Al sinds een paar decennia rijden er door grote delen van Europa hogesnelheidstreinen. Dat zijn treinen die vaak snelheden halen van tot 300 km/h. Maar dat zijn allemaal nog steeds normale treinen, die gewoon op rails rijden. Er bestaat ook een andere techniek, waarmee treinen een stuk hogere snelheden kunnen halen terwijl er minder energie voor nodig is: de techniek van de magneetzweeftrein .
Figuur 1: Een Transrapid-treinstel op het testtraject bij het Duitse Lathen (Bron: Wikipedia).
In meerdere landen is er geëxperimenteerd met magneetzweeftreinen: er zijn experimenten geweest in Amerika, en in Japan ligt een magneetzweefbaan waar treinen meer dan 500 km/h halen. Een stuk dichter bij huis, in Duitsland (vlak over de grens met Nederland, bij Lathen), ligt een testbaan waarop de trein met de mooie naam Transrapid rondjes heeft gereden (zie figuur 1). Na een groot ongeluk in 2006 waarbij 23 mensen om het leven kwamen, is het testen op deze testbaan in Duitsland echter gestopt.
Figuur 2: De magneetzweeftrein Transrapid. Bron: YouTube.
Dit type magneetzweeftrein, de Transrapid, is het enige waarmee ook een ‘echte’ treinverbinding onderhouden wordt: in het Chinese Shanghai verbindt een Transrapid-baan het stadscentrum met het vliegveld. Alle verschillende magneetzweeftrein-systemen werken weer net iets anders, maar wij gaan hier kijken naar het Transrapid-systeem.
Werking
De naam van een magneetzweeftrein zegt het belangrijkste al: een magneetzweeftrein is een trein die door magneten zwevend wordt gehouden. In figuur 3 en in bovenstaand filmpje zie je hoe dat werkt: de trein rijdt niet op rails, maar is om een betonnen baan heen gekruld. Zowel in die betonnen baan als aan de trein zelf zitten magneten. Zoals je waarschijnlijk wel weet, heeft een magneet twee ‘polen’, de noordpool en de zuidpool. Een noordpool en een zuidpool trekken elkaar aan, terwijl twee dezelfde polen elkaar altijd afstoten.
Figuur 3: Frontaanzicht van de magneetzweeftrein. Aan de trein, die rond de betonnen baan gekruld is, zitten permanente magneten. In de baan zitten elektromagneten (hier doen we voor het gemakt even alsof ze aan de buitenkant van de baan zitten).
Daarvan, en van een ander handig trucje, wordt handig gebruik gemaakt bij de techniek van de magneetzweeftrein. Dat andere handige trucje is het elektromagnetisme: meer daarover kun je vinden in dit artikel. Een elektromagneet werkt op stroom, en kan dus naar believen aan- en uitgezet worden. Als de elektromagneten in de baan van de trein aan staan, worden de permanente magneten aan de trein zelf daardoor aangetrokken, waardoor de hele trein omhoog komt. Doordat een computer de elektromagneten steeds aan- en uitzet, blijft de trein op een constante afstand van de baan zweven. Op dezelfde manier zorgen magneten aan de zijkant van de baan ervoor dat de trein de baan niet raakt in bijvoorbeeld bochten.
Voortstuwing
Maar hoe komt de magneetzweeftrein nou vooruit? In figuur 4 zie je een zijaanzicht van de magneten aan de trein en in de baan. Je ziet dat er in de baan niet één lange magneet zit, maar een lange rij elektromagneten naast elkaar. Aan de trein zitten steeds afwisselend noord- en zuidpolen.
Figuur 4: Zijaanzicht van de magneten in de baan en de magneten in de trein. Je ziet dat de trein voortbewogen wordt door de magneten die elkaar aantrekken en afstoten. Let op: de magneten van de trein zitten hier onder de magneten in de baan omdat de trein om de baan heen ‘krult’.
Hier komt een andere leuke eigenschap van elektromagneten in het spel: je kunt de polen van een elektromagneet verwisselen door de richting waarin de stroom loopt om te keren (hoe dat komt, wordt verklaard in dit artikel). Door het aantrekken en afstoten van de polen zal de trein uit zichzelf altijd bewegen naar een positie waarin elke noordpool tegenover een zuidpool staat en andersom. Als nu, zodra de trein in zo’n positie is aangekomen, de stroom van richting verandert, staat elke noordpool weer tegenover een noordpool en elke zuidpool weer tegenover een zuidpool, dus zal de trein verder bewegen. Met andere woorden, als de stroom steeds weer van richting verandert, zal de trein vooruit blijven bewegen! En daarbij geldt: hoe vaker de stroom van richting verandert, des te sneller zal de trein ‘rijden’. Omdat het natuurlijk veel te lastig is om zoiets met de hand te regelen, bestuurt een computer de trein.
Voordelen
Het grootste voordeel van een magneetzweeftrein is dat er veel minder energie nodig is om vooruit te komen dan bij een normale trein. Een normale trein heeft namelijk altijd te maken met wrijving waardoor er energie verloren gaat: in de motor en aan de assen, en vooral ook aan de wielen. Bij een magneetzweeftrein is er zo goed als geen wrijving. Dat komt omdat er nergens onderdelen zijn die bewegen, zoals motoren! In feite zit de motor in de baan van de trein zelf, en de trein raakt de baan niet. Er treedt dus nergens wrijving op. Een bijkomend voordeel is dat er bijna geen onderdelen zijn die kunnen verslijten. Alleen luchtwrijving valt op deze manier niet te voorkomen.