Tàu đệm từ hoạt động như thế nào?

Ai phát minh ra tàu đệm từ?

Năm 1904, giáo sư và nhà phát minh người Mỹ Robert Goddard đã viết một bài báo trình bày ý tưởng về tàu đệm từ. Đó là ý tưởng phát triển một đoàn tàu được đẩy bằng từ trường, không có ma sát trên đường ray, di chuyển với tốc độ cao.

Nghiên cứu đầu tiên về phương tiện đệm từ được kỹ sư người Mỹ gốc Pháp Emile Bachelet giới thiệu vào năm 1914. Một bài viết trên tạp chí Thụy Sĩ “Schwizer Familie” tháng 6/1914 cho thấy một số thông tin về dự án và bức ảnh về mô hình mẫu đầu tiên của ông.

Bằng cách sử dụng lực hút và lực đẩy từ tính, Bachelet giải thích chi tiết cách sắp xếp các nam châm, với các cực của chúng, trên đường ray và trên phương tiện, cũng như cách cung cấp năng lượng định kỳ cho chúng để tạo ra từ trường. Điều này cho phép phương tiện “lơ lửng” trong không khí, có thể được đẩy đi dễ dàng mà không có ma sát cơ học.

Bachelet khá thành công ngay từ năm 1914 với mô hình trong một cuộc triển lãm ở London và đã thu hút được sự hỗ trợ tài chính để tiếp tục nghiên cứu cho đến khi ông qua đời vào năm 1946. Phát minh này là tiền thân của các công nghệ tàu đệm từ hiện đại (còn gọi là tàu Maglev - viết tắt của Magnetic Levitation).

Năm 1966, hai nhà nghiên cứu James Powell và Gordon Danby tại Phòng thí nghiệm Brookhaven, New York (Hoa Kỳ) xuất bản bài báo trình bày về một phương thức sử dụng nam châm siêu dẫn tạo ra từ trường để nâng và di chuyển đoàn tàu. Công nghệ đệm từ mà Powell và Danby phát triển, giúp tàu di chuyển nhanh hơn so với ô tô hoặc tàu hỏa truyền thống. Năm 1968, James Powell và Gordon Danby nhận được bằng sáng chế cho tàu đệm từ.

Tàu đệm từ hoạt động như thế nào?

Nếu bạn từng dùng nam châm đều biết rằng, khi cực bắc của nam châm này gần cực nam của nam châm khác, lực hút sẽ được tạo ra; ngược lại, hai cực bắc hoặc hai cực nam của hai nam châm gần nhau, lực đẩy sẽ xuất hiện. Đây là nguyên tắc cơ bản đằng sau lực đẩy từ trong hệ thống tàu đệm từ.

Khái niệm về hoạt động của tàu đệm từ có thể hình dung như sau. Tàu đệm từ sử dụng nam châm điện mạnh lắp ở cả toa tàu lẫn đường ray. Các nam châm siêu dẫn này, có thể tạo ra từ trường mạnh gấp 10 lần so với nam châm điện thông thường, đủ để nâng và đẩy một đoàn tàu.

Mô hình tàu đệm từ

Có hai công nghệ tàu đệm từ chủ yếu đang được sử dụng.

● Hệ thống treo điện từ (Electromagnetic suspension - EMS) sử dụng lực hút và lực đẩy giữa các nam châm ở thành bên, mặt dưới của tàu và trên đường ray để nâng tàu. Một biến thể của EMS, được gọi là Transrapid, dùng nam châm điện để nâng tàu lên khỏi đường ray. Lực hút, lực đẩy của các nam châm ở mặt dưới của tàu và quanh các thanh đường ray, giữ cho đoàn tàu cao hơn đường ray khoảng 1,3 cm (0,5 inch).

● Hệ thống treo điện động lực (Electrodynamic suspension - EDS) tương tự EMS ở một số khía cạnh, nhưng nam châm được dùng để đẩy đoàn tàu thay vì hút chúng. Những nam châm này siêu dẫn, siêu làm mát, có thể dẫn điện trong thời gian ngắn khi mất điện (trong hệ thống EMS, việc mất điện sẽ tắt nam châm điện). Ngoài ra, điện tích của cuộn dây từ tính trong đường ray ở hệ thống EDS sẽ “đẩy” điện tích của nam châm dưới gầm đoàn tàu để nó bốc lên cao hơn, khoảng 1 - 10 cm (0,4 - 3,9 inch) trên đường ray. Tàu EDS nhấc lên chậm nên chúng phải có bánh xe chạy ở tốc độ khoảng dưới 100 km/giờ (62 dặm/giờ). Sau khi được nâng lên, đoàn tàu di chuyển về phía trước nhờ lực đẩy được cung cấp bởi các cuộn dây từ tính, các cuộn dây này liên tục đổi cực do dòng điện xoay chiều cung cấp điện cho hệ thống.

Công nghệ nâng bằng lực từ giúp tàu đệm từ lơ lửng trên đường ray. Việc loại bỏ ma sát và thiết kế khí động học của đoàn tàu cho phép tàu đệm từ có thể đạt tốc độ tới 500 km/giờ (310 dặm/giờ). Một số tàu đệm từ thậm chí có khả năng đạt tốc độ cao hơn. Vào tháng 10/2016, một tàu cao tốc đệm từ của Nhật Bản đạt tốc độ 601 km/giờ (374 dặm/giờ) trong một quãng đường ngắn. Các tốc độ đó mang lại hy vọng cho công nghệ này tỏ ra hữu ích với những tuyến đường dài hàng trăm dặm.

Lợi ích và chi phí

Tốc độ cao là một trong những lợi ích chính của tàu đệm từ. Tàu đệm từ hiếm khi chạm vào đường ray nên ít tiếng ồn, ít độ rung hơn nhiều so với các đoàn tàu hỏa tiếp xúc trên đường ray thông thường. Ít rung lắc và ít ma sát hơn, việc vận hành êm ái khiến đoàn tàu yên tĩnh, mang lại cảm giác thoải mái cho hành khách.

Vận hành và bảo trì tàu đệm từ ít tốn kém hơn vì không có ma sát lăn, nghĩa là các bộ phận không bị mòn nhanh chóng. Tàu đệm từ ít gây ô nhiễm không khí trong quá trình vận hành, vì không có nhiên liệu nào được đốt cháy.

Một lợi ích lớn khác là an toàn. Bất kỳ hai đoàn tàu đệm từ nào đi cùng một tuyến đường đều không thể đuổi kịp và đâm vào nhau vì chúng đều được cấp năng lượng để di chuyển với cùng tốc độ. Thiết kế của tàu đệm từ và đường ray khiến khả năng trật bánh rất khó xảy ra. Tàu đệm từ càng đi xa khỏi vị trí bình thường các thanh đường ray, lực từ đẩy nó trở lại vị trí càng mạnh.

Trở ngại lớn nhất đối với phát triển tàu đệm từ là chúng phải có cơ sở hạ tầng tương thích. Kỹ thuật nâng tàu bằng lực từ khác hoàn toàn tàu hỏa truyền thống sử dụng bánh xe trên đường ray. Hệ thống hạ tầng tàu đệm từ phải được xây dựng hoàn toàn mới, cực kỳ tốn kém. Điều đó khó cạnh tranh với các đường cao tốc, đường sắt và đường hàng không hiện có.

Bên cạnh chi phí xây dựng, một yếu tố khác khi phát triển hệ thống đường ray đệm từ là chúng cần sử dụng các nguyên tố đất hiếm (như scandium, yttrium và 15 lanthanides) khá tốn kém. Nam châm làm từ các nguyên tố đất hiếm tạo ra từ trường mạnh hơn nam châm ferrite (hợp chất sắt) hoặc nam châm alnico (hợp kim của sắt, nhôm, niken, coban và đồng) để nâng và dẫn hướng các toa tàu.

Tình hình hoạt động

Tàu đệm từ thương mại đầu tiên xuất hiện năm 1984 ở Anh, khi một tàu đệm từ tốc độ thấp di chuyển giữa ga đường sắt quốc tế Birmingham và nhà ga sân bay quốc tế Birmingham. Kể từ đó, nhiều dự án tàu đệm từ khác nhau bắt đầu triển khai, hoặc bị loại bỏ.

Ở Đức, tàu đệm từ Transrapid được thử nghiệm và đưa vào sử dụng vào đầu thập niên 1990. Nhưng do một số yếu tố, nhất là sau vụ tai nạn năm 2006, tàu đệm từ Transrapid va chạm với một phương tiện bảo trì trên đường thử, đã ngừng hoạt động hẳn.

Hiện nay, có sáu tuyến tàu đệm từ đang hoạt động trên thế giới, tất cả đều tập trung ở châu Á. Trong đó, một tàu ở Nhật Bản, hai ở Hàn Quốc và ba ở Trung Quốc. Tàu đệm từ tốc độ cao đầu tiên ở Trung Quốc được vận hành vào năm 2004 tại Thượng Hải.

Nhật Bản đang có kế hoạch thiết lập tàu đệm từ tốc độ cao Chuo Shinkansen, nối Tokyo với Nagoya vào năm 2027, và phần mở rộng đến Osaka vào năm 2037. Chuo Shinkansen dự kiến di chuyển với tốc độ 500 km/giờ.

Điều lạ là công nghệ “bay” này chưa được triển khai ở Mỹ. Có lẽ tại thị trường Mỹ, nơi có hệ thống giao thông tốt và giá xăng rẻ, hệ thống tàu đệm từ khó cạnh tranh với ô tô và hàng không.