Maglev-tog på skinner

Strøm og kolde magneter satte fart på togene

Tests i vindtunneller, aerodynamisk design og superledende materialer har bragt verdens hurtigste tog over 600 km/t. Nu vil kinesiske ingeniører hæve temperaturen i superlederne og gøre togene endnu hurtigere.

Tests i vindtunneller, aerodynamisk design og superledende materialer har bragt verdens hurtigste tog over 600 km/t. Nu vil kinesiske ingeniører hæve temperaturen i superlederne og gøre togene endnu hurtigere.

Claus Lunau

I oktober 1903 bliver to tog med få dages mellemrum sendt afsted fra Berlin-Marienfelde til Zossen i Tyskland.

Den 23 km lange teststrækning lægger skinner til togene produceret af firmaerne Siemens & Halske og AEG, der begge som de første nogensinde udnytter vekselstrøm til at drive tog fremad på skinnerne.

Først når Siemens & Halskes næsten 24 meter lange og 89 tons tunge tog op på 206,7 km/t., men den rekord holder kun i kort tid. Firmaet AEG’s næsten tilsvarende vogn når få dage senere helt op på 210,2 km/t. Den verdensrekord markerer begyndelsen på en ny tid for jernbanen, der hidtil havde været domineret af langsomme og osende damplokomotiver.

AEG's rekordsættende elektriske tog fra 1903

Firmaet AEG skabte et rekordsættende elektrisk tog i 1903. Togets forende var snævret ind for at øge togets aerodynamiske egenskaber.

© Ukendt

Billigere flyrejser truede i perioder med at henvise togene til historiebøgerne, men ingeniørernes evne til at gøre togene stadig hurtigere har gjort skinnerne konkurrencedygtige.

Særligt større afstande mellem store byer i Europa og Asien driver ingeniørerne til konstant at udvikle hurtigere tog og introducere nye teknologier, der foreløbig er kulmineret med et tog, der svæver over skinnerne med over 600 km/t.

Elektrisk arm revolutionerer tog

I slutningen af 1800-tallet bliver fundamentet lagt for moderne højhastighedstog igennem en række afgørende opfindelser.

I 1879 præsenterede virksomheden Siemens & Halske verdens første elektriske lokomotiv, som i stedet for damp blev drevet frem over skinnerne af elektriske motorer. Fra ledninger udspændt over sporet kunne toget hente strøm til elmotorerne via en pantograf – en elektrisk ledende arm, der skabte kontakt mellem togets elektriske systemer og køreledningen.

Ingeniørerne placerede flere mindre elmotorer i hver togvogn og kunne på den måde overføre energien mere effektivt til hjulene end med damp- eller diesellokomotiver, hvor lokomotivet i front trækker toget over skinnerne.

Pantograf
© Claus Lunau

Pantograf satte fart på elektriske tog

Strømaflederen, også kendt som togets pantograf, overførte hurtigt og smidigt strøm fra køreledninger til en transformator i toget og gav dermed toget elektrisk fremdrift.

Hoved høster strøm

Øverst sidder hovedet med to vandrette flader beklædt med kulfiber for at mindske slid. Hovedet spænder mod strømkablerne, der løber i zigzag over sporet for at fordele sliddet på pantografens hoved.

Metalarme sikrer fleksibilitet

Under hovedet sidder metalarme i en v-form suppleret af en balancepind, som sikrer, at hovedets højde er fleksibelt og konstant justerer sig, så det kontinuerligt har det samme spænd mod køreledningen.

Lufttryk løfter metalarme

Køreledningen over toget fungerer som pluspol, mens skinnerne er minuspol. Tilsammen giver det strøm, som bliver sendt til en kondensator, dvs. en slags opladeligt batteri. Strøm herfra driver togets motor.

Da Drehstrom-Triebwagen i 1903 satte hastighedsrekord benyttede de som noget nyt et trefaset system med vekselstrøm i stedet for jævnstrøm, hvilket gjorde det muligt at køre med højere spænding i køreledningen og dermed at forlænge togstrækningerne.

Metoden til at levere strøm til hjulene bruges stadig i højhastighedstog, der med denne teknologi kan nå helt op på 574,8 km/t, men opfindelserne stoppede ikke her.

Drehstrom-Triebwagen udnyttede ikke blot en ny teknologi til at slå hastighedsrekorden. Ingeniørerne havde også ændret selve togvognens front fra en klassisk, aflang og rektangulær kasse til en aerodynamisk udformet forende.

I løbet af det 19. og 20. århundrede sørgede fire mænd for at bringe togene ud af dampens æra og ind i højhastighedstogenes tidsalder.

Werner von Siemens
© Siemens

1. Siemens indførte køreledninger

Den tyske opfinder Werner von Siemens opdagede den dynamo-elektriske effekt i 1866 og fordelene ved vekselstrøm. Hans virksomhed præsenterede i 1879 det første tog, der fik strøm fra kabler over togskinnnerne.

Walter Reichel
© Siemens

2. Tysker opfandt pantografen

Den tyske ingeniør Walter Reichel opfandt en af de første såkaldte pantografer, der leder strøm fra køreledningen til togets elmotor. Reichel var med til at sætte hastighedsrekord med 210 km/t i 1903.

Francis Herbert Wenham
© MEPL/Ritzau Scanpix

3. Britisk ingeniør skabte vindtunnellen

Den britiske ingeniør Francis Wenham udtænkte og byggede en lukket vindtunnel. Vindtunneller har siden gjort det muligt at afprøve aerodynamiske egenskaber på flyvinger, biler og ikke mindst højhastighedstog.

Eric Laithwaite
© Wikipedia

4. Laithwaite brugte elektromagnetisme

Britiske Eric Laithwaite opfandt det lineære induktionsprincip, der driver maglevtogene ved hjælp af elektromagnetisme, og var med til at designe en tidlig udgave af det system, der hæver togene over sporene.

Vindtunneller træner togene

Tests i vindtunneller viser, at jo højere hastighed toget kører med, jo vigtigere bliver det at gøre toget aerodynamisk for at minimere luftmodstanden. I fysikkens formel for luftmodstand indgår hastigheden som en variabel i anden potens.

Derfor vokser luftmodstanden meget hurtigt i takt med hastigheden, og for at modvirke den må ingeniørerne sørge for, at vinden smyger sig så glat som muligt omkring toget. På den måde får toget et såkaldt laminart flow, dvs. en bevægelse, hvor hver luftpartikel følger ca. samme spor som den foregående luftpartikel, når de passerer forbi toget.

Alternativet er et turbulent flow, hvor partiklerne bevæger sig tilfældigt og kaotisk.

Det vidste ingeniørerne bag det hurtigste damplokomotiv i historien, britiske Mallard, der i 1938 nåede en hastighed på 203 km/t.

Toget havde sammenlignet med andre damplokomotiver en meget aerodynamisk og strømlinet udformning, som ingeniørerne havde skabt ved at teste toget i en vindtunnel.

De mange tests gjorde damplokomotivet til et højhastighedstog, selvom dampteknologien allerede var blevet overhalet af både dieseltog og elektriske tog.

Den aerodynamiske form dominerer også moderne højhastighedstog, der er udformet med aflange frontpartier. Et godt eksempel er de japanske højhastighedstog på Tōkaidō Shinkansen-linjen, der af udseende minder om et andenæb fortil.

Tokaido Shinkansen

Tōkaidō Shinkansen har transporteret milliarder af passagerer, siden det kom på skinner i 1964 i Japan. Her holder toget på en station i Tokyo.

© Shutterstock

Optimeringen af togets udformning er fortsat gennem årtierne for at minimere støjgener fra togene og mindske trykforskelle, når togene passerer gennem tunneller ved høj hastighed.

Den foreløbige kulmination på højhastighedstogenes udvikling er det japanske SCMaglev L0, som i 2015 satte hastighedsrekord ved at nå op på 603 km/t på et testspor i Japan. I EU defineres højhastighedstog som tog, der kører mindst 200 km/t på opgraderede eksisterende spor eller mindst 250 km/t på spor bygget specifikt til højhastighedstog.

Tog tager tronen fra fly

I dag optimerer computersimuleringer togenes form med metoder, der kaldes CFD (computational fluid dynamics), hvor computeren efterligner luftens bevægelser omkring en 3D-model af toget så nøjagtigt som muligt.

På den måde kan ingeniørerne afprøve og forbedre virtuelle modeller af højhastighedstoget foran skærmen.

Havde det ikke været for ingeniørernes kamp for konstant at sætte nye fartrekorder, var toget aldrig blevet til virkelighed – og den næste fartrekord ligger lige om hjørnet.

SCMaglev L0 er et magnettog. Med såkaldt magnetisk levitation suser toget gennem det japanske landskab svævende ca. 10 cm over et spor med kraftige elektromagneter indbygget.

Ingen hjul og aksler bærer toget.

Derfor er der heller intet metal mod metal, der skaber unødig friktion og nedsætter hastigheden.

Målet er, at toget skal tilbagelægge 280 km mellem Tokyo og Nagoya på bare 40 minutter inden udgangen af 2020'erne ved at holde en hastighed på op til 500 km/t.

Maglev tog under konstruktion

Magnettoget SCMaglev L0 svæver ca. 10 cm over skinnerne, fordi kraftige elektromagneter er indbygget.

© Ritzau Scanpix

Dermed er toget pga. den korte rejsetid en stærk konkurrent til indenrigsfly på samme strækning, fordi toget standser centralt i byerne i stedet for i lufthavne, der typisk befinder sig flere kilometer uden for storbyernes hjerte.

Kinas toglinje overhaler Japans

I moderne tid har Japan generelt været foregangsland for udbredelsen af højhastighedstog.

Siden begyndelsen i 1964 har hovedfærdselsåren for de hurtige tog, Tōkaidō Shinkansen, transporteret 6,4 mia. mennesker rundt mellem Tokyo, Nagoya og Osaka.

Ifølge Central Japan Railway har der i årenes løb ikke været en eneste skade eller dødsfald på hurtigtogene, der kan prale af, at hvert tog kun er 0,9 minutter forsinket i gennemsnit.

3 højhastighedstog slog rekorder

Fra trefaset vekselstrøm til en lineær induktionsmotor. Her er tre rekorder i togenes udviklingshistorie.

Drehstrom-Triebwagen-silhuet
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

1903: Tysk eltog sprænger fartgrænsen

Efter en konkurrence mellem virksomhederne AEG og Siemens & Halske lykkes det i 1903 sidstnævnte at sætte verdensrekord med en hastighed på 210 km/t. Toget tappede strøm fra køreledninger over sporet.

Tokaido Shinkansen-silhuet
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

1964: Japansk hurtigtog slår rekorden

Det japanske Tōkaidō Shinkansen når i 1964 en tophastighed på 320 km/t. Dermed bliver toget det hurtigste i verden, som er i drift og kører med passagerer. Normalt kører toget ved en lavere fart, ca. 220 km/t.

SCMaglev L0-silhuet
© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

2015: Hurtigtog krydser 600 km/t

I april 2015 sprænger maglevtoget SCMaglev L0 alle hidtidige hastighedsrekorder ved at nå 603 km/t på en teststrækning. Toget bruger en lineær induktionsmotor og superledende magneter for at nå den fart.

I mellemtiden har kineserne overhalet Japan som den nation i verden med flest skinner til højhastighedstog. Verdens folkerigeste nation råder i dag over ca. to tredjedele af skinnenettet til højhastighedstog på verdensplan og har den hurtigste toglinje i drift i verden, Shanghai Transrapid med en topfart på 431 km/t.

Toget er af typen maglev – en sammentrækning af ordene magnetisk levitation – ligesom højhastighedstoget SCMaglev L0.

I stedet for på skinner af stål bevæger toget sig afsted i et spor bygget af beton med indlagte elektriske spoler.

Ved lave hastigheder kører maglevtoget på gummihjul, hvor der er fysisk kontakt mellem hjul og spor. Når hastigheden når over ca. 150 km/t, begynder toget at svæve i en højde af ca. 10 cm over sporet.

Teknologien kaldes electrodynamic suspension og fungerer ved, at superledende magneter i bunden af togvognene skaber et magnetfelt i spolerne, som er modsatrettet, og dermed holder toget svævende frit i luften.

SCMaglev L0-tog
© Claus Lunau

Elektromagnetisme tænder maglevtoget

Elektromagneter får højhastighedstoget til at svæve og kan sammen med superlederegenskaber få SCMaglev-togene op på 603 km/t. Maglev er en sammensmeltning af ordene magnetisk og levitation.

Maglev-togets superledere
© Claus Lunau

1. Motor bygger på elektromagnetisme

Togets spoler med superledende materiale bliver udsat for elektricitet og bliver magnetiske. Processen skaber modsatrettede nord- og sydpoler, som frastøder hinanden. Den teknologi kan bruges til at skabe fremdrift og gøre toget svævende.

Maglevtogets magneter
© Claus Lunau

2. Magneter skubber toget frem

På siden og under toget sidder rækker med nord- og sydpoler. Tilsvarende rækker sidder på toget. Når strøm sætter toget i bevægelse, vil de magnetiske poler skiftevis tiltrække og frastøde hinanden og nærmest skubbe toget frem.

Magneter justerer Maglevtoget
© Claus Lunau

3. Magnetfelter balancerer toget

Mængden af strøm igennem magneterne sikrer, at toget holder sig svævende 10 cm over skinnerne, og at det konstant holder sig præcis i midten af togsporet. Magneterne skaber altså både fremdrift og holder toget på plads.

Superledereffekt opstår, når et elektrisk ledende materiale nedkøles til meget lave temperaturer, typisk lavere end -200 grader celsius. I dag sørger flydende helium for, at temperaturerne kommer så langt ned, men SCMaglev og andre firmaer arbejder på at bruge superledende magneter, der fungerer ved højere temperaturer, og derfor kræver mindre strøm.

Selv om SCMaglev i øjeblikket er indehaver af fartrekorden, er det kun et spørgsmål om tid, før Kina stjæler den titel. Et hold kinesiske ingeniører arbejder på et magnettog, der skal nå en tophastighed på 620 km/t.

Prototypen på toget blev fremvist for pressen i oktober 2021, og toget skal opnå rekordhastigheden vha. superledende magneter ved højere temperaturer – også kaldet high-temperature superconducting (HTS).

Rørtog slår alle rekorder

Hvis togene skal skrue yderligere op for hastigheden, skal der dog helt andre teknologier til.

Et bud på fremtidens lynhurtige tog er Hyperloop – en teknologi, som Tesla-rigmanden Elon Musk har været bannerfører for de senere år.

1200 km/t er målet for, hvor hurtigt Hyperloop-tog i fremtiden skal køre.

Konceptet blev oprindeligt fremført af den amerikanske rumingeniør Robert H. Goddard i 1904.

Elon Musk har beskrevet, hvordan togvogne svævende på en pude af luft i lange transportrør kan nå hastigheder på op til 1200 km/t.

Princippet fungerer ved, at pumper trækker luft ud af røret, så der til sidst er et tryk på omkring 100 pascal – omkring en tusindedel af atmosfærisk tryk, hvilket næsten fjerner luftmodstanden.

Foran i toget sidder en turbine, som trækker luft væk fra togets forende og leder noget af den ud under toget for at skabe den luftpude, der holder toget svævende.

Akkurat som ved Hyperloop-princippet bruger maglevtog også magneter og spoler ved samme princip som i såkaldte induktionsmotor, hvor et vekslende magnetfelt trækker toget fremad.

Hvis Hyperloop-togene bliver til virkelighed, vil højhastighedstogene gå ind i en ny æra, hvor togrejser med over 1000 km/t i gennemsnitsfart kan blive hverdag.