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LE SCIENZE 380/ a p ri le 2000 Il SC II N7E 380/ aprile 2000

Le frontiere della tecnologia

MaInductrack, un nuovo progetto per i treni a levitazione magnetica,promette un sistema più sicuro e più economico,con una tecnologia utilizzabile anche per lanciare razzi

di Richard F. Post

I

l principe Ahmed e il tappeto volante», uno deiclassici delle Mille e una notte, narra di un princi-pe che volava su un tappeto magico, sostenuto da

forze invisibili. La versione moderna del tappeto magico èil treno a levitazione magnetica, o maglev, che può viaggia-re più velocemente dei treni ordinari e con efficienza mi-gliore, in quanto corre sull'aria anziché su rotaie d'acciaio.

L'idea è decollata nei tardi anni sessanta, quando GordonT. Danby e James R. Powell del Brookhaven National Labo-ratory proposero di usare bobine di materiale supercondut-tore per produrre campi magnetici capaci di far levitare i tre-ni. Negli anni settanta e ottanta furono costruiti maglev spe-rimentali in Germania e in Giappone ma, nonostante l'at-trattiva esercitata da questa tecnologia, che promette viaggi«sul velluto» a 500 chilometri all'ora, non si è costruito al-cun sistema a grande scala e commercialmente operativo.

Come mai? In primo luogo, i prototipi di maglev finorarealizzati sono molto più costosi e complessi delle linee fer-

roviarie convenzionali. Il sistema giapponese,per esempio, richiede l'installazione sulle

carrozze di dispendiose apparec-chiature criogeniche per raf-

freddare le bobine su-perconduttrici

che, per funzionare efficientemente, vanno tenute a tempera-ture inferiori a 5 kelvin (-268 gradi Celsius). Il maglev tede-sco usa elettromagneti convenzionali anziché supercondut-tori, ma il sistema è intrinsecamente instabile perché si basasull'attrazione magnetica, e non sulla repulsione. Ogni car-rozza deve essere munita di sensori e di circuiti di retroazio-ne per mantenere la distanza tra gli elettromagneti e i binari.

Per di più, nessuno dei due sistemi è a prova di guasto.Una rottura dei circuiti di controllo dei magneti o dei sistemidi alimentazione potrebbe produrre una perdita di levitazio-ne improvvisa mentre il treno è in movimento. Un progettoaccurato può minimizzare i rischi di un difetto così grave,ma richiede un ulteriore aumento di costi e di complessità.

Tutti a bordo dell'inductrackAl Lawrence Livermore National Laboratory esploriamo

un approccio diverso alla levitazione magnetica, che potreb-be essere più semplice ed economico da realizzare. L'idea ènata da ricerche su una batteria elettromeccanica per autovei-coli. Una batteria di questo tipo immagazzina energia cineti-ca utilizzando un volano, che richiede supporti magneticiquasi del tutto privi di attrito per minimizzare la perdita dienergia. I supporti sviluppati al Livermore Laboratory usava-no serie di magneti cilindrici per stabilizzare la levitazione delvolano. Presto ci siamo resi conto che, srotolando gli stabiliz-zatori, avremmo avuto la base per un nuovo tipo di maglev.

Il nuovo sistema, chiamato Inductrack, è passivo, nelsenso che non usa magneti superconduttori o elet-

tromagneti azionati da motori. Utilizza invecemagneti permanenti a temperatura am-

biente, simili a una calamita, ma dimaggiore potenza. Sotto cia-

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CARROZZA

oSISTEMA DIHALBACH

CIRCUITI DILEVITAZIONE

STRUTTURA DI SUPPORTO

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CIRCUITI DI LEVITAZIONE

LINEECAMPODI

MAGNETICOCOMBINATE Tfl Ns1114m

-Le frontiere de - e

DIREZIONE DI MOTO DELLA CARROZZA

SISTEMA DIHALBACH

ORIENTAZIONEDEL MAGNETE

Un modello dell'Inductrack è stato costruito alLawrence Livermore National Laboratory. Laprima sezione del binario, lungo 20 metri, con-teneva circuiti di comando alimentati elettrica-mente per accelerare un carrello di 22 chilo-grammi (sotto). Una volta messo in moto ilmezzo, i sistemi di Halbach, montati sottoil carrello, gli consentivano di pro-cedere sopra le 1000 spire chelo facevano levitare, nellaseconda sezione delbinario.

Sotto una carrozza Inductrack,i magneti permanenti sono po-sti in un sistema di Halbach (adestra) in modo che le linee dicampo si rafforzino reciproca-mente sotto i magneti, ma si e-lidano sopra di essi. Spostan-dosi, i magneti inducono neicircuiti del binario correnti cheproducono un campo elettro-magnetico che respinge il siste-ma, facendo levitare la carroz-za. Lungo i lati del binario i si-stemi di Halbach possono dareanche stabilità laterale (sotto).

rettangolare di barre magnetiche: il si-stema di Halbach, così chiamato dalnome del suo inventore, Klaus Hal-bach del Lawrence Berkeley NationalLaboratory. Le barre sono sistematein modo che l'orientazione magneticadi ciascuna sia perpendicolare a quelladelle barre vicine (si veda l'illustrazio-ne in alto in questa pagina). Quandole barre sono disposte secondo questaconfigurazione, le linee di forza delcampo magnetico si combinano inmodo da produrre un campo moltointenso sotto l'insieme dei magneti.Sopra di esso, le linee di forza si an-nullano reciprocamente.

Il secondo elemento cruciale è il bi-nario, racchiuso da bobine di cavo i-solato a stretto contatto tra loro. Ognibobina è un circuito chiuso, simile al-l'intelaiatura di una finestra. Induc-track, come suggerisce il nome (un'ac-cezione di track in inglese è «bina-rio»), produce una forza di levitazioneinducendo correnti elettriche nel bina-rio. Il movimento di un magnete per-manente vicino a un anello di cavo e-lettrico fa fluire una corrente nella spi-ra, secondo la legge scoperta dal fisicoinglese Michael Faraday nel 1831. Al-

lorché i vagoni dell'Inductrack si spo-stano in avanti, i magneti del sistemadi Halbach inducono correnti elettri-che nelle spire della rotaia, ed esse, aloro volta, generano un campo elettro-magnetico che respinge i magneti. Fin-ché il treno si sposta a una velocità su-periore a un valore critico di qualchechilometro all'ora - un po' più velocedi una persona che cammina - i sistemidi Halbach vengono sollevati di alcunicentimetri al di sopra del binario.

Il campo magnetico si comporta inmodo molto simile a una molla com-pressa: la forza di levitazione aumentaesponenzialmente via via che la separa-zione tra binario e carrozza diminui-sce. Questa proprietà rende Inductrackintrinsecamente stabile; si può ancheadattare facilmente a un carico cre-scente o alle forze di accelerazione de-rivanti dal seguire una curva. Perciò ilsistema non richiede circuiti di control-lo per mantenere la levitazione dellecarrozze. Tutto ciò di cui il treno ha bi-sogno è una sorgente di accelerazione.

In passato, si pensava che i magnetipermanenti non si potessero usare neisistemi maglev, perché avrebbero pro-dotto una forza di levitazione troppo

piccola rispetto al loro peso. Nell'In-ductrack, tuttavia, la combinazione delsistema di Halbach e delle bobine stret-tamente avvolte sul binario produceforze di levitazione di intensità prossi-ma a quella teorica massima per unitàdi superficie che può venire esercitatada magneti permanenti. I calcoli dimo-strano che, usando per esempio legheneodimio-ferro-boro, è possibile rag-giungere forze di levitazione dell'ordinedi 40 tonnellate per metro quadrato,con sistemi di magneti che pesano solo800 chilogrammi per metro quadrato.In un sistema Inductrack di grande sca-la, il binario consisterebbe di due file dibobine rettangolari stipate l'una vicinoall'altra, e ogni fila corrisponderebbe auna delle rotaie d'acciaio di un binarioconvenzionale. I sistemi di Halbachprincipali per la levitazione verrebberodisposti sotto la carrozza in modo datrovarsi esattamente sopra le file di bo-bine (si veda l'illustrazione in basso inquesta pagina). Si potrebbero disporresistemi di Halbach più piccoli lungo ilati delle file di bobine, per fornire sta-bilità laterale alle carrozze del treno.Una configurazione di questo tipo so-miglierebbe in un certo senso al suoomologo in un treno ordinario, cioè auna ruota flangiata che gira su una ro-taia d'acciaio. Nell'Inductrack il ruolodelle flange è svolto dai piccoli sistemidi Halbach montati lateralmente, men-tre quello della «ruota» è rivestito daisistemi levitanti principali.

Il problema dell'efficienza

Una preoccupazione fondamentaleper qualsiasi maglev è l'efficienza delsistema di sollevamento. A differenzadei sistemi tedesco e giapponese, l'In-ductrack non richiede energia per pro-durre il suo campo magnetico, in quan-to usa magneti permanenti. Questafonte di inefficienza, perciò, non è un

problema. Per far levitare le carrozze,tuttavia, occorre indurre corrente neicircuiti del binario, e la resistenza elet-trica dissiperà parte dell'energia, tra-sformandola in calore. La perdita dienergia, dovuta al moto del treno ri-spetto ai binari, provocherà resistenzeal trascinamento. Queste forze sonol'equivalente magnetico della resistenzada attrito che in un treno convenziona-le è associata alle ruote e ai cuscinetti.Nell'Inductrack le forze magnetiche datrascinamento variano inversamentealla velocità del treno, assumendo va-lori molto bassi in corrispondenza del-la velocità di crociera (250-500 chilo-metri all'ora). Queste forze si compor-tano quindi in maniera opposta alle re-sistenze dovute all'attrito delle ruote oalla resistenza aerodinamica, che cre-scono all'aumentare della velocità.

Nei velivoli, un modo comune pervalutare la prestazione di una superfi-cie aerodinamica consiste nel calcolareil suo rapporto tra portanza e resisten-za aerodinamica (L/D, da lift-to-drag).A valori caratteristici delle velocità divolo, il rapporto L/D dell'ala di un ve-livolo a reazione è di circa 25 a 1 e

non varia molto con la velocità. Nelsistema Inductrack il rapporto corri-spondente collega la portanza magne-tica - cioè la forza di sollevamento - al-la resistenza magnetica. Siamo riuscitia trovare una formula per il rapportoL/D dell'Inductrack effettuando un'a-nalisi teorica dettagliata del sistema.In questa impresa è stato determinanteil contributo di Dmitri D. Ryutov, giàdell'Istituto Budker di fisica nuclearedi Novosibirsk, in Russia. Ryutov ènoto a livello internazionale per i suoicontributi alla teoria dei plasmi confi-nati magneticamente per la fusione, eha usato tecniche derivanti da quelladisciplina per l'analisi dell'Inductrack.

Il rapporto L/D dell'Inductrack è ri-sultato direttamente proporzionale allavelocità dei sistemi di Halbach in movi-mento. Quando il treno è a riposo, nonc'è alcuna forza di levitazione, e il rap-

porto L/D è nullo. Ma, quando il trenocomincia a muoversi, la forza di levita-zione aumenta rapidamente, raggiun-gendo la metà del suo valore massimoa una velocità compresa tra 2 e 5 chilo-metri all'ora. La chiamiamo velocità ditransizione: in corrispondenza di essa laspinta di sollevamento e la resistenzasono uguali. A un valore pari a due vol-te la velocità di transizione, la forza dilevitazione raggiunge l'80 per cento delsuo valore massimo e il rapporto L/Daumenta fino a circa 5. Quindi la levi-tazione dell'Inductrack ha luogo quan-do il treno si muove lentamente. Se lecarrozze sono dotate di ruote ausiliarie,il treno può correre sulle rotaie fino araggiungere la velocità di transizione, ea questo punto dovrebbe cominciare alevitare. Inoltre l'efficienza del sistemacontinua a migliorare via via che il tre-no acquista velocità: il rapporto L/D

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•LE LINEE DI CAMPO MAGNETICO SI ELIDONO

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Un lanciarazzi Inductrack potrebbefornire la spinta iniziale per futurenavicelle spaziali. La navicella si po-trebbe montare su una «culla dilancio» che scivoli su un binario in-clinato della lunghezza di un chilo-metro. Non ostacolato dagli attritidelle ruote, l'alloggiamento di lan-cio sarebbe in grado di accelerare ilrazzo fino a una velocità di 950 chi-lometri all'ora. I motori della navi-cella, allora, si accenderebbero e laporterebbero in orbita.

può arrivare fino a 200 a 1 a una velo-cità di 500 chilometri all'ora. Se poi l'e-nergia di propulsione venisse improvvi-samente a mancare, le carrozze rimar-rebbero sollevate durante il rallenta-mento, fino a una velocità molto bassa,e a questo punto si fermerebbero sulleruote ausiliarie.

Un altro sistema per valutare l'effi-cienza del sistema Inductrack è quellodi misurare la perdita di energia deri-vante dalla resistenza magnetica datrascinamento e di confrontarla con lealtre perdite di energia. Con una car-rozza da 50 tonnellate che viaggia a500 chilometri all'ora, nei circuiti di le-vitazione verrebbero dissipati da 300 a600 chilowatt di potenza. Al contrario,la resistenza aerodinamica sulla car-rozza, a quella velocità, provocherebbeuna perdita di energia pari a circa 10Megawatt. In altre parole, l'energia ri-chiesta per tenere sollevata la carrozza

è meno di un decimo di quella necessa-ria a vincere la resistenza del vento.

Sistemi di comandoper l'Inductrack

Finora ho descritto solo un tipo dicircuito per l'Inductrack, cioè una filadi spire rettangolari. Tuttavia il binariopuò prendere molte altre forme, a se-conda della prestazione richiesta. Peresempio, potrebbe consistere di pile disottili fogli di alluminio, provviste dipellicole isolanti tra uno strato e l'altro.Quando i sistemi di Halbach si muovo-no sopra queste pile, i campi magneticiinducono correnti elettriche nei fogli dialluminio. Si potrebbe incidere una se-rie di fenditure parallele in ogni foglio,per creare il percorso ottimale per glielettroni, minimizzando le correnti vor-ticose che accrescerebbero le perdite dienergia. Questo tipo di binario esercite-

rebbe una forza di levitazione più in-tensa di una fila di spire rettangolari, esarebbe più economico da realizzare.

Un'alternativa è di aumentare l'effi-cienza del binario con un metodochiamato carico induttivo: lo si puòapplicare ai circuiti rettangolari dispo-nendo intorno alla parte inferiore diogni bobina piastrelle di ferrite, unaceramica magnetica contenente ossidodi ferro. Questa modificazione ridur-rebbe la corrente indotta nelle bobinedai sistemi di Halbach, e quindi la per-dita di energia causata dalla resistenzaelettrica. Poiché la resistenza magneti-ca di trascinamento sarebbe inferiore,la forza magnetica ascensionale laneutralizzerebbe più facilmente, e iltreno comincerebbe a levitare a unavelocità di transizione più bassa. Il si-stema del carico induttivo, però, com-porta un prezzo da pagare, in quantoridurrebbe la forza di levitazione mas-

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Le frontiere della tecnologia 6. 4L «o 111-4,,, 6. I. n . §§ . ffl 4e3 nIM 111-11Cn yr: gli" 9

sima del sistema al di sotto delle 40tonnellate per metro quadrato che siottengono con il binario più semplice.

Uno dei pregi dell'Inductrack è chepuò accogliere una grande varietà di si-stemi di comando per i treni. Se il bina-rio si può allacciare a una rete elettrica,le carrozze vengono azionate da « bobi-ne di comando» disseminate fra i cir-cuiti di levitazione del binario. Alimen-tate con la corrente di rete, le spire dicomando generano campi elettroma-gnetici che interagiscono con i campiprodotti dai sistemi di Halbach. Sincro-nizzando gli impulsi delle bobine di co-mando col moto del treno, si otterran-no forze di accelerazione o di decelera-zione sulle carrozze. In situazioni in cuil'elettrificazione della linea ferroviariafosse troppo costosa, il maglev potreb-be essere fornito di un propulsore a eli-ca comandato da una turbina a gas.Poiché la resistenza del vento sarebbel'unica forza significativa esercitata sultreno, un solo propulsore potrebbe ac-celerare il maglev a velocità elevate.

Completata la nostra analisi teoricadell'Inductrack, siamo passati alla faselogica successiva: costruire un modelli-no funzionante del sistema. Lo scopoera la verifica delle previsioni teoriche ela dimostrazione che esso poteva levita-re in maniera stabile. Il binario di pro-va, lungo 20 metri, è stato realizzatoper far levitare un carrello di 22 chilo-grami dotato di sistemi di Halbach nel-la parte inferiore. La prima sezione delbinario conteneva circuiti di comandoalimentati elettricamente; la secondasezione consisteva di 1000 spire sottili,rettangolari, ciascuna larga circa 15centimetri, per far levitare il carrello.

Alla partenza di ogni percorso diprova, il carrello si muoveva sulle ruo-te ausiliarie, mentre i circuiti di co-mando lo acceleravano a una velocitàdi 12 metri al secondo. Questo valorebastava a consentire la levitazione delcarrello sopra le bobine rettangolari(la velocità di transizione era di soli 4metri al secondo). Il carrello procede-va sollevato per quasi tutta la lunghez-za del binario, prima di posarsi sulleruote all'estremità opposta. Abbiamomisurato la velocità e le oscillazioni

del carrello usando due laser montatisu di esso leggermente ad angolo. I la-ser formavano macchie luminose suuno schermo bianco posto all'estre-mità del binario; l'analisi della separa-zione e delle posizioni delle macchie,fatta su una registrazione video, per-metteva di ottenere grafici delle posi-zioni del carrello e dei suoi movimentidi beccheggio e rollio.

Le prove hanno confermato le no-stre previsioni e hanno dimostrato chel'idea è realizzabile. Per di più, unostudio preliminare di fattibilità con-dotto nel 1997 dalla società di consu-lenza Booz-Allen & Harnilton ha con-cluso che un sistema Inductrack a sca-la reale sarebbe meno costoso da co-struire e far funzionare del maglev te-desco. Lo studio ha stimato, fra l'al-tro, che una carrozza dotata di sistemidi Halbach costerebbe tra 3,2 e 4,2milioni di dollari, contro i 6 del ma-glev tedesco. Il veicolo Inductrack sa-rebbe più costoso di una carrozza con-venzionale, e costruire il binario del si-stema potrebbe costare l'80 per centoin più rispetto a un binario normale.Lo studio ha però rilevato che i costidi consumo energetico e di manuten-zione dell'Inductrack sarebbero deci-samente più bassi di quelli di una lineaferroviaria convenzionale.

Lanciarazzi maglev?

Dopo la costruzione del binario diprova al Livermore, i funzionari dellaNASA sono venuti a conoscenza delnostro lavoro, e hanno assegnato allaboratorio un contratto per costruireun altro modello, mirato a dimostrareun'applicazione molto diversa dell'i-dea Inductrack. Studi della NASA di-mostrano che, se i loro razzi potesseroessere accelerati su un binario inclina-to fino a velocità di Mach 0,8 (circa950 chilometri all'ora) prima di avvia-re i motori, il costo del lancio dei sa-telliti verrebbe ridotto in maniera so-stanziale. Il sistema permetterebbe diridurre il combustibile del 30-40 percento e di utilizzare per molti lanci unvettore monostadio. Il nostro model-lo di Inductrack, che avrà un binario

lungo circa 100 metri, sarà progettatoper accelerare una «culla da lancio» di10 chilogrammi a velocità intorno a0,5 Mach (600 chilometri all'ora). Da-ta la brevità del binario ( un sistemareale sarebbe lungo circa un chilome-tro), i circuiti elettrici di comando delmodello dovranno fornire livelli di ac-celerazione pari a 10 g. Nel sistemareale l'accelerazione, limitata dalla re-sistenza e dal peso del razzo stesso, sa-rebbe più modesta, dell'ordine di 3 g.

Un'altra potenziale applicazione diInductrack è stata immaginata dall'in-ventore e imprenditore californianoDouglas J. Malewicki. SkyTran, il siste-ma maglev da lui proposto, dovrebbeportare veicoli da due passeggeri fino avelocità di 160 chilometri all'ora. I vei-coli, a forma di capsula, sarebbero so-spesi a una monorotaia che sorregge-rebbe i circuiti di levitazione e sarebbe-ro disponibili su chiamata a ogni sta-zione del sistema. Dopo la salita deipasseggeri, il veicolo scivolerebbe sulbinario principale e si unirebbe al traffi-co; raggiunta la destinazione, passereb-be su un binario di uscita, fermandosialla stazione per consentire la discesa.

Come accade con ogni nuova tecno-logia mirata a migliorare o soppiantareuna più vecchia, solo il tempo dirà co-me verrà utilizzato l'Inductrack. Perrealizzare la transizione dalla teoria edai modelli a un sistema reale, biso-gnerà impegnarsi a risolvere alcuniproblemi tecnici. Per esempio, per ren-dere più confortevole il viaggio, il siste-ma dovrà attenuare i movimenti cau-sati da forze aerodinamiche. Si dovràanche riuscire a liberare il binario datutti i detriti metallici che potrebberoessere attratti dai sistemi di Halbach.(A questo scopo, la carrozza di testapotrebbe essere dotata dell'equivalentemagnetico di un cacciapietre.)

Vi è poi la sfida economica di tenerei costi abbastanza bassi per fornire unreale vantaggio rispetto alle ferrovieconvenzionali. Ritengo, però, che lasemplicità e la flessibilità dell'idea ga-rantiranno molte applicazioni, non so-lo per le ferrovie ad alta velocità, maanche per impieghi che ancora nonabbiamo immaginato.

RICHARD F. POST lavora alla Divisione per l'energia delLawrence Livermore National Laboratory ed è professoreemerito all'Università della California a Davis. Conduce ri-cerche nel campo della fusione controllata da 40 anni; fra glialtri suoi interessi vi sono la fisica dell'elettrone, gli accelera-tori lineari a onda progressiva e l'accumulazione di energia.

Ulteriori informazioni sull'Inductrack sono reperibili alsito Internet www.11nl.gov/str/Post.html

La home page del Railway Technical Research Institute, i-deatore del maglev giapponese, è www.rtri.or.jp/index.html;la home page del maglev tedesco Transrapid System si trovaall'indirizzo Internet www.maglev.corn/english/index.htm

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