Transport pneumatyczny sposobem na kolejową rewolucję?

Transport pneumatyczny sposobem na kolejową rewolucję?

Transport pneumatyczny polega na przenoszeniu surowców znajdujących się w zamkniętym szczelnym przewodzie, za pomocą wytworzonego w nim ciśnienia. Obecnie ten rodzaj transportu jest stosowany tylko do przewożenia substancji i tworzyw, takich jak ropa naftowa czy gaz oraz towary sypkie. Istnieje szansa, że w niedalekiej przyszłości kolej pasażerska zmieni się w transport pneumatyczny. Okazuje się, że z uwagi na szybkość taki transport może z powodzeniem zastąpić kolej i lotnictwo pasażerskie. Kapsuła z ludźmi pędząca z prędkością dźwięku lub nawet pięć razy szybciej od niego, to możliwy scenariusz i to już niedługo. Taki transport wykorzystujący technologię kolei magnetycznej, może być tańszy, szybszy, bezpieczniejszy, wygodniejszy, ale też bardziej ekologiczny niż środki transportu, które znamy.

 

Zrewolucjonizować rynek kolei

Szybka kolej wykorzystująca technologię transportu pneumatycznego już nie raz spotkała się z zainteresowaniem konstruktorów. Obecnie jednym z pomysłodawców jej zastosowania jest Elon Musk z Hyperloop Transportation Technologies (HTT), według którego ten rodzaj transportu mógłby zrewolucjonizować dotychczasowe środki komunikacji. Za wykorzystaniem podobnej technologii w transporcie opowiedziała się też firma Evacuated Tube Transport Technologies (ET3).

Obie koncepcje pojazdów zakładają, że prędkość podróży można zwiększyć, eliminując opór toczenia. Kapsuły transportowe lewitowałyby podczas ruchu na poduszce magnetycznej i powietrznej, unosząc się nad pojedynczym torem. Przy zastosowaniu tego typu technologii, rozpędzanie i hamowanie pojazdu odbywałoby się za pomocą poduszki magnetycznej. Biorąc pod uwagę ogromne prędkości, z jakimi miałyby się poruszać kapsuły, magnetyczne przyspieszacze mogłyby być montowane w odległościach kilku kilometrów od siebie. Kapsuły byłyby rozpędzane za pomocą sprężonego powietrza i siły magnetycznej oraz w ten sam sposób hamowane.  Technologia magnetycznej lewitacji została już zastosowana w projekcie pojazdu Maglev i jest z powodzeniem używana na co dzień. Światowy rekord prędkości takiego pociągu to 602 kilometry na godzinę. Aby zmniejszyć opór powietrza, system miałby wykorzystywać tunel z obniżonym ciśnieniem by zmniejszyć tarcie powierza. Energia pneumatyczna i elektryczna zużyta podczas przyspieszania pojazdu, będzie możliwa do odzyskania przy jego hamowaniu. Wydatek energetyczny na samą podróż byłby więc niewielki.

 

Problemy techniczne

Każda z zastosowanych koncepcji zakłada wypompowanie z tuneli prawie całego powietrza, pozwalając zmniejszyć ciśnienie około dziesięciokrotnie. Likwidowanie problemów z oporem i wydajnością systemu nie jest jednak takie proste, nie jest to także jedyny problem inżynierów. Istnieje bowiem pewien stosunek pola przekroju tunelu i kapsuły, po przekroczeniu, którego poruszająca się kapsuła będzie zachowywać się jak tłok w strzykawce. Znaczy to tyle, że opór, jaki będzie stawiać, zrównoważy się po obu stronach i kapsuła będzie pchać przed sobą słup powietrza, który w narastający sposób będzie wywierał opór na przód kapsuły. Dzieje się tak nawet jeśli ciśnienie powietrza zostanie zmniejszone do zakładanego poziomu. By tego uniknąć projekt Hyperloop będzie przepompowywał część powietrza specjalnym kanałem przez i pod kapsułą. Przepływ powietrza pod kapsułą będzie dodatkowo zapewniał poduszkę powietrzną, na której łatwiej będzie unosił się pojazd. Powietrze opływające kapsułę od góry i po bokach pozwoli łatwiej kontrolować jej stabilność. By pokonać tego typu problemy techniczne należy poruszać się bardzo szybko lub bardzo wolno. Prawa fizyki nie da się oszukać i rozwiązaniem tej sytuacji jest prędkość większa od prędkości dźwięku. Wtedy opory napierającego powietrza znacznie maleją. Niestety nikt jeszcze nie próbował przekraczać prędkości dźwięku w zamkniętym hermetycznym tunelu. Trudno jest więc powiedzieć, jakie skutki może mieć taka próba na ewentualnych pasażerach kapsuły.

Tunele znajdowałyby się nad ziemią, zamontowane na bardzo wysokich kolumnach lub byłyby zakopane głęboko w ziemi. Zastosowanie takiego rozwiązania pozwoliłoby poprowadzić szlak podróży najkrótszą z możliwych tras po linii prostej, eliminując dodatkowo ryzyko kolizji. Innym zagrożeniem występującym przy dużych prędkościach są przeciążenia występujące na zakrętach. By uniknąć zjawisk tego typu, tunele niskiego ciśnienia powinny być całkowicie proste. Jedynie zakrzywienie skorupy ziemskiej mogłoby wpływać na kształt tunelu.

 

Między pociągiem a samolotem

Pomysł ultraszybkiej kolei jest częścią koncepcji nowoczesnego transportu przyszłości, który łączyłby szybkość podróży z ekologią i niską emisją zanieczyszczeń. Ma on uzupełnić sektor podróży na średnich odległościach, który jest zbyt mało opłacalny dla samolotów, i zbyt czasochłonny dla pojazdów silnikowych i kolei. Korzystając z ogromnych prędkości na trasach międzykontynentalnych, rywalizowałby on z transportem lotniczym na polu szybkości transportu i ekologiczności. Kapsuła magnetyczno-pneumatyczna, służąca do transportu ludzi, wypełniłaby tę lukę skracając czas podróży i ograniczając ilość energii zużytej na podróż. Problem zużywania zbyt dużej ilości energii przez klasyczne formy transportu w porównaniu do omawianej technologii możemy prześledzić na poniższym wykresie. Tak wyglądają koszty użytkowania projektu Hyperloopa w porównaniu do innych środków transportu na planowanej trasie Los Angeles - San Francisco. Poniższy wykres pokazuje porównanie kosztów energetycznych transportu pomiędzy tymi miastami w USA. Z wykresu wynika jedno: pokonanie tej odległości przy pomocy systemu Hyperloop jest skuteczniejsze energetycznie nawet od podróży autem czysto elektrycznym typu Tesla S. System Elona Muska potrafiłby odzyskiwać energię zużytą na podróż co czyni go znacznie bardziej wydajnym od klasycznych środków transportu.

Zakładana średnia podróżna prędkość kapsuły to około 1100 kilometrów na godziną na stosunkowo krótkich odległościach i nawet 6500 kilometrów na godzinę na odległościach międzykontynentalnych. Obecnie istniejąca kolej magnetyczna jest w stanie rozpędzić się do prędkości poniżej 600 kilometrów na godzinę. Zwiększanie tej prędkości jest trudne z uwagi na opór powierza i generowany poziom hałasu, wewnątrz i na zewnątrz pojazdu. Drogą do przekroczenia tych prędkości jest usunięcie oporu powierza i oporów toczenia.

 

Od pomysłu do sukcesu

Budowa pierwszej linii superszybkiej kolei ma rozpocząć się w tym roku w USA. Projekt powstaje w firmie HTT. Z kolei nad prototypem pierwszego pociągu pracują m.in. Zhang Yaoping z chińskiego Narodowego Laboratorium Trakcyjnego, naukowcy z chińskiego Uniwersytetu Południowo-Zachodniego Jiaotongu oraz Chińskiej Akademii Nauk, którzy przedstawili projekt pociągu poruszającego się w tunelu próżniowym. Zhang Yaoping zapewnia, że wszystkie technologie potrzebne do jego budowy są dostępne. Prototyp pociągu ma być gotowy w ciągu 10 lat.

 

Pomysł przeszłości, kolej przyszłości

Propozycja kolei pneumatycznej nie jest nowością. Pomysł tego rodzaju transportu nawiązuje do koncepcji amerykańskiego inżyniera Roberta Goddarda z 1945 roku. Wiadomo jednak, że w tamtych czasach nie istniała technologia potrzebna do realizacji takiego pomysłu. Poza tym cywilizacja oparta na paliwach kopalnych nie była zainteresowana nowatorskimi i niskoemisyjnymi pomysłami rodem z literatury science fiction. Z danych, jakimi dysponuje firma ET3 wynika, że takie rozwiązanie będzie zużywać 50 razy mniej energii od typowych pociągów elektrycznych i będzie około 10 razy tańsze w użytkowaniu niż kolej dużych prędkości. Jest to zatem rozwiązanie bardzo przyszłościowe.

Środki bezpieczeństwa w transporcie pneumatycznym będą musiały być na najwyższym poziomie technologicznym. Monitoring warunków transportu, skali przyśpieszenia i przeciążeń z nim związanych będzie musiał być ciągły. Podobnie jeśli chodzi o pasażerów tego środka transportu, wskazanym jest aby kapsuły transportowe oraz każdy z foteli zamontowanych był wyposażony w np. wcześniej wspomniany Green Logger, dający możliwość pomiaru poziomu dźwięku, nacisku, położenia, przechyleń, przeciążeń i wielu innych. Gwarantuje to bieżącą analizę przewozu oraz możliwość odpowiedniej reakcji w sytuacji niebezpiecznych odczytów. Elon Musk, w wywiadzie dotyczącym koncepcji Hyperloop, twierdzi, że systemy bezpieczeństwa będą na najwyższym poziomie tak by zagwarantować absolutną bezawaryjność i brak jakiegokolwiek zagrożenia dla użytkowników i osób postronnych.

 

Polski akcent

Polscy naukowcy również przystąpili do projektu i budują prototyp Hyperloop. Zespół inżynierów z Politechniki Warszawskiej, do których dołączyły także osoby z Politechniki Wrocławskiej oraz przedstawiciele firm projektowych, pracują pod okiem prof. Janusza Piechny. Zamierzają wygrać organizowany przez Elona Muska konkurs innowacyjności i na razie udało im się przejść do finału. Mają na to spore szanse, choć konkurencja jest ogromna. Polacy zebrali finanse na portalu crowd fundingowym i zbudowali prototyp Hyperloop. Udział lub wygrana w konkursie oznacza, że część polskiej myśli inżynierskiej zostanie użyta w konstrukcji projektu. Jeśli wygrają konkurs, wezmą udział w tworzeniu chyba najciekawszego środka transportu w tym stuleciu.

Pierwszy ultraszybki pociąg ma powstać w tym roku, a linia łączyć będzie Los Angeles i San Francisco, pozwalając na pokonanie tego pięćsetkilometrowego dystansu w około 35 minut. Czy oznacza to początek wielkiej kolejowej rewolucji? Na to pytanie odpowie czas. Kto wie może już wkrótce będziemy podróżować z Warszawy do Berlina w metalowych rurach, przemieszczając się z miejsca na miejsce w niebywale krótkim czasie.

Zgodnie z prognozami Global Wind Energy Council rola energetyki wiatrowej na świecie w nadchodzących latach będzie stale rosła. We wszystkich analizowanych scenariuszach rozwoju tego rynku, łączna moc zainstalowanych na świecie elektrowni będzie coraz większa, by w 2030 roku osiągnąć poziom nawet ponad 2.500.000 MW.

Roczna produkcja energii elektrycznej może wówczas sięgać przeszło 6.600 TWh. Jednocześnie wraz ze wzrostem ogólnej mocy elektrowni, rosnąć będzie również udział energetyki wiatrowej w ogóle produkowanej energii elektrycznej. Do roku 2030 w najbardziej optymistycznym scenariuszu turbiny wiatrowe mogą odpowiadać za aż 25% generowanego prądu na całym świecie.

 

Działania Samorządu Województwa Mazowieckiego w zakresie innowacyjności zostały określone w Regionalnej Strategii Innowacji dla Mazowsza.

635 mln złotych zaoszczędzi Polska dzięki budowie części dróg w technologii betonowej.