Je leest:

Magneetzweeftreinen

Magneetzweeftreinen

Auteur: | 1 oktober 1999

Begin juli presenteerde het consortium Transrapid Nederland de plannen voor een magneetzweefbaan in de Randstad. Een verrassend initiatief, nadat tot nog toe zo’n vervoermiddel slechts in de kijker kwam voor de mogelijke ontsluiting van Noord-Nederland.

Ondernemers in Noord-Nederland kijken smachtend naar de andere kant van de grens, evenals de Groningse Commissaris van de Koningin Hans Alders. Nabij Ter Apel zweeft de Transrapid over een Duits proeftraject. Dat snelle vervoermiddel zou, in de vorm van een Zuiderzeelijn tussen Schiphol en Groningen, de economische isolatie van het Noorden tenietdoen, zeker als de lijn verder gaat richting Bremen en Hamburg.

De Nederlandse regering heeft toegezegd dat de komende tien jaar fors wordt geïnvesteerd in een verbinding naar het noorden. De noordelijke provincies verkiezen inmiddels een magneetzweefbaan boven een hogesnelheidslijn. Een Groningse politicus verklaarde: “Het Noorden heeft dan zelfs geen regionale steun meer nodig”. De aanlegkosten zouden zelfs lager zijn dan de zo omstreden hogesnelheidslijn. Niet iedereen is enthousiast. Youp van ’t Hek in een NRC-column: “Ik wil helemaal niet in 42 minuten naar Groningen.”

Bij de Zuiderzeelijn moet de overheid een forse duit in het zakje doen. Dat ligt anders bij het recent voorgestelde project Rondje Rondstad. Volgens het consortium Transrapid Nederland kan over pakweg tien jaar een magneetzweefbaan de bevolkingscentra van West-Nederland met elkaar verbinden. De beperkte benodigde overheidsbijdrage verhoogt de kans op succes. Naast Siemens maken de Nederlandse bouwbedrijven Holland Beton Groep en Ballast Nedam en de bank ABN AMRO deel uit van het consortium.

Rondje Randstad

Optillen en zijwaarts op zijn plaats houden is niet voldoende. De zweeftrein moet ook voortbewegen. Voor de aandrijving zorgen eveneens magneetvelden. De motor bestaat uit de statorpakketten die zijn opgenomen in de rail, en de rotorpakketten in het voertuig. Het is een lineaire synchrone motor. Deze motor lijkt op een uitgerolde elektromotor, of beter gezegd inductiemotor. Bij zo’n inductiemotor wekken elektrische spoelen in de stator onder invloed van een wisselstroom regelmatig variërende magneetvelden op. Die magneetvelden trekken of duwen tegen de permanente magneet die de rotor vormt en die daardoor gaat draaien.

Bij de Transrapid verzorgen een drietal stroomdraden in de stator voor het bewegende magneetveld. Elke draad draagt een wisselstroom, die sinusvormig verandert. Doordat de elektrische stromen in de drie draden 120 graden in fase verschillen, ontstaat een bewegend magneetveld. In de rotor bevinden zich op geregelde afstand gelijkstroomdraden. Het bewegende magneetveld dat de stator opwekt, oefent een stevige kracht uit op die gelijkstromen in de rotor en duwt ze vooruit, en daarmee ook het voertuig. Door het ontbreken van bewegende onderdelen en wrijving tussen voertuig en rail, is het energieverbruik per reizigerskilometer laag.

De stromen die de stator opwekt in de rotor, zijn vrij gering. Dat ligt aan het gekozen rotormateriaal, dat zelfs een hoge elektrische weerstand mag hebben. De keuze voor de gelijkstroomdraden vormt een belangrijk verschil tussen de Duitse Transrapid en de Japanse magneetzweeftrein MLU, waar het magneetveld juist wel stromen in de rotor moet opwekken.

De Transrapidmotor haalt het maximale rendement als de snelheid van het voertuig gelijke tred houdt met het voortbewegende magneetveld. Deze snelheid hangt af van de wisselstroomfrequentie in de drie statordraden en het aantal draden per lengte-eenheid in de stator en de rotor. Het frequentiebereik van de Transrapid 07 bedraagt 16.000 tot 50.000 Hz. De snelheid past zich aan de frequentie van de wisselstroom aan.

De magneetvelden van de stator zorgen ook voor het remmen van de zweeftrein. Eenvoudigweg ompolen van de wisselstromen in de stator verzorgt de benodigde remkracht. De energie die daarbij vrijkomt – de motor wordt generator – kan worden teruggevoerd naar het stroomnet. Het is overigens niet uitgesloten dat op termijn in het Duitse systeem supergeleidende magneten worden opgenomen, zoals Japanse onderzoekers al hebben toegepast.

Elk treinstel heeft een gewicht van 53 ton. De twee buitenste kunnen 92 passagiers vervoeren, de middelste 126. Goederenstellen zijn iets lichter, 48 ton, en kunnen vijftien ton aan gewicht vervoeren. De motor, met een vermogen van 30 MW, levert een maximale stuwkracht van 330 kilonewton. De maximale versnelling is ingesteld op circa 0,8 m -2, een grotere versnelling is niet comfortabel. Binnen vier minuten kan de Transrapid al met meer dan vierhonderd kilometer per uur over de baan zweven.

De magneetzweefbaan is niet alleen een optie voor de Zuiderzeelijn van Schiphol naar Groningen, maar ook voor een cirkeltraject in de Randstad en, mocht Schiphol in Zee realiteit worden, een snelle verbinding met de nieuwe nationale luchthaven.

De wegen in de Randstad slibben dicht. Veel mensen proberen iedere ochtend weer met de auto tijdig het werk te bereiken en staan daarbij een tijdje in de file. Files brengen niet alleen ergernis, maar ook enorme kosten met zich mee. Denk maar aan de verspilde brandstof en milieueffecten. Voor 1998 bedraagt de geschatte economische schade maar liefst 782 miljoen Euro. De groeimogelijkheden voor bestaand openbaar vervoer, trein en bus, zijn beperkt. De vele ideeën en discussies (telewerken, niet inhalen voor vrachtvervoer, 24-uurseconomie, verbreding van snelwegen) leveren nog onvoldoende op. Misschien haalt een snelle magneetzweefbaan wat druk van de ketel.

In het plan Rondje Randstad verbindt een magneetzweefbaan de vier grote steden Amsterdam, Den Haag, Rotterdam en Utrecht. Het traject, met een lengte van 165 tot 180 kilometer, heeft op elke 10 tot 25 kilometer een halte. Om de drie tot zes minuten zweeft er een trein langs. De snelheid loopt op de langste trajecten op tot meer dan 350 kilometer per uur. Een half rondje, zeg maar van Utrecht naar Den Haag, leg je af in binnen een half uur. De investeringsomvang bedraagt ongeveer vijf miljard Euro. De gewenste overheidsbijdrage is jaarlijks vijftig tot honderd miljoen Euro, vele malen minder dan de economische schade door files.

Magneetzweeftrein

Bij magneetzweefbanen tillen magneetvelden het voertuig op, waardoor wrijving met de baan en puntbelasting door wielen ontbreekt. Bovendien duwen magneetvelden het voertuig vooruit. Daarbij kan men zowel uitgaan van ongelijke magneetpolen die elkaar aantrekken als van gelijke polen die elkaar afstoten.Wereldwijd hebben inmiddels miljoenen mensen een proefrit in een magneetzweeftrein gemaakt. In Noord-Duitsland rijdt de Transrapid. Sinds 1985 hebben testmodellen daar een half miljoen kilometer zwevend afgelegd. In augustus van dit jaar verscheen het nieuwste model, de Transrapid 08, op de baan. Deze uitvoering is daadwerkelijk commercieel inzetbaar. Hij bestaat uit twee wagens, maar kan tot tien wagendelen worden uitgebreid. Het systeem kan maximaal 840 passagiers vervoeren.

In Japan en de VS werken onderzoekers eveneens aan magneetzweefbanen en magneetaandrijvingen. Alhoewel de Japanse en Amerikaanse systemen uitzicht bieden op nog energiezuiniger vervoer, loopt de Duitse Transrapid qua ontwikkeling voorop. Hij is inmiddels genoemd als het ideale vervoermiddel tussen Las Vegas en Los Angeles. In een Zwitsers plan, Swissmetro, moet de Transrapid in een nationaal tunnelnet gaan zweven. Een verlaagde luchtdruk in de tunnels maakt de luchtweerstand kleiner.

Brandstof

De Transrapid concurreert, wat energieverbruik betreft, gemakkelijk met auto’s en vliegtuigen en is ook zuiniger dan conventionele treinen. Voor een goede vergelijking helpt de omrekening van het energieverbruik van vervoersmiddelen naar de benodigde brandstof om een reiziger honderd kilometer te vervoeren. Daarbij is uitgegaan van de doorgaans beperkte bezetting van vervoersmiddelen, bij auto’s gemiddeld 34% van de capaciteit. Om een autopassagier honderd kilometer te vervoeren, is vier tot acht liter brandstof nodig. Vliegtuigen komen tot een energieverbruik van zo’n zeven tot dertien liter brandstof per persoon per honderd kilometer. De Transrapid is volgens deze berekening met twee tot vier liter brandstof enkele tientallen procenten zuiniger met energie dan conventionele treinen en hogesnelheidslijnen.

Geluid

De geluidsproductie is relatief laag. Op een afstand van 25 meter maakt een intercity met een snelheid van 160 kilometer per uur tweemaal meer herrie dan een Transrapid met een snelheid van driehonderd kilometer per uur. Je hoort slechts de lucht die langs het voertuig waait. Er is geen herrie van rollende wielen, wrijving tussen wielen en baan of het kadengkadeng veroorzaakt door opeenvolgende rails.

Elektrisch veld

De geleiders in de magneetzweefbaan vormen bronnen van gelijk- en wisselspanning. Na alle discussies over de gezondheidseffecten van elektromagnetische velden van mobiele telefoons en hoogspanningsleidingen, zit niemand te wachten op een nieuwe bron van zorg. Niettemin blijkt de elektrische veldsterkte nabij de magneetzweefbaan zeer gering. De elektrostatische oplading in een woonhuis kan oplopen tot 20.000 volt per meter, onder hoogspanningsleidingen van twintig kilovolt bedraagt dat veld tot duizend volt per meter. De magneetzweefbaan levert een elektrisch veld van nog geen tien volt per meter.

Aandrijving

Het magneetveld waaraan passagiers in de Transrapid staan blootgesteld, is veel zwakker dan het magneetveld van de Aarde, in tegenstelling tot bijvoorbeeld de magneetvelden die scheerapparaten, stofzuigers en boormachines opwekken.

Bij het plaatsen van een magneetzweefbaan op viaducten, heeft de magneetzweefbaan een groot voordeel ten opzichte van traditionele treinen en metro’s. De aandrijving zit namelijk grotendeels in de baan verwerkt en dat verlaagt het voertuiggewicht. De belasting wordt bovendien zeer gelijkmatig over de baan verdeeld; de puntbelasting die een trein op wielen levert, is afwezig. De viaducten hoeven daarom niet zo massief te zijn. Spoorwissels ontbreken. Via een draaibare brug zweeft de trein naar het andere spoor.

Alleen dat stuk van de baan waar zich een trein bevindt, krijgt daadwerkelijk spanning. Dat bespaart energie. Op die stukken van de baan waar extra vermogen nodig is – op een helling, als een trein moet versnellen of met hoge snelheid moet zweven – is de uitvoering en plaatsing van de externe motor aangepast. De energie aan boord verkrijgt men ook uit de aanwezige magneetvelden. Lineaire generatoren tappen de energie tijdens de zweeftocht af van de magneetvelden tussen voertuig en voerrail.

Haalbaarheid

Er moeten nog veel hindernissen worden genomen voordat daadwerkelijk aan de tekentafel de Hollandse magneetzweefbaan een definitieve vorm krijgt. Na de nu gepresenteerde verkennende studie volgt een haalbaarheidsstudie. Uiteraard volgen alle betrokken partijen de ontwikkelingen in Duitsland op de voet. De financiering van het geplande traject tussen Hamburg en Berlijn vormt nog een probleem. Hogere aanlegkosten en een tegenvallend aantal reizigers bedreigt de realisatie van deze commerciële zweefverbinding.

De realisatie van een Rondje Randstad kan nog veel voeten in de aarde hebben. Om de reiziger uit de auto (en de file) te krijgen, moet zo’n initiatief goed aansluiten op de andere vormen van vervoer. In de verkennende studie opperen de initiatiefnemers het plaatsen van zweefbaanstations in de buurt van de snelwegen. Mensen uit de omgeving bereiken die stations met de auto of het openbaar vervoer.

Geen bovenleidingen

Het grootste knelpunt voor het project zit hem in de grote steden. Bij treinstations in stedelijke centra is de ruimte schaars. Gezien de problemen rond hogesnelheidslijn, Betuwelijn en de nieuwe metrolijn in Amsterdam valt ook bij dit private project weerstand te verwachten. De zweeftrein is misschien zuinig en niet zo lawaaierig, maar zet hem liever ‘niet in mijn achtertuin’. Buiten de bebouwde kom moet de aanleg van de lijn langs bestaande infrastructuur en de afwezigheid van bovenleidingen de acceptatie bevorderen.

Als de Transrapid-projecten Rondje Randstad en Zuiderzeelijn het groene licht krijgen, zweven we straks van Rotterdam via Hamburg en Berlijn naar Dresden, Praag en Genève. De reistijd Groningen-Schiphol bedraagt met de Transrapid nog geen 55 minuten. Een hogesnelheidslijn heeft daarvoor zonder tussenstops ongeveer een uur nodig, een auto bij afwezigheid van files twee uur en de intercity is tweeënhalf uur onderweg. Het consortium houdt ook de ontwikkelingen rond de luchthaven Schiphol in de gaten. Als er daadwerkelijk een luchthaven in de Noordzee komt, vormt volgens hen een magneetzweefbaan dankzij de hoge snelheid de ideale verbinding voor de luchtreizigers.

De minister van Verkeer en Waterstaat, Tineke Netelenbos, moedigt initiatieven van het bedrijfsleven aan. Toch wil het departement de ontwikkelingen in Duitsland afwachten. Met als uitgangspunt ‘eerst zien, dan geloven’ kan het wel eens lang duren voordat we zwevend de files omzeilen.

Transrapid

De lineaire motor van een magneetzweeftrein is als een uitgerolde elektromotor. De magneetpakketten in het voertuig (rood) zijn vergelijkbaar met de rotor, de magneet die binnenin een elektromotor ronddraait. Ze zorgen voor het optillen en het netjes boven de rail houden van het voertuig. De gewikkelde stroomdraden in de voerrail (groen) zetten net als de elektrospoelen in de elektromotor stroom om in een aandrijvende kracht.

De Transrapid zweeft volgens het elektromagnetische systeem, waarbij elektromagneten aan het voertuig de wagen optillen. Het veld van de draagmagneten vormt tevens het aangrijpingspunt voor de aandrijving.

De zweeftrein van de Transrapid glijdt over de zweefbaan. Twee armen onder het voertuig omvatten de voerrail. Zij bevatten draagmagneten, conventionele elektromagneten met een ijzerkern. Die vormen onder het spoor het zogenaamde zweefraam. De draagmagneten trekken aan magneetpakketten in het spoor en tillen zo de trein op. Geleidingsmagneten ter hoogte van het spoor houden de trein zijwaarts bewegingsloos op zijn plaats. De ontstane spleetbreedte bedraagt zowel verticaal als zijwaarts ongeveer een centimeter. Sensoren meten honderdduizend keer per seconde de spleetbreedte. Daaraan gekoppelde elektronische regelsystemen houden bij alle snelheden de kleine afstand tussen de bewegende wagen en het statische spoor constant.

Japan in de race

In Japan bestaan er twee zweeftreinprojecten. De HSST gaat net als de Transrapid uit van aantrekkende krachten. De aandrijving is echter in het voertuig opgenomen, zodat het via een pantograaf energie moet opnemen. Bovendien zorgt een en hetzelfde systeem voor zowel het dragen als het geleiden van het voertuig. De beperking tot snelheden lager dan driehonderd kilometer per uur maakt het systeem vooral geschikt voor kleinere afstanden.

De Japanse MLU werkt volgens het elektrodynamische principe. In deze zweefbaan stoten de statormagneten in de voerrail – en in de nieuwste types in de zijwand van de baan – het voertuig van zich af, zowel omhoog (heffen) als naar voren (aandrijving). Ten opzichte van de Transrapid is de regeling van de magneten eenvoudiger.

Magneetaandrijving in de VS

In het experimentele systeem van Inductrack wekt het veld van de permanente magneten in de bodem van de rijdende wagen een elektrische stroom op in de passieve spoelen in de baan. Het veld van die spoelen is tegengesteld aan het veld van de permanente magneten zodat de trein gaat zweven.

In de VS richten onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory nabij San Francisco het vizier op magneettreinen met permanente magneten. Dat biedt in principe qua energiebehoefte zijn voordelen. Inductrack noemen ze hun systeem. De techniek is gebaseerd op de daar ontwikkelde techniek voor deeltjesversnellers. Nu moet echter geen deeltje, maar een voertuig worden versneld. De magneten concentreren het magneetveld aan één zijde van het voertuig. Het magneetveld veroorzaakt stromen in de geïsoleerde koperspoelen in het spoor onder de bewegende wagen. Een energiezuinige hulpmotor geeft een klein zetje, waarna bij een snelheid van enkele kilometers per uur het systeem al begint te zweven.

Het Sandia-laboratorium in Albuquerque ontwikkelt een lineaire inductiemotor op basis van de ‘coil gun’, een elektromagnetische lanceerinstallatie die grote projectielen tot een snelheid van enkele kilometers per seconde versnelt. Dit Seraphim-project ( segmented rail phased induction motor) gaat uit van het uitsluiten van een magneetveld buiten een geleider. De baan bestaat uit opeenvolgende paren van elektromagnetische spoelen. Die produceren onder invloed van stroompulsen magneetvelden. Aluminium platen hangen onder het beoogde voertuig tussen de spoelen. De magneetvelden veroorzaken elektrische stromen in het oppervlak van de platen. Het daarbij behorende magneetveld duwt de spoelen weg en de plaat komt zo in beweging. Dit plan moet niet leiden tot een magneetzweefbaan, maar tot een trein die met passieve, ofwel niet-aangedreven wielen onder een rail hangt.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.