El och nedkylda magneter satte fart på tågen

I oktober 1903 susar ett tåg fram på spåret mellan Berlin-Marienfelde och Zossen i Tyskland.

På den 23 kilometer långa teststräckan kör ett nytt tåg tillverkat av företagen Siemens & Halske och AEG, några av de första som använder växelström för framdrivning.

Siemens & Halskes 24 meter långa och 89 ton tunga tåg kommer upp i 206, 7 kilometer i timmen, men rekordet slås bara några dagar senare av AEG:s tåg som når upp i 210 kilometer i timmen. Rekordet markerar början på en ny tid för järnvägen, som dittills dominerats av långsamma, osande ånglok.

I perioder riskerade billiga flygresor att förpassa tågen till historieböckerna, men ingenjörernas förmåga att göra tågen snabbare och snabbare har gjort tågtrafiken konkurrenskraftig.

Framför allt större avstånd mellan stora städer i Europa och Asien driver ingenjörerna till att utveckla snabbare tåg och ny teknik, vilket nu har kulminerat i ett tåg som svävar fram ovanför spåren i över 600 kilometer i timmen.

Elektrisk arm revolutionerar tåg

I slutet av 1800-talet läggs grunden till de moderna höghastighetstågen i och med en rad viktiga uppfinningar.

År 1879 presenterade företaget Siemens & Halske världens första lok som i stället för att drivas av ånga drevs med elektricitet. Från ledningar som spänts upp ovanför spåret fick tåget ström till sina elmotorer via en så kallad pantograf, en mekanisk anordning som skapar kontakt mellan tågets elektriska system och kontaktledningen.

Ingenjörerna placerade flera mindre elmotorer i varje tågvagn och kunde på så vis överföra energin till hjulen på ett mer effektivt vis än i ång- eller diesellok, där loket längst fram släpar tågvagnarna efter sig.

När Drehstrom-Triebwagen slog hastighetsrekord år 1903 användes en ny lösning i form av ett trefasigt system med växelström i stället för likström, vilket gjorde det möjligt att köra med högre spänning i kontaktledningen. Därmed förlängdes tågsträckorna.

Metoden att förse hjulen med ström används fortfarande på höghastighetståg, som med hjälp av denna teknik kan komma upp i hela 574,8 kilometer i timmen. Uppfinningsrikedomen slutade emellertid inte med det.

Drehstrom-Triebwagen utnyttjade inte bara en ny teknik för att slå hastighetsrekordet. Ingenjörerna hade också förändrat själva tågets front från en klassisk avlång, rektangulär form till en aerodynamiskt utformad front.

Vindtunnlar används för att utveckla tågen

Tester i vindtunnlar visar att ju högre tågets hastighet är, desto viktigare är det att göra det aerodynamiskt och på så vis minimera luftmotståndet. I en fysikalisk formel för luftmotstånd ingår hastigheten som en variabel i kvadrat.

Det innebär att luftmotståndet ökar väldigt snabbt i takt med hastigheten. För att motverka detta måste ingenjörerna se till att vinden tar sig förbi tåget på ett så smidigt sätt som möjligt. Då åstadkommer tåget så kallad laminär strömning, det vill säga att varje luftpartikel följer ungefär samma spår som den föregående luftpartikeln när de passerar tåget.

Motsatsen är turbulent strömning, då partiklarna rör sig slumpmässigt och kaotiskt.

Det visste ingenjörerna bakom historiens snabbaste ånglok, brittiska Mallard, som år 1938 körde i 203 kilometer i timmen.

Jämfört med andra ånglok hade tåget en mycket aerodynamisk och strömlinjeformad utformning, som ingenjörerna åstadkommit genom att testa tåget i en vindtunnel.

De många testerna gjorde ångloket till ett höghastighetståg, trots att ångtekniken redan hade överträffats av såväl diesel- som eldrivna tåg.

En aerodynamisk utformning dominerar även de moderna höghastighetstågen, som har avlånga frontpartier. Ett bra exempel är de japanska höghastighetstågen på Tokaido Shinkansen-linjen, som ser ut att ha en anknäbb framtill.

Optimeringen av tågens utformning har fortsatt genom årtiondena, både för att minska buller och för att minimera tryckskillnaden när tågen passerar genom tunnlar i hög hastighet.

Den nuvarande kulmen av höghastighetstågens utveckling är japanska SCMaglev L0, som år 2015 slog hastighetsrekord genom att på ett testspår i Japan nå upp till hela 603 kilometer i timmen. Inom EU definieras höghastighetståg som antingen tåg som kör i minst 200 kilometer i timmen på uppgraderade existerande spår eller i minst 250 kilometer i timmen på spår byggda specifikt för höghastighetstrafik.

I dag optimerar datorsimuleringar tågens form med metoder som kallas computational fluid dynamics (CFD), där datorn efterliknar luftens rörelser kring en 3D-modell av tåget.

På så vis kan ingenjörerna testa och förbättra virtuella modeller av höghastighetståg framför en bildskärm.

Om det inte vore för ingenjörernas strävan att ständigt slå hastighetsrekord hade tåget aldrig blivit verklighet – och nästa fartrekord ligger precis runt hörnet.

Tågen tar över tronen från flyget

SCMaglev L0 är ett magnetsvävande tåg. Med så kallad magnetisk levitation svävar tåget fram genom det japanska landskapet cirka tio centimeter ovanför ett spår med starka inbyggda elektromagneter.

Tåget behöver därmed varken hjul eller axlar.

Följaktligen förekommer inte heller någon friktion metall mot metall, som minskar hastigheten.

Målet är att tåget före 2020-talets slut ska köra de 28 milen mellan Tokyo och Nagoya på bara 40 minuter, detta genom att hålla en hastighet av upp till 500 kilometer i timmen.

Den korta restiden gör tåget till en stark konkurrent till inrikesflyget, eftersom tåg stannar centralt i städerna, till skillnad från flygplan, som vanligen landar på en flygplats flera kilometer utanför storstädernas centrum.

Kinas tågtrafik överträffar Japans

I modern tid har Japan varit ett föregångsland för höghastighetstågens spridning.

Sedan år 1964 har de snabba tågen Tokaido Shinkansen transporterat 6,4 miljarder människor mellan Tokyo, Nagoya och Osaka.

Enligt Central Japan Railway har det under årens lopp inte inträffat något dödsfall eller ens någon personskada på snabbtågen, som kan skryta med att varje tåg i genomsnitt är endast 0,9 minuter försenat.

På senare tid har kineserna passerat Japan som det land i världen med flest spår för höghastighetståg. Världens folkrikaste land har i dag cirka två tredjedelar av världens spår för höghastighetståg samt världens snabbaste tåglinje i drift, Shanghai Transrapid. Det har en topphastighet av 431 kilometer i timmen.

Tåget är av typen maglev, en förkortning för magnetisk levitation, precis som höghastighetståget SCMaglev L0.

I stället för att köra på vanlig räls av stål följer tåget ett spår byggt av betong med inlagda elektriska spolar.

Vid låga hastigheter kör maglevtåget på gummihjul, där det är fysisk kontakt mellan hjul och spår. När hastigheten når över cirka 150 kilometer i timmen börjar tåget sväva omkring tio centimeter ovanför spåret.

Tekniken kallas electrodynamic suspension och fungerar på så vis att supraledande magneter under tågvagnarna skapar ett magnetfält i spolarna, som är motriktade och därmed håller tåget svävande i luften.

Supraledareffekt uppstår när ett elektrisk ledande material kyls till mycket låga temperaturer, vanligen under minus 200 grader Celsius. I dag används flytande helium för att få ner temperaturen så mycket, men SCMaglev och andra företag arbetar med att använda supraledande magneter som fungerar vid högre temperaturer och därmed inte förbrukar lika mycket el.

SCMaglev är för närvarande innehavare av fartrekordet, men det är bara en tidsfråga innan Kina tar över rekordet. Ett grupp kinesiska ingenjörer arbetar nämligen på ett magnetsvävande tåg som ska nå en topphastighet av 620 kilometer i timmen.

I oktober 2021 visades prototypen för tåget upp för pressen. Tanken är att det ska uppnå rekordhastigheten med hjälp av supraledande magneter som fungerar vid högre temperaturer, så kallade högtemperatursupraledare.

Rörtåg slår alla rekord

Om tågen ska kunna köra ännu snabbare krävs dock en helt annan teknik.

Ett bud på framtidens blixtsnabba tåg är hyperloop, en teknik som på senare år har förordats av Teslagrundaren Elon Musk.

Konceptet lades ursprungligen fram av den amerikanske rymdingenjören Robert H. Goddard år 1904.

Elon Musk har beskrivit hur tågvagnar som svävar på en kudde av luft i långa transportrör kan nå upp i 1 200 kilometer i timmen.

Principen är att pumpar suger ut luft ur röret tills trycket sjunker till cirka 100 pascal, omkring en tusendel av atmosfäriskt tryck, vilket nästan helt avlägsnar luftmotståndet.

Längst fram i tåget sitter en turbin som leder bort luften från tågets front och för den under tåget, detta i syfte att skapa den luftkudde som håller tåget svävande.

Liksom hyperloop använder maglevtog magneter och spolar i så kallade induktionsmotorer, där ett växlande magnetfält drar tåget framåt.

Om hyperlooptågen blir verklighet kommer höghastighetstågen att gå in i ett nytt tidevarv, då tågresor med över 1 000 kilometer i timmen som genomsnittlig hastighet kan bli vardag.