Icon up Overzicht

Magnetische zweeftreinen: een toepassing van supergeleiding

Onderwerp: Elektrische stroom, Elektrisch veld en magnetisch veld, Inductie en wisselstromen

Er zijn verschillende wilde plannen om een zweeftreintraject aan te leggen. Het zou het middel zijn om het noorden van ons land te ontsluiten. Bij een zweeftrein zijn er grofweg drie verschillende aspecten van belang. Allereerst moet de trein loskomen van de ondergrond: het daadwerkelijke zweven. Verder moet de trein gestuurd worden, zodat deze op de baan blijft. Het laatste aspect is de voortstuwing van de trein. Deze drie onderdelen zullen kort aan bod komen. Daarnaast blijken er enorme magneetvelden nodig te zijn. Welke rol speelt supergeleiding hierin?

Deze pagina is een onderdeel van het thema "supergeleiding". Het thema supergeleiding omvat artikelen, interviews, uitleg, sommetjes. Je vindt informatie over de theorie. Er is aandacht voor de bijdrage die supergeleidende materialen leveren aan de techniek en de gezondheidszorg. Er wordt een beeld geschetst van een onderzoeksgroep die werkt aan supergeleiders. Themapagina supergeleiding.

1. Het zweven

Om het enorme gewicht van de trein los te krijgen van de ondergrond wordt gebruik gemaakt van magnetisme. In het onderstaande plaatje is een dwarsdoorsnede gemaakt van de trein.

Figuur 1. Je ziet de dwarsdoorsnede van de trein. De magneten in de baan zijn ook zichtbaar.

De primaire spoelen in de trein zijn grote electromagneten. Door deze spoelen wordt een grote stroom gestuurd. De 8-vormige secundaire spoelen zijn in de baan van de zweeftrein geplaatst. Deze spoelen zijn niet aangesloten op een stroombron. De primaire elektromagneten liggen een paar centimeter beneden het midden van de 8-vormige spoelen. Als de trein nu in beweging is, beweegt de elektromagneet langs de spoel in de baan. De spoel “ziet” hierdoor een veranderend magneetveld en daardoor wordt er een stroom in de spoel geïnduceerd.

Inductiestroom? Zie de interactieve bijles over de wet van Lenz.

Er vallen twee dingen op:

  • De magneet bevindt zich dichter bij de onderste helft van de 8.
  • Door de 8-vorm verandert de stroom van richting.

Figuur 2. De magneet op de trein passeert de spoelen op de baan onder het midden.

Hierdoor ontstaat er een resulterend magneetveld in de secundaire spoel. Het resulterende magneetveld van de spoel zorgt ervoor dat de onderste helft de elektromagneet in de trein afstoot, terwijl de bovenste helft de elektromagneet in de trein aantrekt. Beide krachten zijn dus omhoog gericht, waardoor de trein opgelicht wordt.

Zoals gezegd functioneert dit dus alleen als de trein in beweging is. Indien de trein stilstaat functioneert dit niet (aangezien het magneetveld dan niet verandert). De trein staat daarom aan het begin op wielen. Deze wielen brengen de trein op gang totdat de geïnduceerde stroom in de spoelen voldoende groot is om de trein te dragen. De wielen worden dan als een soort landingsgestel ingetrokken.

2. De voortstuwing

De trein kan bij voldoende snelheid dus blijven zweven. Maar hoe wordt de trein nu voortbewogen als de wielen ingetrokken zijn? Bestudeer onderstaande figuur maar eens.

Figuur 3. De baan met daarin de 8-vormige spoelen en de voortstuwingsmagneten.

Hiervoor wordt gebruik gemaakt van zogenaamde voortstuwingsmagneten in de baan. Zoals gezegd induceert de magneet in de trein een magneetveld in de 8-vormige spoelen. Het systeem detecteert dit geïnduceerde magneetveld en zorgt ervoor dat de voortstuwingselektromagneten dusdanige polen krijgen dat deze de magneten in de trein aantrekken. Deze magneten veranderen dus voortdurend van pool. Hierdoor kan de trein voortgestuwd worden. In figuur 4 is een bovenaanzicht weergegeven van de trein, met daarin de magneten en de voortstuwingsmagneten in de baan.

Figuur 4. Bovenaanzicht van de baan met de voortstuwingsmagneten.

3. De sturing

Naast het zweven van de trein en het voortstuwen is er ook nog een mechanisme nodig om ervoor te zorgen dat de trein netjes in de baan blijft, een soort stuurmechanisme. Het besturen van de trein gebeurt met behulp van de 8-vormige spoelen in de zijwand van de baan.
Indien de trein zich bijvoorbeeld richting de linkerzijwand beweegt, dan zal (door de sterker wordende inductie) de afstotende kracht tussen de magneet van de trein en de geïnduceerde spoel groter worden. Aan de rechterzijde zal deze kracht juist minder groot worden, waardoor er netto een corrigerende kracht naar rechts op de trein uitgeoefend wordt. Deze nettokracht zorgt ervoor dat de trein dus altijd naar het midden van de baan wordt gedrukt.

In deze animatie kun je zien waneer de krachten ontstaan en hoe de samengestelde krachten de trein optillen.

Supergeleiding

Maar wat heeft dit alles nu met supergeleiding te maken? In de afgelopen 50 jaar is men al aan het experimenteren met magnetische zweeftreinen. Hierbij bleek dat de trein erg zwaar werd, als men normale elektromagneten of permanente magneten gebruikte. Het benodigde magneetveld was namelijk zo groot, dat er gigantische spoelen nodig waren, met daarin enorme stroomsterktes, om dit op te wekken. De eindige weerstand van de spoelen, gecombineerd met deze grote stromen, had als bijkomend nadeel dat er een enorme warmte-ontwikkeling plaatsvond. Dus naarmate de kritische temperatuur van de supergeleiders steeds hoger komt te liggen, wordt het aantrekkelijker om de zware elektromagneten te vervangen door veel lichtere supergeleidende magneten.

Supergeleiding? Bekijk ook eens het artikel Supergeleiding, hoe werkt dat?

De Japanse zweeftrein, model MLX01.

Voorbeelden van zweeftreinen: Japan: Een zweeftrein waarin Japan mee getest wordt is de MLX01, welke is uitgerust met deze supergeleidende magneten. Deze trein is in een vergevorderd teststadium. 552 km/h is de maximum snelheid die is gehaald met de MLX01. Dat was op 14 april 1999. Sinds 1984 is in Duitsland een testbaan voor zweeftreinen in gebruik. Deze baan ligt bij het plaatsje Lathen in Emden. De Duitse techniek wijkt af van de Japanse techniek. Bij het Duitse Transrapidsysteem worden geen supergeleidende spoelen gebruikt. Dit kan alleen als de luchtspleet tussen trein en baan minimaal is. Dat maakt deze techniek minder geschikt voor een minder stabiele ondergrond. Denk ook aan problemen die optreden bij aardschokken. Als er materialen beschikbaar komen die bij hogere temperatuur supergeleidend blijven verdient de Japanse techniek natuurlijk de voorkeur: minder warmteontwikkeling, kleinere spoelen, beter bestand tegen schokken, hogere snelheden

De transrapid verandert van zweefbaan door buigzame stalen wissels. Door elektromotoren worden de stalenkokerbalken gebogen en verankerd. Hoe groot zullen de krachten zijn die hiervoor nodig zijn?

Nederland. Met de publicatie ‘Zweven is vrijheid’ presenteerde het Consortium Transrapid Nederland in juni 1999 het even ambitieuze als inspirerende idee om de magneetzweeftrein in Nederland te introduceren. Het consortium wil gebruik maken van de Duitse techniek. Centraal in hun plannen staat een rondje Randstad - Zuiderzeelijn. De vraag is of de zweeftrein economisch rendabel zal zijn en wat de effecten op het milieu zijn. Of onderstaande voorstelling van zaken werkelijkheid wordt, is dus nog even afwachten. De vraag is ook of de Nederlandse bodemgesteldheid wel geschikt is voor deze techniek.