|
Árni B. Helgason: Léttsporaleið - svar við hjólsins þunga og þunga niði?
2. hluti - Þróun og hagnýting segulsvifs
Fyrstu eiginlegu hugmyndir um segulsporbrautir voru settar fram fyrir um öld síðan en verða ekki að veruleika fyrr en á sjöunda og áttunda áratugnum, að ýmsum áætlunum um lestir knúnar rafsegulafli er hrundið af stað í Bandaríkjunum, Þýskalandi, Bretlandi og Japan. Bandarísk stjórnvöld voru með hinum fyrstu til að sinna rannsóknum á þessu sviði en drógu sig fljótt í hlé og hættu alfarið að veita fé til þeirra sökum mikils kostnaðar. Þær lestir sem hingað til hafa komist á sporið, aðallega í Þýskalandi og Japan, eru háhraðalestir allflestar sem ná jafnvel 4-500 km hraða á klst. Enn eru þetta einungis lestir sem ganga stuttar leiðir, en kostnaður við lestir og lestarspor er verulega meiri en við hefðbundin kerfi.
Óstöðugleiki segulsviðs. Hagnýting línulegs segulsviðs Það sem helst hefur staðið hagkvæmnisþróun fyrir þrifum er sú staðreynd að segulmagn er í eðli sínu óstöðugt, nokkuð sem mönnum hefur verið ljóst allar götur síðan árið 1842 að eðlisfræðingurinn Earnshaw sýndi fram á það óumdeilanlega. Þá hefur það jafnframt reynst þrautin þyngri að ná hæfilegri lyftigetu án þess að kosta of miklu til. Allt til skamms tíma hafa menn því leitast við að þróa æ flóknari stýribúnað til að vinna gegn óstöðugleikanum og æ aflmeiri segulorkubúnað til að auka lyftigetuna - en sá böggull fylgir skammrifi að allur búnaðurinn er háður rafmagni, sem á sinn hátt er óstöðugt vegna bilanahættu, og hefur því kallað á enn öflugri, flóknari og dýrari öryggisbúnað.
Fjórða tilhögunin, að síseglar einir séu látnir spana upp segulsvið í gagnstæðum fleti rafleiðandi efnisþátta, gæti ekki kallast mótor í sjálfu sér, enda þá afls vant, en með ákveðinni samröðun seglanna getur slík högun orkað sem legur án snertiflata, hvort sem er fyrir línulega eða hringlaga hreyfingu. Albesta virkni í þessu skyni er fólgin í segulhögun sem kennd hefur verið við eðlisfræðinginn Klaus Halbach og er farin að hafa áhrif á hagnýtingu segulmagns, og gæti átt eftir að valda straumhvörfum í gerð segulsporbrauta. Segulsporbrautir hafa hingað til í aðalatriðum verið tvenns eða þrenns konar - sjálft sporið er myndað af sísegli, en hreyfanlegi hlutinn, sporvagninn, búinn rafseglum sem orka á segulsporbrautina, eða á hinn bóginn að öll sporbrautin er samsett úr rafseglum, en hreyfanlegi hlutinn, sporvagninn, þá búinn síseglum. Þá eru til margvísleg afbrigði og samsetningar þessarar högunar, meðal annars að búa bæði spor og vagn rafseglum, svo og notkun ofurleiðara og hlutlauss segulspans. Þótt löngu sé vitað að rafsegullestir séu talsvert
sparneytnar á orku hafa þær átt erfitt uppdráttar í samkeppni við
lestir búnar hefðbundnum, orkufrekari aflvélum vegna kostnaðarins
sem fylgir gerð línulegra hreyfla. Slíkur hreyfill er í raun aflvél
öll á lengdina, undir öllum vögnum, með öllu spori, svo langt sem
braut nær. Ekki einungis hefur hann krafist gríðarlegs magns segla,
símagnaðra eða rafmagnaðra, heldur einnig afar nákvæmrar smíði og
flókinnar jafnvægisstillingar til að vagnar svífi rétt yfir sporinu.
En segulsvifhreyflar hafa enga snertifleti og krefjast þar af
leiðandi mjög lítils viðhalds og er endingartími þeirra því öllu
lengri en hefðbundinna hreyfla. Af sömu ástæðu eru þeir einstaklega
hljóðlátir, alveg lausir við hjólsins þunga nið, og þykja þar af
leiðandi mjög hentugir fyrir sporbundnar samgöngur í þéttbýli. Segulfylki Halbachs Undir lok aldarinnar sem var að líða kom fram hugmynd um nýja gerð línulegs rafhreyfils sem nýtir jafnt símagnað sem rafmagnað segulsvið miklum mun betur en hingað til hefur þekkst. Með henni tekst að sveigja verulega hjá lögmáli Earnshaws um óstöðugleika segulmagns, þó vissulega hafi lögmálinu ekki verið hnekkt. Sporin jafnt sem vagnhlutar hreyfilsins eru mun einfaldari að gerð og léttbyggðari og næst engu að síður meiri lyftigeta. Hugmyndin byggir annars vegar á verulega einfaldari gerð rafsegulspors - sporhluta sem dregur vagn áfram jafnframt því að leiða stöðuga stýringu án sérstaks stýrikerfis - og hins vegar á sporhluta sem er í eðli sínu hlutlaus - er hvorki sísegull né rafsegull, en er sett saman úr rafleiðandi efnisþáttum sem sterkt segulsvið spanast í kringum þegar segull byggður á segulhögun Halbachs fer með sporinu. Klaus Halbach (1925-2000) var þýskur eðlisfræðingur sem flutti til Bandaríkjanna á 6. áratugnum og starfaði lengst af hjá rannsóknarstofnuninni Lawrence Berkeley National Laboratory, sem er sjálfstæð deild innan Kaliforníuháskóla. Á 9. áratugnum sýndi hann fram á að með sérstakri samröðun segulkubba í sjálfstæð segulfylki, var gerlegt að mynda einhliða sísegulsvið þannig að nær allt segulmagnið kæmi fram einungis öðrum megin fylkis, þá í raun tvíeflt, en fylkið væri um leið nær sneytt öllu segulmagni hinum megin. Með þessu móti mátti mynda stóran, einhliða segulmagnaðan flöt þar sem allt segulmagn kubbanna nýttist sömu megin, og það sem ekki síður var mikilvægt, að segulmagn svo samsett hafði síður tilhneygingu til óstöðugleika en ella. Þá var heldur ekkert því til fyrirstöðu að mynda t.d. hólklaga sveigðan flöt þannig að allt segulsviðið magnaðist einungis innan hólksins. Halbach fann segulfylkið upp í því skyni að ná fram sem sterkustu símögnuðu segulsviði til að hafa áhrif á ljóseindir og hefur aðferðinni síðan verið beitt í margvíslegum tilgangi - í ljóshraðlatækni og í tölvutækni, þar sem seglar gegna mjög veigamiklu hlutverki, og eins í véltækni, m.a. til að búa til ofurlegur án snertiflata, svo sem drepið er á hér að framan.
Á 10. áratugnum beitti bandaríski eðlisfræðingurinn Richard F. Post, hjá rannsóknarstofnuninni Lawrence Livermore National Laboratory (sem er einnig innan vébanda Kaliforníuháskóla), segulfylkjum Halbachs við gerð einskonar rafsnældu eða rafkasthjóls, sem er rafall sem framleiðir raforku og varðveitir innra með sér sem hreyfiorku hjólsnúningsins - líkt og venjulegur rafgeymir varðveitir orku en á efnafræðilegan hátt. Forsenda hleðslunnar er háhraðasnúningur snældu sem magnar upp sterkt, einhliða segulsvið, framkallað með Halbach-segulfylkjum í hjólnöf kasthjólsins. Til að ná upp sem hröðustum snúningi hjólsins, af stærðargráðu 1000 hringir á sekúndu, næst bestur árangur með ofurlegum, sem Halbach-sísegulfylki eru einnig besti efniviður í. Hver sem hinn ytri orkugjafi er, sem kemur snældunni á snúning, þá varðveitir rafallinn hreyfiorku svo lengi sem hann snýst (á sinn hátt líkt og upptrekt fjöður í klukku) en Halbach-fylkin spana upp straum í rafleiðandi efnum í föstum kjarna snældunnar sem myndar þá jafnframt öxul hennar.
Hreyfiorka kasthjólsins er svo beisluð með því að virkja þennan straum. Rafsnælda getur falið í sér margfalt þéttari orkurýmd, samfara verulega minni orkuþyngd, en hingað til hefur þekkst og gæti orðið hagkvæm leið til að binda sveiflukennda orku, t.d. vinds og sólar, og jafna orkusveiflurnar. Orkuþyngd rafsnældu er mun minni en bifreiðaeldsneytis og miklum mun minni en venjulegra rafgeyma, auk þess sem rafsnældan nýtir betur varðveitta orku. Rafsnældan er nú þegar framleidd til ýmissa hluta og er aldrei að vita nema hún eigi eftir að leysa þann vanda sem fjöldaframleiðsla ódýrra rafbíla hefur strandað á - að geta geymt raforku í sem léttustu formi. Rafsnældan - sem slík - skiptir litlu máli í sambandi við segulsporbrautir, en sé litið á hana sem útflattan hlut, sem línulegan rafal, Halbach-sísegulfylki er renna eftir braut úr rafleiðandi efnum, þá kann hún að eiga eftir að skipta öllu máli í sambandi við segulsporbrautir, en myndi þá að sjálfsögðu ekki kallast snælda. En líkt og í sívölum rafala, að síseglar spana upp straum í rafleiðandi efnum, þá gerist slíkt hið sama í línulegum rafli. Straumurinn er þá á hinn bóginn ekki nýttur sem leiðandi rafmagn heldur er einungis segulsvið straumsins nýtt. En allur straumur myndar segulsvið og segulsviðið má virkja sem lyftikraft.
Spansporinn - Inductrack Þegar Richard F. Post starfaði að gerð rafsnældunnar eygði hann þessa leið til að nýta Halbach-fylki. Að með því að líta á snælduna sem línulegan hlut, spor sem lægi á lengdina - en ekki í hring, líkt og í snældunni - mætti magna verulegan lyftikraft. Niðurstaða hans var að lyfta mætti hlut - t.d. lest - og halda á lofti með slíkum spanspora ef samhliða væri myndaður drifkraftur - líkt og eitthvað þarf til að drífa venjulegan rafal og koma rafsnældu á snúning. Slík segulsviflest gengi þá ekki eftir spori úr þungum síseglum eða rafseglum með málmkjarna, líkt og nú gerist, heldur eftir spori sem mynda mætti úr léttum rafleiðandi efnisþáttum sem Halbach-sísegulfylki undir lestinni orkuðu á og spönuðu upp straum í, og þar með segulsvið er orkaði á móti segulsviði fylkjanna og myndaði hinn lóðrétta lyftikraft.
Sporvagn og spor - Inductrack. Liður í bandarískri þróunaráætlun um segulsportækni.
Þessi tvíhliða, línulegi rafhreyfill Richard F. Posts, myndaður af Halbach-spanspora og Halbach-rafspora, ef svo má kalla, er mun einfaldari en aðrir línulegir rafhreyflar. Og það sem mest er um vert, að með segulkubbaröðun Halbachs - sísegulfylkjunum - hefur tekist án nokkurs sérstaks stýri- og jafnvægisbúnaðar að sveigja hjá lögmáli Earnshaws um óstöðugleika segulmagns, svo sem áður er sagt. En stór hluti kostnaðar við segulsporlestir hingað til hefur verið fólginn í flóknum stýri- og jafnvægisbúnaði. Þá er hreyfillinn í eðli sínu mjög sparneytinn á orku, fyrir utan að vera einstaklega léttbyggður, og vegna góðrar lyftigetu og hinnar innbyggðu jafnvægisstýringar krefst hann ekki slíkrar ofurnákvæmni við smíði en ella. Með spanspora má lyfta allt að fimmtugföldum þunga sjálfra seglanna - með öðrum orðum, einungis góð tuttugu kíló af seglum lyfta hverju þungatonni vagns. Vegna einfaldleika síns er hann nær óháður veðurfarslegum áhrifum, öfugt við eldri tegundir með öllum sínum viðkvæma stjórnbúnaði. Slái rafmagni út er segulsvif engu að síður áfram til staðar svo lengi sem skriðþunginn viðheldur hreyfingu (líkt og rafsnælda á sinn hátt spanar upp segulsvið svo lengi sem hún snýst), þangað til hreyfing er orðin svo lítil að tekur fyrir svif og vagnhjól snerta mjúklega sporið. Rafsegulsvifhreyflar verða á hinn bóginn að vera búnir einhvers konar varafli eða slíkum öryggisbúnaði, að ekki taki skyndilega fyrir svif af völdum rafmagnsleysis og vagnar skelli niður.
Í þriðja og síðasta hluta verða nánar kynntar til sögu nýlegar áætlanir bandarískra stjórnvalda um segulsportækni í þágu þéttbýlissamgangna og þá hugað að því hvort gerlegt væri að yfirfæra hugmyndirnar, og þó í heldur smærri kvarða, á íslenskan veruleika í náinni framtíð. Eða verður það þá kannski orðið um seinan? Smæð almenningssamgangna hér orðin svo algjör að það taki því varla að hugsa um það? Eða er völ á einhvers konar léttsporaleið inn í framtíðina, að mögulega megi auka gæði almenningssamgangna verulega og búa undir komandi tíð? Að því verður meðal annars hugað - hvort sé betra að hugsa um lest eða taka léttan strætó.
___________________________________ í nóvember, 2003
Tilvísanir (hyperlinks) í nokkrar helstu heimildir á vef eru með tilvísanalit í texta eða birtast að baki mynda eftir því sem við á.
1. hluti: Fólksflutningaveitur og færibönd 2. hluti: Þróun og hagnýting segulsvifs 3. hluti: Þungbyggð spor og létt, háloftabrautir og þungavægi vagna
Rómanza: heim á kvist | |||||||||||||||
Línulegur
rafhreyfill er grundvöllur allrar segulsportækni. Hann lýtur í
sjálfu sér sömu lögmálum og venjulegur hringlaga hreyfill - munurinn
er sá einn að segulsvið vinnur gegn segulsviði í láréttum flötum í
stað hringlaga. Og líkt og í hringlaga hreyfli getur gagnkvæmum
segulsviðum verið hagað á þrjá vegu: með föstum síseglum en
hreyfanlegum rafseglum, með föstum rafseglum en hreyfanlegum
síseglum,og loks með föstum rafseglum jafnt sem hreyfanlegum
rafseglum.
Inductrack
kallast þessi gerð hreyfla á ensku - eða spanspori, svo sem hér
hefur verið nefndur - og hefur átt sinn þátt í að breyta viðhorfum
bandarískra stjórnvalda til segulsporbrauta eftir að þau hættu mest
öllum stuðningi við slíkar áætlanir á áttunda áratugnum.
Beinast
sjónir manna nú ekki síst að fremur léttbyggðum segulsporvögnum er
tengja myndu borgarhluta saman og úthverfi - kallað Urban Maglev -
og er hugsað sem sjálfstýrð, þ.e. tölvustýrð, sporvagnaútfærsla
neðanjarðar- og léttvagnalesta, m.ö.o. án lestarstjóra, án eiginlegs
lestargangs. En segulsvif - magnetic levitation, oft nefnt Maglev á
ensku - auðveldar mjög að láta einstaka sporvagna ganga sjálfstætt,
með því hreyfillinn er að mestu leyti innbyggður í sporið. Og svo
einfaldur hreyfill sem spansporinn er, gæti hann brátt átt eftir að
verða lykill að léttspora flutningaveitum, er gætu verið því minni
um sig sem vagnar væru fleiri en smærri. Í stað vagna, stakra eða í
lest saman, sem ætlað er að flytja tugi manna eða hundruð, kæmu
fjölmörg hálfgerð fis, sem hverju og einu væri einungis ætlað að
flytja fáeina farþega, ellegar vörur, líkt og á færibandi, en þó
engu að síður á ákvörðunarstað, viðkomulaust, eftir vali hvers og
eins, þegar hverjum og einum hentaði.