In Japan rijdt er al sinds 1970 zo’n trein, op een speciaal testtraject: de zogenaamde Maglev. En sindsdien sneuvelen snelheidsrecords: vorig jaar bereikte deze trein een recordsnelheid van 552 km per uur. De Japanse regering overweegt de trein ook commercieel in te zetten. Maar hoe werkt zo’n zweeftrein nou precies?

Snel

De zweeftrein kan zo snel gaan omdat hij de grond niet raakt: hij zweeft immers. Daardoor heeft hij geen last van wrijvingskrachten met de aarde. Er is alleen de luchtweerstand. Daardoor kost het veel minder moeite hoge snelheden te bereiken.

Zo’n trein zweeft natuurlijk niet zomaar vanzelf. Je moet dus een manier vinden om hem de lucht in te krijgen. Zweven alleen is echter niet genoeg: de trein moet ook vooruit, en dat kan als je zweeft niet zomaar door met behulp van een motor je wielen te laten draaien. Ook daar moet het nodige voor gebeuren…

Magneten en supergeleiding

Het toverwoord om deze twee problemen op te lossen is magnetisme. De simpelste manier om een goede magneet te maken is door stroom door een spoel te laten lopen. Een stroomdraad, een spoel, heeft bijna altijd een weerstand die er voor zorgt dat de spoel een deel van zijn vermogen omzet in warmte. Hoe groter de stroom, hoe meer warmte er ontwikkeld wordt. Als je een groot magneetveld wilt maken, zoals nodig is voor deze trein, heb je een erg grote stroom nodig. Dit kan ertoe leiden dat de spoel zijn eigen warmte niet meer aankan en smelt… Dat is natuurlijk niet de bedoeling.

Een oplossing voor dit probleem is gelukkig te vinden in een verschijnsel dat begin deze eeuw door een Nederlandse natuurkundige, Kamerlingh Onnes, ontdekt werd: de zogenaamde supergeleiding. Dit verschijnsel houdt in dat specifieke metalen bij lage temperatuur een weerstand krijgen die exact gelijk is aan nul: totaal geen weerstand meer dus. Daarom worden de spoelen, die gemaakt zijn van niobium/titaanlegering, ondergedompeld in vloeibare helium bij 4,2 K.

Goed, het is via supergeleiding mogelijk grote stromen door een spoel heen te sturen zonder dat de spoel smelt, zodat je op een relatief eenvoudige manier een magneetveld krijgt, dat groot genoeg is. Maar hoe gebruik je magneetvelden nou om de trein vooruit te bewegen en om hem te laten zweven?

Spoelen

Er zijn drie soorten spoelen die hiervoor gebruikt worden. We beginnen met de spoelen in de trein. Dit zijn de spoelen die werken met behulp van supergeleiding. Als er eenmaal een stroom door deze spoelen heenloopt, blijft die stroom ook lopen, permanent. Dit komt doordat de stroom geen weerstand ondervindt, zoals hierboven al vermeld. Er ontstaat dus een permanent magnetisch veld, zonder dat je nog nieuwe energie (bijvoorbeeld in de vorm van spanning of stroom) hoeft aan te voeren..

Ten tweede zijn er zogenaamde voortstuwingsspoelen, die niet gemonteerd zijn in de trein, maar in muren langs de “rails”. Zij zorgen ervoor dat de trein vooruit komt. Deze spoelen zijn niet supergeleidend en dat hoeft ook niet: zij bewegen niet en kunnen wat makkelijker voorzien worden van stroom dan de spoelen in de trein. Dat gebeurt via een heel specifiek schema. Dat schema gaat uit van het principe dat tegengestelde polen van een magneet elkaar aantrekken en gelijke polen elkaar afstoten.

Via het stroomvoorzienings-schema wordt er voor gezorgd dat de spoelen in de trein en de voortstuwspoelen in de muur langs de rails elkaar aan de voorkant van de trein altijd aantrekken, en elkaar aan de achterkant altijd afstoten. Zo zal de trein dus naar voren bewegen.

Zweven!

Ten derde zijn er nog spoelen nodig die ervoor zorgen dat de trein gaat zweven, de zogenaamde levitatie- of optil-spoelen. Ook deze zijn niet in de trein gemonteerd, maar in de muren langs de “rails”. Bovendien zijn ze onder de rails door met elkaar verbonden; ze vormen zo een soort U-vorm waar de trein doorheen reist. Ze worden niet aangedreven door stroom en dat hoeft ook niet. Dat de trein toch zal gaan zweven is als volgt te verklaren.

Het permanente magnetische veld van de spoelen in de trein beweegt langs de optil-spoelen als de trein rijdt. Doordat de trein beweegt, voelen deze optil-spoelen geen permanent, maar een wisselend magnetisch veld. Ten gevolge van dit wisselend magnetisch veld verandert de magnetische flux binnen de optil-spoelen voortdurend. Daardoor ontstaat in elke spoel een inductiestroom die, overeenkomstig de wet van Lenz, een magnetisch veld opwekt dat tegengesteld is aan het magnetisch veld van de spoelen in de trein. Beide magnetische velden stoten elkaar af.

In het begin, bij lage snelheid, zweeft de trein nog niet: de fluxverandering is dan nog niet groot genoeg. Hij wordt dan gewoon voortgestuwd over rails en gebruikt hiervoor dus gewoon zijn wielen. Hoe sneller de trein gaat, hoe groter de fluxverandering, dus hoe groter het magnetisch veld in de optil-spoelen. Bij meer dan honderd kilometer per uur wordt de afstotende kracht tussen de spoelen in de trein en de optil-spoelen groter dan de zwaartekracht. Dat betekent dat de trein gaat zweven. De wielen worden dan simpelweg ingetrokken, net als het landingsgestel van een vliegtuig…

Over de dijk?

In Nederland bekijken onderzoekers al een aantal jaren of het haalbaar is zo’n zweeftrein ook hier te laten rijden. De trein gaat sneller, zorgt voor minder geluidshinder doordat hij niet rijdt maar zweeft en vereist minder onderhoud: de rails waarboven hij zweeft slijten immers niet! Wetenschappers zeggen dat door een zweeftreinverbinding tussen Amsterdam en Groningen die afstand binnen het uur te overbruggen is. Dat is nog eens iets anders dan de twee en een half uur die je er nu voor nodig hebt…

Nadelen zijn er echter ook: de aanleg van zo’n volledig nieuwe verbinding is behoorlijk duur en ook de zogenaamde landschapsvervuiling is een probleem. De Tweede Kamer zou eigenlijk afgelopen zomer een besluit zou nemen over deze kwestie. Het duurt dus waarschijnlijk nog wel even voordat je in Nederland over het spoor kan zweven…

Duitsland is al verder met de ontwikkeling. Er is een proefbaan gebouwd waarover de magneettrein, de Transrapid (zie foto), regelmatig met grote snelheid raast.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 4 uit de jaargang 2001 van het blad Archimedes.