TRENES DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA

INDICE 1.-INTRODUCCIÓN. ...................................................................................................... 3 2.- EFECTO MEISSNER. ................................................................................................ 3 3.- PRINCIPIOS DE LA LEVITACIÓN MAGNÉTICA. ............................................... 6

3.1.- SUSPENSIÓN ELECTRODINÁMICA (EDS). .................................................. 6 3.2.- SUSPENSIÓN ELECTROMAGNÉTICA (EMS)............................................... 7 3.3.- SUSPENSIÓN CON IMANES PERMANENTES (Inductrack). ........................ 9

4.-PRINCIPIO DEL GUIADO LATERAL. .................................................................. 11 5.- PRINCIPIO DE PROPULSIÓN. .............................................................................. 12 6.- MECANISMO DE FRENADA. ............................................................................... 14 7.- EXPLOTACIÓN COMERCIAL. ............................................................................. 15 8.- PROYECTOS FUTUROS. ....................................................................................... 21

8.1.- PROYECTOS EN ESTADOS UNIDOS. .......................................................... 21 8.2.-PROYECTOS EN EL RESTO DEL MUNDO................................................... 23

1.-INTRODUCCIÓN. El tren de levitación magnética, también conocido como Maglev, es un sistema de transporte ferroviario en el cual el tren levita sobre una vía sustentado por campos magnéticos. La levitación magnética se produce se consigue gracias a las fuerzas de atracción / repulsión existentes entre los polos de los imanes o bien debido a el efecto Meissner que es una propiedad inherente de los superconductores. Este estado de suspensión limita el rozamiento del convoy al aire ambiental, permitiendo a este sistema ferroviario alcanzar velocidades casi imposibles de conseguir en un ferrocarril convencional (hasta 600 km/h en prototipos).

Foto 1 Tren de levitación magnética transrapid.

2.- EFECTO MEISSNER. El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 midiendo la distribución de flujo en el exterior de muestras de plomo y estaño enfriados por debajo de su temperatura crítica en presencia de un campo magnético. Meissner y Ochsenfeld encontraron que el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y que las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material, por lo que este se comporta como un material diamagnético perfecto. El efecto Meissner es una de las propiedades que definen la

superconductividad y su descubrimiento sirvió para deducir que la aparición de la superconductividad es una transición de fase a un estado diferente. La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura que se muestra en la figura.

Figura 1. Expulsión del campo magnético por debajo de la temperatura crítica.

La primera teoría fenomenológica que explica el efecto Meissner se basa en la ecuación de London,

donde λL depende de la cantidad ns de electrones (por unidad de volumen, es decir, densidad) que se encuentran en estado superconductor:

La ecuación, desarrollada por los hermanos Fritz y Heinz London en 1935, explica la forma que ha de tener un campo magnético para que se cumplan las condiciones fundamentales que se dan en el efecto Meissner, que son:

• Que el campo magnético sea nulo en el interior del superconductor.

• Que las corrientes eléctricas estén limitadas a la superficie del superconductor, en una capa de un espesor del orden de lo que se conoce como la longitud de penetración λL, siendo nulas en el interior.

Los hermanos London desarrollaron su teoría pensando que los portadores de carga eran electrones, lo cual se vio que era erróneo varias décadas después. Sin embargo, a pesar

de este desacierto inicial, los resultados experimentales no se vieron muy afectados debido a que la longitud de penetración es esencialmente la misma en ambos casos:

magnitud idea inicial de los hermanos London idea posterior con pares de Cooper

carga q -e (carga de un electrón) -2e

masa m me (masa de un electrón) 2me

densidad de partículas en estado superconductor ns ns/2

longitud de penetración λL

El primero en darse cuenta del error fue Lars Onsager en 1953 investigando la cuantización del flujo magnético que pasa por un anillo superconductor: el valor mínimo del flujo le salía exactamente la mitad de lo que debía ser, lo cual está acorde con una carga 2e. Basándose en esta idea Cooper expondría la idea de que los portadores de carga no son en realidad electrones, sino parejas de electrones (conocidas como pares de Cooper), como se explicó con todo detalle en la teoría BCS más tarde. La ecuación de London tiene diversas limitaciones. La principal de ellas es que no respeta el principio fundamental de la física según el cual dos sucesos lo suficientemente alejados uno de otro no pueden interferir entre sí. Dicho de otra forma, se trata de una teoría no local. Esto se debe a que los dos electrones que forman el par de Cooper están relativamente alejados uno de otro. No obstante, en su momento los hermanos London no podían saber esto, ya que ni siquiera sabían que se trataba de dos electrones juntos en lugar de uno. Para resolver esto Brian Pippard presentó 1953 la ecuación de Pippard, que es más general que la de los hermanos London, y fue corroborada poco más tarde por la teoría BCS. Debido a la dependencia de la longitud de penetración con la densidad de electrones en el estado superconductor, es fácil ver que cuanto más se acerque la temperatura de la

muestra a la temperatura crítica, menos electrones habrá en estado superconductor y por lo tanto el campo magnético penetrará cada vez más en el superconductor. Cuando el superconductor alcanza la temperatura crítica la longitud de penetración tiende a infinito, lo que significa que el campo magnético puede penetrar en la muestra sin oposición alguna, es decir, el efecto Meissner desaparece. Históricamente fue difícil comprender por qué la longitud de penetración aumentaba con la temperatura, ya que no se supo hasta más tarde que los electrones en estado superconductor (es decir, aquellos que están de dos en dos formando pares de Cooper) conviven con los electrones en estado normal (es decir, desapareados), y que la densidad de electrones en un estado u otro depende de la temperatura. Teniendo en cuenta la definición dada más arriba, tomando los valores correspondientes a las constantes y dando a la densidad de electrones en estado superconductor ns un valor típico de unos 1023 electrones por cm3 (que será menor a medida que la temperatura se acerque a la crítica) obtenemos una longitud de penetración λL ~ 1700 Å, lo que corresponde a una penetración entre los centenares y los millares de capas atómicas, lo cual corresponde bastante bien con los valores experimentales.

3.- PRINCIPIOS DE LA LEVITACIÓN MAGNÉTICA. En la actualidad existen tres sistemas de levitación magnética:

• Suspensión electrodinámica (EDS) desarrollado en Japón. • Suspensión electromagnética (EMS) desarrollado en Alemania. • Suspensión con imanes permanentes (Inductrack) desarrollado en Estados

Unidos.

3.1.- SUSPENSIÓN ELECTRODINÁMICA (EDS). Se basa en el efecto Meissner y por lo tanto requiere que el material se encuentre en estado superconductor. La suspensión consiste en que el superconductor rechaza las líneas del campo magnético de manera que no pasan por su interior provocando la elevación del tren, para lo que se utilizan unas bobinas situadas sobre el carril guía que, al ser inducidas por el movimiento del vehículo, actúan como electroimanes rechazando entonces a los superconductores que se encuentran en el interior del tren y provocando la levitación. En reposo la fuerza de levitación es cero por lo que los trenes dotados de este sistema necesitan estar dotados de unas ruedas neumáticas para guiar el tren hasta que alcance una velocidad suficiente para levitar. Este sistema permite altas velocidades y mucha carga de peso pero genera unos campos magnéticos muy elevados por lo que hay que proteger a los pasajeros con complejos sistemas de protección a las radiaciones magnéticas.

La principal ventaja es su estabilidad puesto que el sistema permite levitaciones de hasta 15 centímetros por lo que las guías son menos precisas y permiten pequeñas deformaciones producidas por terremotos, además el tren se amolda a las curvas compensando la aceleración lateral. Este sistema al necesitar superconductores requiere de sistemas de refrigeración próximos a los 0 grados Kelvin por lo que, hasta que no se evolucione en la obtención de superconductores en caliente, el coste por kilómetro es muy elevado.

Figura 2.Esquema de la suspensión EDS.

3.2.- SUSPENSIÓN ELECTROMAGNÉTICA (EMS). Este sistema utiliza electroimanes y la levitación se produce por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía. La parte inferior del tren queda por debajo de una guía de material ferromagnético, que no posee magnetismo permanente, tal como se aprecia en la figura.

Figura 3.Esquema de la suspensión EMS.

Cuando se ponen en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción. Ya que el carril no puede moverse, son los electroimanes los que se mueven en dirección a éste elevando con ellos el tren completo. Sensores en el tren se encargan de regular la corriente circulante en las bobinas, como resultado el tren circulará a una distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. La principal ventaja de las suspensiones EMS es que usan electroimanes en vez de los complicados imanes superconductores que exige la suspensión EDS. Por no necesitar imanes superconductores, no son necesarios complicados y costosos sistemas de refrigeración. Aunque el consumo actual del EMS es inferior al del EDS, se espera que, con el avance de las investigaciones en superconductividad, los consumos de las suspensiones EDS bajen considerablemente. Este sistema no genera unas radiaciones electromagnéticas peligrosas como en el sistema EDS ya que el campo electromagnético se concentra en el espacio entre las dos bobinas disminuyendo de tal manera que en la zona donde se ubican los pasajeros es comparable al campo magnético terrestre.

Figura 4.Campo electromagnético producido por el sistema EMS.

Aún así los trenes de suspensión EMS sufren ciertas limitaciones, la principal es su inestabilidad. Cuando la distancia entre la guía y los electroimanes disminuye, la fuerza de atracción crece y, aunque la corriente eléctrica circulante en los electroimanes puede ser regulada inmediatamente, existe el peligro de que aparezcan vibraciones o de que el tren toque la guía. Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción, lo cual encarece su producción. Una pequeña desviación de unos pocos milímetros a lo largo de la estructura del tren puede provocar un desastre. Además, con unas tolerancias tan pequeñas un simple terremoto podría destruir completamente todo un sistema de líneas maglev. Por otro lado la amplitud del hueco entre vehículo y guía no puede ampliarse porque el costo de esto haría al sistema prohibitivo.

3.3.- SUSPENSIÓN CON IMANES PERMANENTES (Inductrack). Se ha desarrollado por el Dr Richard F. Post del Lawrence Livermore National Laboratory y consiste básicamente en un sistema EDS que, el lugar de materiales superconductores, utiliza imanes permanentes. La fuerza de levitación de los imanes permanentes es muy pequeña para crear un campo suficiente para ser útil en cualquier diseño de maglev, no obstante si los imanes permanentes se disponen en un orden determinado denominado ordenación Halbach esta fuerza magnética se incrementa hasta ser suficiente para sustentar un maglev.

La matriz Halbach (Halbach array) es una combinación especial de imanes permanentes dispuestos para reforzar el campo magnético a un lado de la matriz mientras que elimina por interferencia el campo magnético en el lado opuesto.

Figura 5.Ordenación Halbach. El diseño (en la parte frontal, la derecha arriba, la izquierda abajo) puede continuar hasta el infinito sin ningún problema. Es un proceso similar a la disposición de los imanes en forma de herradura dispuestos alternativamente con la polaridad invertida.

Figura 6.Esquema de un maglev con ordenación Halbach.

Utilizando esta ordenación de imanes naturales y la inducción que se produce en las bobinas por efecto de la velocidad se consigue tanto la levitación magnética como el guiado del tren conforme se observa en la figura 7.

Figura 7.Esquema de la suspensión Inductrack .

4.-PRINCIPIO DEL GUIADO LATERAL. Los maglev necesitan, además del sistema de levitación magnética un sistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía como consecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir. En la suspensión EMS, se instalan unos imanes en los laterales del tren los cuales, a diferencia de los ubicados para permitir al tren levitar y moverse, solamente actuarán cuando este se desplace lateralmente, ejerciendo fuerzas de atracción del lado que más se aleje de la vía. En el sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación los encargados del guiado lateral del tren. Las bobinas de levitación están conectadas por debajo del carril-guía formando un lazo como se aprecia en la figura 8.

Figura 8.Principio de la guía lateral en un sistema EDS .

Así, cuando el vehículo se desplaza lateralmente, una corriente eléctrica es inducida en el lazo, lo que da como resultado una fuerza repulsiva del lado más cercano a las bobinas de levitación, obligando al vehículo a centrarse. Si el tren por alguna causa se hundiese en el carril-guía este respondería con un aumento de la fuerza repulsiva, lo cual equilibraría este acercamiento; en contraste con el sistema EMS en el cual la fuerza atractiva aumenta si el vehículo se acerca a la guía. En el sistema Inductrack se disponen unos imanes ordenados según la matriz Halbach que mediante la repulsión magnética de la bobina guía el tren de forma similar a un sistema EDS.

5.- PRINCIPIO DE PROPULSIÓN. Un tren maglev es propulsado mediante un motor lineal. El funcionamiento de un motor lineal deriva de un motor eléctrico convencional donde el estator es abierto y “desenrollado” a lo largo del carril-guía en ambos lados, como se ve en la figura 9.

Figura 9.Esquema de un motor lineal del Maglev .

La propulsión en los tres sistemas se logra generalmente mediante la utilización del LSM, linear synchronous motor o motor lineal síncrono. Este sistema de propulsión utiliza como estator un circuito de bobinas sobre la vía, por el cual circula una corriente alterna trifásica controlada. El rotor esta compuesto por los electroimanes del tren, en el caso de un EMS, o las bobinas superconductoras en un EDS. El campo magnético que crea la corriente alterna del estator interactúa con el rotor (electroimanes o bobinas superconductoras) creando una sucesión de polos norte y sur que empujarán y tirarán del vehículo hacia delante, como muestra la figura 10.

Figura 10.Propulsión de un Maglev .

Este campo magnético (también llamado "onda magnética") viajará junto al tren a través del carril-guía, permitiéndole a este acelerar. Así, el rotor viajará a la misma velocidad que el campo magnético. La regulación de la velocidad del tren se logra bien regulando la frecuencia de la onda magnética (o sea, variando la frecuencia de la corriente alterna) o bien variando el número de espiras por unidad de longitud en el estator y el rotor. Una característica importante de este sistema es que la energía que mueve al tren no la provee el mismo tren, sino que esta es proveída por las vías. Esto permite evitar un malgasto de energía fraccionando la vía en secciones, de manera que cada una tenga su alimentación, de esta manera solamente estarán activos aquellos tramos de la vía por los que en ese momento esté transitando el tren.

Figura 11.Suministro de energía a la vía . Los trenes maglev, gracias a su sistema de propulsión, son capaces de circular por desniveles de hasta 10 grados, en contraste con los trenes convencionales que sólo pueden circular por pendientes con desniveles de hasta 4 grados.

Figura 12.Pendientes máximas . Además la velocidad que alcanzan los trenes maglev es muy superior a la alcanzada por los trenes convencionales (inclusive los trenes eléctricos), llegando hasta 500 Km/h (hasta el momento) y su consumo es de solamente un 40 % del combustible usado por un automóvil por pasajero y kilómetro, debido a la reducción del rozamiento con la vía.

6.- MECANISMO DE FRENADA. El frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al motor lineal. Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente trifásica en la vía (estator) de manera que se cree una fuerza en sentido contrario al avance del tren. Bajo condiciones normales, la desaceleración límite sería la misma que la aceleración límite: 1,8 m/s2 (este límite de aceleración se escoge de manera que no sea molesto para los pasajeros). En condiciones de emergencia, el motor lineal puede desacelerar al tren a 3,5 m/s2 aproximadamente. Es posible aumentar aún la capacidad de frenada, en situaciones de extrema emergencia, mediante el uso de un sistema de frenado aerodinámico, el cual amplía la superficie frontal del tren, como se ve en la fotografía.

Foto 2. Mecanismo de freno aerodinámico. Este sistema se reserva solamente para situaciones de extrema emergencia ya que la desaceleración producida es muy elevada (alrededor de 12 m/s2 ), razón por la cual los

pasajeros deberían ser avisados unos segundos antes de ser utilizado, cosa que no siempre sería posible. No obstante los frenos aerodinámicos también podrían ser utilizados en ocasiones donde no haría falta una gran desaceleración, simplemente para ayudar al motor de manera de no tener que forzarlo demasiado. En un tren con EMS, en condiciones normales, este deja de levitar cuando su velocidad se aproxima a los 10 Km/h (esto se hace de manera voluntaria, ya que con suspensión EMS el tren puede mantenerse levitando aún estando parado). En ese momento se desprenden unos patines incorporados al tren, con un coeficiente de fricción determinado, que hacen que el tren se detenga por completo. En un tren con EDS, el tren dejará de levitar también aproximadamente a unos 10 Km/h (aunque no de manera voluntaria), momento en que las ruedas neumáticas entran en funcionamiento y el tren utiliza entonces frenos hidráulicos para detenerse.

7.- EXPLOTACIÓN COMERCIAL.

El 31 de diciembre de 2002 se realizó el viaje inaugural del tren maglev Transrapid en su primera línea comercial en el mundo entre Shanghai Long Yang Road y el aeropuerto de Pudong. A bordo viajó el primer ministro chino Zhu Rongji, el Canciller alemán Gerhard Schröder y otras autoridades políticas y empresariales de ambos países.

El tren utilizado es de tecnología EMS y patente alemana (Consorcio Transrapid Siemens/ThyssenKrupp), dado que es hasta el momento la única experiencia comercial del mundo estudiaremos para esta línea y tecnología algunos detalles constructivos y de consumo energético.

La línea en concreto tiene 30 kilómetros de longitud y conecta, a una velocidad comercial de 430 km/h el aeropuerto de Pudong con la ciudad de Shangai. Tarda 8 minutos en realizar el trayecto y tiene una frecuencia de 10 minutos.

Foto 3. Transrapid de Shangai.

Figura 13.Detalles del trazado .

Los vehículos pueden ser de 2 o de 3 secciones.

Figura 14.Tipos de trenes .

El control del trafico, como en cualquier línea de Alta Velocidad, es centralizado conforme se aprecia en la figura.

Figura 15.Control del tráfico.

Las estructuras sobre las que se sustenta el tren son de hormigón y tienen luces variables en función del canto de la viga.

Figura 16.Estructuras.

Los desvío se realizan moviendo toda la viga puesto que esta forma parte del motor del tren.

Figura 17.Aparatos de vía. Como se dijo en el apartado 5 el suministro de energía se realiza exclusivamente en el tramo de vía donde está el tren por lo que el consumo energético no es tan elevado como podría parecer en un principio.

Figura 18.Suministro de energía.

En comparación con un tren de alta velocidad este sistema presenta una serie de ventajas:

• Las pendientes que admite el Maglev, conforme se puede ver en la figura 12 son muy superiores a las de un tren AVE por lo que el trazado en alzado es menos exigente.

• La aceleración, según se observa en la figura es muy superior.

Figura 19.Comparación de la aceleración .

• El consumo energético por asiento y kilómetro es similar a 400 km/h al de un

tren AVE tipo 103 a 300 km/h

Figura 20.Comparación de consumo energético .

En cuanto a las emisiones de CO2 a la atmósfera se observa que es proporcional al consumo energético en comparación con un tren AVE y muy inferior a las emisiones de un coche o un avión.

Figura 21.Comparación de emisiones de CO2 .

• La emisión de ruido es similar a la de los trenes AVE.

Figura 22.Comparación de emisiones de ruido.

• En referencia a la ocupación de terrenos, al ir en viaducto el 100% del trazado, requiere de mucha menos expropiación que cualquier otra obra lineal.

Figura 23.Ocupación de terrenos.

• Como se aprecia en la figura 4 la emisión electromagnética de este tipo de trenes es muy inferior al que emite una televisión, esto no se produce en las tecnologías EDS.

8.- PROYECTOS FUTUROS. Transrapid está actualmente desarrollando importantes proyectos en el mundo.

8.1.- PROYECTOS EN ESTADOS UNIDOS. Se están realizando proyectos actualmente entre Baltimore y Washington, Pittsburgh Airport - Pittsburgh – Greensburg y Las Vegas-Los Ángeles. Conforme se puede ver en la figura 24.

Figura 24.Proyectos en EEUU.

Baltimore-Washington consta de 62,8 kilómetros se calcula un tiempo de viaje de 18,5 minutos y una frecuencia de trenes de 12 minutos.

Figura 25. Baltimore-Washington.

Pittsburgh Airport - Pittsburgh – Greensburg consta de 86,9 kilómetros se calcula un tiempo de viaje de 35 minutos y una frecuencia de trenes de 7,5 minutos.

Figura 26. Pittsburgh Airport - Pittsburgh – Greensburg.

Las Vegas-Los Ángeles consta de 56 kilómetros y se calcula un tiempo de viaje de 11 minutos.

Figura 27. Las Vegas-Los Angeles.

8.2.-PROYECTOS EN EL RESTO DEL MUNDO. Se están realizando 2 proyectos en el Golfo Pérsico.

Figura 28. Golfo Pérsico.

En Gran Bretaña se pretende conectar Londres con Birmingham, Newcastle y Glasgow.

Figura 29. Gran Bretaña.

En Holanda se ha planteado un anillo que conecte en un tiempo máximo de 45 minutos Ámsterdam con las principales ciudades.

Figura 29. Holanda.

En cuanto a la tecnología EDS de Japón esta previsto en el año 2025 conectar Tokio y Nagoya a 500 km/h. No obstante esta tecnología no será rentable hasta que no se avance en el campo de los superconductores.