31 gennaio 2023
LEVITAZIONE MAGNETICA.
Nel lontano passato, sulla terraferma gli
uomini si spostavano a piedi, successivamente a cavallo, dopo ancora in
carrozza, oggi in auto, e in futuro ?
La tecnologia del trasporto guidato a levitazione
magnetica
Qesto post descrive i
tre sistemi presenti sul mercato basati sulla tecnologia della levitazione
magnetica: il Sistema Maglev, il Sistema HYPERLOOP e Sistema IRONLEV, fornendo
anche un confronto finale tra le linee ad AV tradizionali e i sistemi a
levitazione magnetica.
1. Sistemi a
levitazione magnetica
La levitazione
magnetica, nell’ambito del trasporto guidato, opera con l’azione di forze
elettromagnetiche per la mobilità del vettore basata sul principio di base del
magnetismo per cui due poli magnetici uguali si respingono, mentre due poli
opposti si attraggono.
Ad esempio in un
sistema di trasporto ferroviario su rotaia lungo le carrozze che compongono il
convoglio si possono posizionare elettromagneti (o bobine superconduttrici) con
lo scopo di generare un campo magnetico da corrente elettrica e lungo i
binari disporre bobine alimentate da una corrente trifase.
Pertanto, il
treno verrebbe costantemente attratto e spinto indietro nella direzione del suo
moto, mentre la propulsione potrebbe essere fornita da un motore lineare
sincrono.
ll motore
lineare sincrono nei treni può essere costituito da un rotore (posto sul
binario) e da uno statore (posto sotto il carro), entrambi separati tra loro.
La ricerca di
tecnologie avanzate con l’uso principalmente della levitazione magnetica e non
solo, nell’ambito del trasporto guidato, per la realizzazione di sistemi che
fossero in grado di fornire alte prestazioni di velocità, ha permesso di
ottenere risultati allineati a quelli aeronautici ma a più contenuto impatto
ambientale.
Inoltre i
sistemi a levitazione magnetica garantiscono un consumo energetico,
a parità di lunghezza di viaggio e medesima velocità operativa, molto inferiore rispetto
ai sistemi ferroviari su ruota.
Le tecnologie
moderne del settore, già sperimentate, si possono inquadrare in tre
sistemi:
·
Sistema MAGLEV (Magnetic
Levitation – levitazione magnetica) che utilizza magneti superconduttori
per far librare il convoglio sopra un binario elettrico, viaggiando a oltre 600
km/h. Raggiungere e mantenere l’equilibrio del convoglio sulla via di corsa è
un’azione complessa entrando in gioco forze gravitazionali, elettriche e
magnetiche.
·
Sistema HYPERLOOP (Brevetto
della Hyperloop Transportation Technologies) che utilizza tubi a bassa
pressione per poter spingere capsule, che possono contenere passeggeri o merci,
fino a velocità di 1.200 - 1.220 km/h. Le capsule si muovono su un cuscino
d'aria generato attraverso più aperture nella sua base, così da ridurre
ulteriormente l'attrito. In alternativa si possono utilizzare magneti
permanenti per la levitazione magnetica delle capsule.
·
Sistema IRONLEV che
utilizza un carrello a levitazione magnetica, studiato per funzionare sulle vie
di corsa ferroviarie già esistenti sino a velocità di 500 km/h.
Il sistema si potrà applicare su treni di nuova generazione, sostituendo le
ruote con pattini a levitazione magnetica appositamente studiati.
2. Il
Sistema Maglev
La levitazione
magnetica è una tecnologia di trasporto mediante la quale i convogli
si muovono guidati e spinti da campi magnetici mentre sono sospesi sopra una
via di corsa (guideway realizzata con materiali tradizionali acciaio,
calcestruzzo e alluminio), senza essere fisicamente a contatto con alcuna
superficie di scorrimento.
Il Maglev utilizza
un motore lineare e i cui avvolgimenti elettrici sono posizionati sul
guideway, in modo da produrre un campo elettromagnetico.
Il convoglio,
essendo sospeso in aria, non ha contatto con la via di corsa e quindi l'unica
forza che si oppone al moto è quella dovuta alla resistenza all'aria.
Di conseguenza
il Maglev è in grado di viaggiare a velocità elevatissime con un
consumo di energia contenuto e un livello di rumore accettabile.
Alcune tipologie
di convogli realizzati sono in grado di viaggiare ad oltre 600 km/h, velocità
comparabile con quella del trasporto aereo.
Il principio
di funzionamento del Maglev si può così riassumere:
·
utilizzando due magneti accostati con
i poli opposti su di una superficie liscia, attraverso il blocco di uno dei
magneti avviene lo scivolamento del secondo sulla superficie liscia.
La tecnologia di
sospensione è stata studiata con l’applicazione di tre tipologie
alternative:
·
la prima è la sospensione elettromagnetica,
in cui sono utilizzati elettromagneti convenzionali che sorreggono il treno
sopra la via di corsa;
·
la seconda, invece, è la sospensione
elettrodinamica, che sfrutta le polarità opposte dei magneti del veicolo e
delle rotaie, mettendo in movimento il veicolo con la forza repulsiva fra di
essi;
·
la terza si basa sull'effetto
di repulsione di elementi magnetici permanenti posti sul veicolo.
Il sistema utilizza elettromagneti non alimentati (passivi) e magneti
permanenti.
Le prime due
tipologie di tecnologia sopracitate, per consentire il movimento del convoglio
mantenendolo sospeso sopra la via di corsa, utilizzano un’onda magnetica che si
propaga lungo la guideway.
2.1 Sistema a
sospensione elettromagnetica (EMS)
La sospensione
elettromagnetica è un sistema di levitazione che utilizza una forza
magnetica attrattiva per mezzo della quale elettromagneti convenzionali
collocati all’interno delle due estremità curve site sotto e sui fianchi
interni del convoglio, interagiscono e sono attratti da sbarre ferromagnetiche
poste sulla guideway stessa (Fig.1).
Questo sistema, intrinsecamente
instabile, è reso operativo da sistemi di controllo elettronici che
mantengono costante l'apertura d’aria tra il veicolo e la guideway. Tale
distanza, approssimativamente di 15 mm, deve essere costantemente misurata e
corretta per impedire al veicolo di urtare contro la guideway stessa.
Le variazioni
dei carichi trasportati in termini di peso, carichi dinamici e irregolarità
della guideway sono compensate dal cambiamento dell'intensità del campo
magnetico in risposta alle diverse misurazioni dell'apertura d'aria ossia la
distanza tra convoglio e guideway.
Nel sistema EMS,
i magneti avvolgono le sbarre d’acciaio della pista e sono controllati
attivamente da sensori elettronici che misurano l’apertura d'aria.
2.2 Sistema a
sospensione elettrodinamica (EDS)
Questo sistema,
per ottenere la levitazione, utilizza le forze opposte tra i magneti installati
sotto il convoglio e le strisce o gli avvolgimenti elettricamente conduttivi,
siti sulla guideway.
Il sistema è intrinsecamente
stabile e non richiede monitoraggi e correzioni.
Inoltre, tra la
guideway e il convoglio vi è un’apertura d'aria relativamente ampia, in genere
compresa tra 100 e 150 mm.
I convogli EDS
utilizzano magneti superconduttori, estremamente potenti e
leggeri ma più costosi dei magneti convenzionali e richiedono un sistema
di refrigerazione installato sul convoglio che li mantenga a bassa
temperatura.
La levitazione
in un sistema EDS è il risultato del movimento relativo fra i magneti e le
bobine. Questo tipo di levitazione è intrinsecamente stabile sopra di una certa
soglia di velocità.
Le correnti
indotte esercitano una forza per muovere i magneti in modo che possano
interagire con le bobine generando un flusso magnetico.
2.3 Sistema a
sospensione con magneti permanenti (Inductrack)
Questa
tecnologia, la più economica e promettente, si basa
sull'effetto di repulsione di elementi magnetici permanenti posti sul veicolo.
Il sistema utilizza elettromagneti non alimentati (passivi) e magneti
permanenti (Fig. 3).
Nella condizione
di fermo, il convoglio poggia su ruote di gomma. Per iniziare a muoversi, il
convoglio avanza lentamente sulle ruote, consentendo ai magneti sotto il treno
di interagire con quelli dei binari.
Una volta che il
convoglio raggiunga i 150 km/h, la forza magnetica è sufficiente da permetterne
un sollevamento di 100 mm da terra, eliminando l’attrito e per consentire di
operare a velocità sempre più elevate.
L’unico
requisito richiesto, per mantenere la levitazione, è
il movimento del convoglio a bassa velocità (pochi Km/h,
all'incirca a passo d'uomo).
I circuiti
conduttori sul tracciato traggono energia dal movimento del treno (questo viene
denominato trascinamento magnetico), assicurando una buona efficienza.
I magneti e il
carrello sono alimentati solo nella fase di accelerazione del carrello.
Il sistema Inductrack:
·
venne sviluppato originariamente dal
fisico Richard Post del Lawrence Livermore National Laboratory per creare un
motore magnetico che immagazzinasse energia attraverso il movimento del
carrello; utilizza per stabilizzarsi degli Halbach array (magnete permanente
Halbach), costituiti dall’unione di magneti permanenti disposti in modo da
rafforzare il campo magnetico lungo una faccia dell'array e contemporaneamente
per cancellare con interferenza, il campo magnetico nella faccia opposta. Gli
Halbach array quindi, stabilizzano il movimento del treno con le linee di forza
magnetiche senza necessità di elettronica.
·
Si precisa che Halbach array è, come
detto, una struttura magnetica. Utilizza una disposizione speciale di
unità magnetiche per migliorare l'intensità del campo.
·
L'obiettivo è utilizzare la minor
quantità di magneti per generare un campo magnetico potente.
Per le sue eccellenti caratteristiche
di distribuzione del campo magnetico, gli Halbach array sono utilizzati nella
levitazione magnetica.
Gli array lineari Halbach sono attualmente
utilizzati principalmente nei motori lineari.
Il principio di levitazione del treno
maglev è legato al magnete mobile che interagisce con il campo magnetico
generato dalla corrente indotta nel conduttore per generare forza di
levitazione e, contemporaneamente, operare la repulsione magnetica.
Migliorare la galleggiabilità e il
rapporto di repulsione è la chiave per ottimizzare le prestazioni del sistema
di levitazione, che richiede:
·
il peso del magnete di bordo
leggero,
·
elevato campo magnetico,
·
campo magnetico uniforme,
·
alta affidabilità.
L'Halbach array è installato
orizzontalmente al centro del corpo vettura e frontalmente interagisce con
l'avvolgimento al centro della pista per generare forza propulsiva. Tale
geometria frontale massimizza il campo magnetico con una piccola quantità di
magneti, mentre il lato posteriore dell’Halbach array è avvolto da minori campi
magnetici.
Le forze magnetiche di sollevamento
del convoglio attivano lo spostamento contestuale in avanti mantenendolo al
centro dei binari.
Si tratta della stessa tecnologia
utilizzata da Tesla’s Hyperloop, che rende la guida fluida e il convoglio ad
alto grado di sicurezza nell’esercizio.
Il sistema Inductrack per i treni
maglev evita le problematiche che coinvolgono entrambi i sistemi EMS ed EDS,
specialmente per le sospensioni di sicurezza.
Utilizza solo magneti permanenti in
un Halbach array montati sul vagone del treno e circuiti conduttivi non
alimentati installati sul tracciato per provvedere alla levitazione.
Come detto l'unico requisito è che il
treno, per mantenere la levitazione, debba essere già in movimento a pochi
chilometri orari (all'incirca a passo d'uomo).
Ad una certa velocità critica il
campo magnetico indotto è abbastanza forte da indurre la levitazione sopra una
serie di circuiti del campo. Gli Halbach array si possono distribuire in una
configurazione stabile ed essere installati, ad esempio, in un vagone
ferroviario.
Immagini
Le immagini mostrano 2 treni a
levitazione magnetica attualmente in funzione, uno a Tokio in Giappone, l’altro
a Shanghai in Cina. Nulla di strano, sono stati i giapponesi a inventare il
transistor che ha cambiato il mondo, mentre i cinesi attualmente hanno
produzioni che da sole superano in volume quelle di altri paesi messi insieme.
13 gennaio 2023
GRAVITA'.
Spesso la gravità viene descritta come interazione tra
masse. "Due corpi dotati di massa si attraggono con una forza
che è direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente
proporzionale al quadrato della distanza che li separa".
Penso che tale definizione sia fuorviante. Nello
spazio, ogni massa genera gravità, indipendentemente dalla presenza di altri
corpi. L’attrazione tra corpi esiste, ma è un fenomeno diverso, dovuto alla contemporanea
perturbazione dello spaziotempo da parte di due corpi non troppo liontani che
come conseguenza produce il fenomeno dell’attrazione.
Per avere una idea approssimativa di come
funziona la gravità basterà pensare alle sabbie mobili, dentro le quali si
affonda perchè dotati di massa, quindi di peso, ma non interviene alcuna
attrazione.
Oppure, scavando un buco nella sabbia, la
formica che cammina sul bordo del buco, prima o poi scivolerà dentro verso il
basso, ma non c’è nulla che la attrae.
Penso che gravità e attrazione
gravitazionale siano fenomeni diversi ma con origine comune, come un metallo
incandescente, che genera luminosità e calore, due effetti ben distinti aventi
la stessa origine.
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