dan de eerste generatie Maglev of hogesnelheidsspoorsystemen die mechanische wissels met lage snelheid nodig hebben, zegt Jordan. Maglev 2000 voertuigen kunnen met hoge snelheid stations omzeilen waar ze volgens de planning niet hoeven te stoppen, om alleen te stoppen bij stations die volgens de planning wel hoeven.

Supergeleidende Maglev

Zowel de technologie voor de Japanse Chuo Shinkansen als die voor de tweede generatie maglev maken gebruik van supergeleidende maglev, ook wel SC Maglev genoemd. Supergeleiding is een fenomeen waarbij de elektrische weerstand in bepaalde materialen nul wordt wanneer ze tot onder een kritische temperatuur worden afgekoeld. Krachtige supergeleidende magneten worden ook gebruikt in MRI-scanners en in de Large Hadron Collider in Zwitserland, waar het higgsdeeltje werd ontdekt.

De magneten worden gekoeld tot 30 graden Kelvin (-243 graden Celsius) en worden omgeven door een meerlaagse thermische isolatie om het verlies van de kou te beperken. Vaak worden vraagtekens gezet bij de bruikbaarheid en het energieverbruik van deze magneten, maar de magneten zijn “extreem betrouwbaar en de energiebehoefte om de magneten te koelen is minimaal”, aldus Jordan en het boek ‘Maglev America’.

Het totale koelvermogen voor één Maglev-voertuig met 16 supergeleidende Quadrupole Magneten wordt berekend op ongeveer 10 kilowatt per uur. Het gemiddelde Amerikaanse huishouden verbruikt in 2020 30 kilowatt per dag, met 14.407 kWh per jaar. De naam Maglev 2000 is gekozen omdat de uitvinders van Superconducting Maglev, Jim Powell en Gordan Danby, in het jaar 2000 een Franklin Medal for engineering kregen.

De magnetische kracht van supergeleidende magneten maakt een grote afstand tussen het voertuig en de geleider mogelijk, tussen de 10 en 15 centimeter (4 tot 6 inch). Supergeleidende magneten op het Maglev-voertuig induceren stromen in een reeks onafhankelijke aluminium lussen die zich langs de geleiding bevinden. De panelen hebben een magnetische wisselwerking en stoten de inductief aangedreven magneten op het voertuig af, waardoor het gaat zweven. Als de wisselstroom in het aluminium luspaneel op de monorail of in de panelen langs de conventionele spoorbaan piekt, wordt het voertuig aangedreven door de frequentie van de wisselstroom (AC). “De snelheid van de trein is eigenlijk een functie van de aerodynamica of luchtweerstand”, legt Jordan uit.

Multimodale mogelijkheden

De tweede generatie is volgens Jordan ook het enige magneetsysteem dat zowel vrachtwagens als passagiers tegelijkertijd kan vervoeren. Dit komt doordat de magneten, de zogenaamde magneten van de tweede generatie met Quadrupole geometrie ontwikkeld door Powell en Danby, sterker zijn en de externe magnetische randkracht snel bleek te verdwijnen en de aardachtergrondniveaus niet overschreed.

Dit betekent dat passagiers in Maglev 2000-voertuigen geen magnetische veldsterkte ervaren die groter is dan het aardomringende veld. Deze magneten kunnen dus over de hele lengte van een Maglev 2000-voertuig worden geplaatst, wat niet het geval is voor het Japanse Maglev-systeem van de 1e generatie. “De voordelen voor de prestaties van toekomstige logistieke systemen zijn verbazingwekkend”, zegt Jordan.

Verdergaan

Om de tweede generatie intermodale Maglev op grotere schaal te bewijzen, is volgens Jordan een initiële investering van 30 miljoen nodig. Dit zal de snelle ontwikkeling, tests en validatie van de Maglev Emplacement on RailRoad Infrastructure (MERRI) technologie mogelijk maken als een prioriteit op korte termijn, evenals het uitvoeren van een vrachtwagen lift demonstratieproject om de mogelijkheden van Maglev2000 aan te tonen als een “baanbrekende overgang naar een intermodale oplossing”.

Het ontwikkelingsteam gaat ook supergeleiders met een hoge temperatuur en geavanceerde cryokoelers gebruiken om de bedrijfskosten van SC Maglev verder te verlagen. “Dit zal de technologie verder verbeteren als het meest economische, levensvatbare, veiligste, betrouwbaarste, stilste en ‘groenste’ systeem voor oppervlaktevervoer met hoge snelheid ter wereld”, zegt Jordan.

Het doel voor de langere termijn is om een testcentrum op te richten dat zich zal richten op supergeleidende magneetzweefbaanonderzoek en -ontwikkeling en technologiedemonstraties, in samenwerking met instanties die technische normen ontwikkelen. Om vitale privé-investeringen veilig te stellen stelt Jordan’s team voor om een demonstratie van een prototype op ware grootte uit te voeren op een aangepast stuk conventioneel spoor om het succes van de MERRI-modus (compatibel met het spoor) te valideren.

“Deze demonstratie zal de definitieve kosten- en prestatiegegevens opleveren om te bepalen of de unieke mogelijkheden om zowel in een monorail- als in een vlakke geleidingsmodus te werken en de elektronische wissel – die cruciaal is voor de concurrentiekracht van dit systeem – de beloften kunnen waarmaken: het aanpakken van de congestie-, veiligheids- en veerkrachtproblemen van onze passagiers- en oppervlaktelogistieke systemen en de milieudoelstellingen van nuluitstoot met minimale verstoring tegen een betaalbare prijs.”

Lees ook:

• De reis van de Maglev trein
• Een Maglev trein in de VS? ‘We moeten de keten van lage verwachtingen doorbreken’
• Nevomo tests succesvol: MagRail treinen kunnen leviteren op bestaand spoor