Maglevtåg på spår

El och nedkylda magneter satte fart på tågen

Vindtunneltester, aerodynamisk design och supraledande material har fått världens snabbaste tåg att köra i över 600 kilometer i timmen. Nu ska kinesiska ingenjörer höja supraledarnas temperatur och göra tågen ännu snabbare.

Vindtunneltester, aerodynamisk design och supraledande material har fått världens snabbaste tåg att köra i över 600 kilometer i timmen. Nu ska kinesiska ingenjörer höja supraledarnas temperatur och göra tågen ännu snabbare.

Claus Lunau

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.

AEG:s elektriska tåg från 1903 som satte rekord

Företaget AEG tillverkade ett elektriskt tåg som satte rekord 1903. Fronten på tåget var avsmalnad av för att öka tågets aerodynamiska egenskaper.

© Ukendt

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.

Pantograf
© Claus Lunau

Pantografen satte fart på eltågen

Tågets strömavtagare, pantografen, överförde snabbt och smidigt ström från kontaktledningar till en transformator i tåget och gav därmed tåget elektrisk framdrivning.

Huvudet överför strömmen

Överst sitter huvudet med två vågräta ytor, som har klätts med kolfiber för att minska slitaget. Huvudet trycks mot kontaktledningarna, som går i sicksack ovanför spåret för att fördela slitaget på pantografens huvud.

Metallarmar ger flexibilitet

Under huvudet sitter metallarmar i en v-form, i kombination med en fjäder som ser till att huvudets höjd hela tiden anpassas, så att det håller ett jämnt tryck mot kontaktledningen.

Lufttryck lyfter metallarmar

Kontaktledningen ovanför tåget fungerar som pluspol, medan spåren är minuspol. Tillsammans ger det ström, som skickas till en kondensator, det vill säga ett slags laddbart batteri. Elen driver sedan tågets motor.

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.

Under 1800- och 1900-talet såg fyra män till att föra ut tågen ur ångmotorns era och leda dem in i höghastighetstågens tidsålder.

Werner von Siemens
© Siemens

1. Siemens införde kontaktledningar

År 1866 upptäckte den tyske uppfinnaren Werner von Siemens den dynamoelektriska effekten och fördelarna med växelström. År 1879 presenterade hans företag det första tåget som fick ström från ledningar ovanför tågspåren.

Walter Reichel
© Siemens

2. Tysk uppfann pantografen

Den tyske ingenjören Walter Reichel uppfann en av de första så kallade pantograferna, som leder ström från kontaktledningen till tågets elmotor. Reichel var med om att slå hastighetsrekord med 210 kilometer i timmen år 1903.

Francis Wenham
© MEPL/Ritzau Scanpix

3. Brittisk ingenjör skapade vindtunneln

Den brittiske ingenjören Francis Wenham tänkte ut och byggde en sluten vindtunnel. Vindtunnlar har senare gjort det möjligt att testa flygplansvingars, bilars och inte minst höghastighetstågs aerodynamiska egenskaper.

Eric Laithwaite
© Wikipedia

4. Laithwaite utnyttjade elektromagnetism

Britten Eric Laithwaite uppfann den linjära induktionsprincipen, som driver maglevtåg med hjälp av elektromagnetism. Han var med och utformade en tidig version av detta system, som lyfter upp tågen ovanför spåren.

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.

Tokaido Shinkansen

Tokaido Shinkansen har transporterat miljardtals passagerare i Japan sedan det togs i drift år 1964. Här har tåget stannat vid en station i Tokyo.

© Shutterstock

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.

Maglevtåg under konstruktion

Magnettåget SCMaglev L0, som har kraftfulla elektromagneter, svävar cirka tio centimeter ovanför spåret.

© Ritzau Scanpix

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.

Tre höghastighetståg slog rekord

Från trefasig växelström till linjär induktionsmotor. Här är tre rekord i tågens utvecklingshistoria.

Drehstrom-Triebwagen, silhuett
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

1903: Tyskt eltåg spränger fartgränsen

Efter en tävling mellan förtagen AEG och Siemens & Halske slog det senare år 1903 världsrekord med en hastighet på 210 kilometer i timmen. Tåget fick ström från kontaktledningar ovanför spåret.

Tokaido Shinkansen, silhuett
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

1964: Japanskt snabbtåg slår rekord

År 1964 når japanska Tokaido Shinkansen en topphastighet av 320 kilometer i timmen. Därmed blir tåget världens snabbaste tåg i passagerartrafik. Normalt kör det emellertid i lägre hastigheter, omkring 220 kilometer i timmen.

SCMaglev L0, silhuett
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

2015: Snabbtåg kör snabbare än 600 kilometer i timmen

I april 2015 slår maglevtåget SCMaglev L0 alla tidigare hastighetsrekord genom att på en teststräcka nå upp i 603 kilometer i timmen. För att uppnå sin höga fart använder tåget en linjär induktionsmotor och supraledande magneter.

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.

SCMaglev L0-tåg
© Claus Lunau

Elektromagnetism får maglevtåget att sväva

Det är elektromagneter som får höghastighetståget att sväva. I kombination med supraledande egenskaper kan SCMaglev-tågen komma upp i hela 603 kilometer i timmen. Maglev är en förkortning för magnetisk levitation.

Maglevtågets supraledare
© Claus Lunau

1. Motorn bygger på elektromagnetism

Tågets spolar med supraledande material tillförs ström och blir magnetiska. Processen skapar motriktade, repellerande nord- och sydpoler. Tekniken kan användas för att åstadkomma framdrivning och få tåget att sväva.

Maglevtågets magneter
© Claus Lunau

2. Magneter knuffar tåget framåt

Längs sidorna och under tåget sitter rader med nord- och sydpoler. Motsvarande rader sitter på tåget. När elektricitet sätter tåget i rörelse kommer de magnetiska polerna växelvis att attrahera och repellera varandra och närmast knuffa fram tåget.

Magneter justerar maglevtåget
© Claus Lunau

3. Magnetfält balanserar tåget

Strömmen genom magneterna gör att tåget håller sig svävande tio centimeter ovanför spåret och att det hela tiden håller sig precis i mitten av det. Magneterna skapar med andra ord både framdrivning och håller tåget på plats.

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.

1 200 kilometer i timmen hoppas man att framtida hyperlooptåg ska komma upp i.

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.