Nové možnosti magnetické levitace v dopravě?

Nové možnosti magnetické levitace v dopravě?

prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc.,
Elektrotechnická fakulta ZČU v Plzni

Příspěvek pojednává o nových fyzikálních principech, které mohou být využity při návrhu magneticky levitovaných dopravních systémů. Ty jsou podstatně jednodušší než dosavadní, avšak zatím byly ověřeny jen na malých modelech.

1. Úvod

Problematika magnetické levitace – zkráceně maglev – byla intenzivně zkoumána v uplynulých čtyřiceti letech (podrobně o tom pojednává např. článek [1]). Nejdůležitějšími jsou aplikace v dopravě. Byly vyvinuty magneticky levitované vlaky, které se vznášejí nad jízdní drahou a dosahují rychlosti vyšší než 500 km/h. Na vývoji těchto superexpresů – HSGT (High Speed Ground Transportation), které se vyznačují mnoha dalšími pozoruhodnými vlastnostmi, se podílelo několik průmyslově vyspělých zemí, zejména Německo – vozidlo Transrapid (na elektromagnetickém principu) a Japonsko – vozidlo MLU (na elektrodynamickém principu, se supravodivými magnety). V současné době je dokončována stavba několika tratí zmíněných superexpresů. Náklady na vývoj a realizaci tohoto unikátního inženýrského díla jsou značné – jde řádově o biliony dolarů.

Před několika lety byl popsán nový způsob magnetické levitace, jenž využívá permanentní magnety a oproti dosavadním typům je podstatně jednodušší, lacinější a bezpečnější. Nyní je předmětem výzkumů; dosažené výsledky jsou pozoruhodné. Právě o tomto způsobu magnetické levitace pojednává předložený článek.

2. Historie

V roce 1985 navrhl fyzik Klaus Halbach (Lawrence Berkeley National Laboratory, California) uspořádání permanentních magnetů, jímž docílil mimořádně silného magnetického pole [2]. Toto uspořádání – později bylo pro něj zavedeno označení Halbachova soustava magnetů (anglicky Halbach Array) – chtěl použít pro konstrukci urychlovače částic. V polovině 90. let minulého století použil Halbachovu soustavu permanentních magnetů profesor kalifornské univerzity Richard F. Post (Lawrence Livermore National Laboratory) při návrhu vysokootáčkového generátoru. Přibližně v téže době byla sestrojena první pasivní magnetická ložiska s Halbachovou soustavou permanentních magnetů.

Asi před třemi roky navrhl R. F. Post [3], [4] magneticky levitovaný dopravní systém s Halbachovou soustavou magnetů. Tento systém byl patentován v USA [3] pod označením Inductrack. V porovnání s dosavadními dopravními systémy maglev je uvedený systém velmi jednoduchý a vykazuje až překvapivě výhodné levitační vlastnosti. V současné době se konají zkoušky na malých modelech magneticky levitovaných vozidel. Tento vývoj podporuje též NASA, přičemž cílem je využít Inductrack jako katapult pro start kosmických raket a raketoplánů.

Výzkum pasivních magnetických ložisek využívajících Halbachovu soustavu permanentních magnetů probíhá v současné době na École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Département de Mictotechnique (Švýcarsko).

3. Halbachova soustava permanentních magnetů

Klaus Halbach uspořádal permanentní magnety ve tvaru kvádříků, jak je naznačeno na obr. 1 (šipkami jsou vyznačeny směry jejich magnetizace). Permanentní magnety byly zhotoveny práškovou metalurgií ze vzácných zemin, se slitinou neodymium-železo-bor (NdFeB), s remanentní indukcí kolem 1,2 T. Magnetická pole jednotlivých magnetů se skládají a výsledek je překvapující: v oblasti při dolní části této soustavy je magnetické pole velmi silné – dosahuje hodnoty až kolem 1 T, kdežto v oblasti při horní části soustavy je magnetické pole velmi slabé.

Magnetické pole Halbachovy soustavy bylo přešetřeno výpočtem, s využitím profesionálního programu Quick Field: permanentní magnety Halbachovy soustavy měly tvar kvádrů o rozměrech podstavy 100 × 100 mm; byly zhotoveny z materiálu RECOMA 25 (magneticky tvrdý materiál na bázi velmi jemných prášků ze sloučenin kobaltu se vzácnými zeminami). Demagnetizační část jejich hysterezní smyčky (obr. 2) má remanentní indukci B_r = 1,0 T a koercitivní intenzitu magnetického pole H_r = 800 kA/m. Rozložení magnetického pole v Halbachově soustavě magnetů a jejím okolí bylo znázorněno různými zobrazovacími způsoby: plošným zobrazením oblastí magnetické indukce (obr. 3), siločarami magnetického pole (obr. 4) a soustavou vektorů magnetické indukce, jež jsou tečnami magnetických siločar (obr. 5). Z těchto obrázků je zřejmé, že při horním okraji Halbachovy soustavy magnetů je magnetické pole celkem slabé, kdežto při dolním okraji dosahuje hodnot kolem 1 T.

Pětice kvádříků podle obr. 1 tvoří základní konfiguraci Halbachovy soustavy magnetů. V aplikacích lze uvedené pětice řadit za sebou.

4. Použití Halbachovy soustavy magnetů v dopravě

Až doposud převládalo přesvědčení, že permanentní magnety nejsou vhodné k levitaci dopravních systémů pro svou velkou hmotnost ve srovnání s levitační silou. U dopravního systému Inductrack, využívajícího Halbachovu soustavu magnetů, tomu tak není. Ukazuje se, že poměr hmotnosti magnetů Halbachovy soustavy k jejich levitační síle je asi 1 : 50.

Fyzikální podstata Inductracku je velmi jednoduchá; je znázorněna na obr. 6. Kromě Halbachovy soustavy permanentních magnetů se používá soustava obdélníkových, tzv. levitačních cívek spojených nakrátko. Navzájem jsou izolovány a jsou uloženy těsně vedle sebe. Levitační cívky jsou svou jednou stranou umístěny v oblasti těsně pod dolní částí Halbachovy soustavy a jsou zabudovány do jízdní dráhy. Naproti tomu Halbachova soustava magnetů je spojena s vozidlem. Jestliže se vozidlo pohybuje, indukují se v levitačních cívkách proudy, jejichž magnetické pole je v interakci s magnetickým polem permanentních magnetů a odpuzuje je. Na vozidlo působí dvě síly: jednak levitační síla, která vozidlo zvedá několik centimetrů nad jízdní dráhu, a dále brzdicí síla, která brání vozidlu v pohybu. Uvádí se, že levitační síla je mnohem větší než síla brzdicí. Při rychlosti 500 km/h je poměr levitace k brzdění asi 200 : 1.

Z uvedeného tedy plyne, že se v levitačních cívkách indukují proudy jen tehdy, když se vozidlo (spolu s Halbachovou soustavou magnetů) pohybuje. Aby levitující síla dosáhla velikosti potřebné k dosažení levitace vozidla, musí rychlost vozidla překročit jistou kritickou hodnotu. Ukazuje se, že tato kritická rychlost je poměrně malá, řádově jsou to metry za sekundu. Vozidlo tedy musí být opatřeno pomocnými koly pro rozjezd a doběh, podobně jako je tomu u japonského typu soudobých vozidel maglev. Levitační síla s rychlostí vozidla roste, až dosáhne jisté mezní hodnoty. Ta je poměrně značná, asi 40 tun/m² aktivního povrchu Halbachovy soustavy magnetů, jejichž hmotnost je jen asi 800 kg/m², tedy padesátina levitované hmotnosti.

Systém Inductrack má oproti dosavadním levitačním dopravním systémům významné výhody. Ve srovnání s německým Transrapidem odpadá náročné elektronické zařízení, které reguluje budicí proud magnetů a tím zajišťuje stabilní polohu levitovaného vozidla. Ve srovnání s japonským MLU není potřebné kryotechnické zařízení pro supravodivé magnety. Stejně jako tato japonská vozidla vyžaduje systém Inductrack pomocná kola pro rozběh, avšak kritická rychlost, při níž nastává levitace, je u systému Inductrack podstatně nižší.

Stejně jako u stávajících dopravních systémů maglev je třeba vozidlo systému Inductrack vybavit pohonem. Lze opět použít „lineární synchronní motor s dlouhým statorem„, přičemž běžící magnetické pole v jízdní dráze zabírá s Halbachovými magnety. Uvažuje se i o neelektrickém (např. pneumatickém) pohonu, což by znamenalo další významné zjednodušení, neboť by odpadla veškerá soustava napájení elektrickou energií.

Na obr. 7 je znázorněno použití systému Inductrack u magneticky levitovaného vozidla. Na každé straně vozidla se používají dvě Halbachovy soustavy magnetů. Dvojice větších soustav Halbachových magnetů jsou umístěny nad delšími stranami obdélníkových cívek, dvojice menších soustav Halbachových magnetů jsou natočeny o 90° a umístěny nad kratšími stranami levitačních cívek. Větší Halbachovy soustavy zajišťují levitaci vozidla, menší zajišťují boční stabilitu jedoucího vozu. Při porovnání levitovaného vozidla s Halbachovými soustavami magnetů s klasickou železnicí větší Halbachovy soustavy odpovídají kolům a menší Halbachovy soustavy mají funkci okolku kola běžícího po kolejnici. Na obr. 7 nejsou zakreslena pomocná kola vozidla pro rozběh a doběh a ani pohon vozidla není uveden. V uvažovaném uspořádání je využito výhodné rozložení magnetického pole Halbachovy soustavy magnetů, kdy silné magnetické pole na dolní části soustavy se využívá k levitaci vozidla, kdežto při horní části soustavy je magnetické pole slabé, a tedy nezasahuje do prostoru vozidla s cestujícími. Energie potřebná k provozu systému Inductracku a náklady na údržbu jsou nižší než u dosavadní železnice.

5. Závěr

Dopravní systém Inductrack je pozoruhodný svou jednoduchostí a tím i vysokou spolehlivostí. Analýza levitačních sil systému Inductrack [6] ukazuje, že největší síly vznikají při co nejvýraznějším indukčním charakteru levitačních cívek. Toho lze dosáhnout feromagnetickým jádrem. Kromě levitačních cívek se uvažuje [4] o ekonomicky výhodnější alternativě, u níž jsou levitační cívky nahrazeny hliníkovými plechy obdélníkového tvaru. Plechy jsou navzájem izolovány a složeny do paketů. Pohybem Halbachovy soustavy se v nich indukují vířivé proudy s obdobnými účinky jako u levitačních cívek.

NASA (National Aeronautics and Space Administration) se zabývá využitím systému Inductrack pro starty raketoplánů a kosmických raket. Jestliže by pomocí tohoto levitačního systému s Halbachovými magnety byla uvedena raketa na rychlost odpovídající Machovu číslu M = 0,8 (tj. 950 km/h), znamenalo by to úsporu raketového paliva o 30 až 40 %. Přitom se předpokládá, že délka startovací dráhy by byla asi 1 km.

Zdá se, že vývoj magneticky levitovaných dopravních systémů s permanentními magnety ještě není ukončen. Ruský profesor Oleg V. Tozoni, žijící v USA, vyvinul další zajímavý systém, který nazval Amlev. Tento systém je velmi důmyslný, avšak dosti komplikovaný; vysvětlení jeho funkce překračuje rámec tohoto článku. Zájemce se s ním může seznámit v publikacích [7] až [11].

O tom, zda zmíněné systémy ovlivní další vývoj dopravních zařízení s magnetickou levitací, bude možné rozhodnout až po provedení zevrubného teoretického a zejména experimentálního výzkumu. Do té doby má své oprávnění otazník uvedený v názvu tohoto článku.