V mnoha sci-fi filmy vidíme typická vozidla budoucnosti které cestují ulicemi měst levitující nebo létající, jako na tomto obrázku Pátý prvek, nebo také v jiných jako Hvězdné války, a dlouhá atd. A vyvstávají pochybnosti, jaká bude budoucnost automobilového průmyslu? Jaké výhody by měla levitační vozidla a jaké nevýhody nebo limity? Je to, co vidíme ve filmech, opravdu možné?
No tak pojďme analyzovat trochu více o tomto typu levitačních vozidel a současné technologii které je mohou umožnit.
Supravodiče a levitace (Meissnerův efekt)
La supravodivost, kvantový jev, ke kterému dochází v určitých materiálech při extrémně nízkých teplotách, kdy hmota, její částice přestanou vibrovat, zastaví se. Díky tomu mají materiály velmi důležité vlastnosti, které ostatní vodiče nemají.
Např pod určitou kritickou teplotou ztrácí veškerý elektrický odpor. To znamená, že elektrický proud může protékat supravodičem beze ztrát, bez ztráty energie ve formě tepla. Tento jev objevil Heike Kamerlingh Onnes v roce 1911 při studiu vlastností rtuti při nízkých teplotách.
Dalším důležitým efektem, a to je ten, který nás u vozidel zajímá, je Meissnerův efekt, který objevili Walther Meissner a Robert Ochsenfeld v roce 1933, je základní charakteristikou supravodičů. Tento efekt prokáže, že když je materiál ochlazen pod svou kritickou teplotu a zaveden do magnetického pole, magnetické pole je vytlačeno z vnitřku materiálu, to znamená, že supravodič se chová jako dokonalý diamagnet (odpuzuje magnetická pole).
Vypuzení magnetického pole je způsobeno tvorbou indukovaných elektrických proudů na povrchu supravodiče. Tyto proudy vytvářejí magnetické pole, které působí proti aplikovanému magnetickému poli a ruší jej uvnitř materiálu. Toto vypuzení magnetického pole je umožňující magnetickou levitaci. A to má uplatnění v levitačních vozidlech, jak uvidíme později…
Výhoda
Kombinace supravodivosti a magnetické levitace nabízí revoluční potenciál v dopravě a překonává mnohá omezení tradičních dopravních systémů. Díky těmto jevům se vozidlo může levitovat nad chodníkem, pokud se dosáhne toho, že posledně jmenovaný a podlaha vozu jsou magnet a supravodivý pár. Díky tomu je dosaženo některých výhod oproti současným vozidlům:
- Nulové tření: Levitací nad magnetickým polem se vozidlo zvedne nad vozovku a zcela eliminuje tření s povrchem. To drasticky snižuje energii potřebnou k pohybu vozidla a zvyšuje jeho účinnost (menší dopad na životní prostředí). Navíc nedochází k opotřebení kol ani samotné dlažby, což výrazně prodlužuje její životnost. Navíc je také snížen hluk produkovaný běhounem a odpadá potřeba odpružení nebo samotného řízení, jak jej známe dnes.
- Rychlost: odstraněním tření se výrazně sníží odpor proti pohybu, zůstane pouze aerodynamický odpor, který umožňuje dosáhnout mnohem vyšších rychlostí než u konvenčních vozidel. Schopnost přesně ovládat magnetickou sílu umožňuje plynulejší a účinnější zrychlování a brzdění vozidla.
- Bezpečnější cesty: Řízením tohoto magnetismu lze vytvořit pruhy, ve kterých vozidla jedou vysokou rychlostí, bez omezení rychlosti, a které dokonce projíždějí blíže k sobě, aniž by byla ohrožena bezpečnost, protože by neopustila zmagnetizovanou trať. Dalo by se dokonce skoncovat s asfaltovými povrchy jako v současnosti, udělat silnice s přírodními povlaky a vytvořit mnohem krásnější dálnice s magnetickými nebo supravodivými prvky pod těmito povlaky. To by také mělo přímý dopad na krajinu, kterou tyto silnice procházejí, a na města, protože by se zabránilo teplu produkovanému těmito černými povrchy v horkých dobách.
Omezení proudu: teplota
Supravodiče sahají od čistých prvků, jako je rtuť, olovo nebo niob, až po složitější slitiny, jako je niob-titan, niob-cín, a dokonce i některé keramické sloučeniny. Tyto keramické sloučeniny se nazývají vysokoteplotní supravodiče, jako jsou kupráty (na bázi mědi a kyslíku) a železné punkce a železné chalkogenidy.
La kritická teplota je teplota, pod kterou se materiál stává supravodivým. Například konvenční supravodiče, stejně jako většina čistých prvků a slitin, mají teploty blízké absolutní nule, 0 ºK nebo -273.15 °C. Na druhou stranu vysokoteplotní supravodiče dokázaly tyto teploty zvýšit, i když stále vyžadují chlazení kapalným dusíkem, aby bylo mezi 77 stupni Kelvina nebo -196 stupni Celsia.
Toto je jedna z nich hlavní omezení protože, jak jistě pochopíte, chlazení podlahy auta nebo silnic na tyto teploty by vyžadovalo nákladnou a složitou infrastrukturu chlazenou dusíkem nebo jinými druhy kapalných plynů, která rovněž spotřebovává energii. A nejen to, nízké teploty způsobují, že některé materiály jsou mnohem křehčí a mohou se snadno rozbít nebo se s nimi obtížně manipuluje. Kromě toho musí být velmi dobře kontrolována kritická magnetická pole, protože supravodiče mohou tuto vlastnost ztratit, pokud jsou vystaveny příliš silným polím.
Materiály a pokroky
Čas od času se objevují nové pokroky a nové materiály, které dokážou zlepšit vlastnosti stávajících nebo zejména zvýšit kritickou teplotu, aby se přiblížily dlouho očekávaný supravodič při pokojové teplotě. Přestože dosud nebylo dosaženo supravodiče, který by pracoval při pokojové teplotě, bez nutnosti jeho chlazení a bez omezení zmíněných výše, došlo k výraznému pokroku při hledání materiálů se stále vyššími kritickými teplotami.
V současné době s některými také spolupracujeme hydridy kovů slibný. Kromě toho nejsou důležité pouze pro motoristický svět, ale také pro další vědecké obory, jako je například kvantové počítání. Takže na tom pracuje mnoho vědeckých týmů po celém světě...
Levitace vs let
Ačkoli se oba snaží vzdorovat gravitaci bez tření se zemí a dosahují vyšších rychlostí, musíte rozlišovat mezi létajícími vozidly (letadla, vrtulníky, drony, létající auta nebo VTOL) a levitačními vozidly. Zatímco ty první využívají ke stoupání a vzletu pohon vrtulí a proudovými motory a křídlovými systémy, ty levitační k tomu nepotřebují žádný aerodynamický prvek, jsou založeny na efektu, který jsem uvedl dříve.
Obecně platí, že létající vozidla mohou zkracovat vzdálenosti mezi dlouhými cestami, vyhýbat se překážkám a mohou cestovat v přímém směru. Obvykle však mají výkonné motory s vysokou spotřebou a vysokými emisemi škodlivin. Ty, které levitují, mohou mít účinnější motory, i když musí při pohybu záviset na kolejích, jako ostatní pozemní vozidla.
Silnice: Není to jen záležitost vozidel
Dráhy pro vozidla s magnetickou levitací, běžně známý jako maglevvyžadují specializovanou infrastrukturu k zajištění jejich provozu. Na rozdíl od tradičních kolejí jsou tyto koleje navrženy tak, aby interagovaly se silnými magnetickými poli generovanými supravodiči ve vlacích.
Například je nutné mít řadu výkonných supravodivé cívky které generují intenzivní a stabilní magnetická pole pro generování levitační síly. Tyto vysokoteplotní supravodivé materiály, jak jsem již zmínil, musí být chlazeny, aby dosáhly velmi nízkých teplot, pomocí kryogenních chladicích systémů, jako je kapalný dusík. Tyto cívky budou rozmístěny podél dráhy ve specifických vzorech nebo rozestupech pro řízení levitační síly a rychlosti pohonu. Pohon je generován přesně jinými supravodivými cívkami, které jsou vloženy mezi levitační cívky a které jsou známé jako pohonné cívky, ale fungují podobným způsobem a vytvářejí lineární magnetické pole pro tah.
Un kontrolní systém Udrží vozidlo na silnici a zabrání jeho opuštění nebo nehodě. Tyto systémy jsou obvykle aktivní nebo pasivní. Zatímco aktivní využívají k udržení vozidla na trati magnetická pole, pasivní jsou založeny na jiných technikách. Mohou být zavedena i další vylepšení, jako jsou „odpružené“ systémy, které udržují levitační vzdálenost konstantní.
Samozřejmě potřebujete také nějaká kolečka, druh podvozek podobný tomu u letadel, aby se převalil, když levitující vozidlo jede nízkou rychlostí, a zatáhl se, když dosáhne levitace, a může pokračovat poháněný magnetickým polem, které jej udržuje v levitaci.
Aktuální příklady: vysokorychlostní vlaky maglev
I když tohle všechno vypadá jako sci-fi a že se právě teď nezdá, že by se mohl dostat k vozidlům, která všichni řídíme, pokud dojde k patřičnému pokroku v supravodivosti, auta tohoto typu bude možné vidět v oběhu. Když? nevím. Jako ve filmech? Samozřejmě ne, protože ve filmech vidíme auta, která mohou levitovat do velmi vysokých výšek, a to by znamenalo generovat kolosální magnetická pole nebo být přímo létajícím vozidlem.
Co víme, je, že tato vozidla fungují docela dobře a v některých jsou již realitou vysokorychlostní vlaky, tzv. maglev vlaky. Například jeden z nejbližších příkladů je v Německu s vlakem zaměřeným především na výzkum a vývoj levitačních systémů. Systém je známý jako Transrapid, vyvinutý německou společností ThyssenKrupp. Tento systém využívá principu elektrodynamické levitace (EDS), kdy magnety ve vlaku indukují elektrické proudy v cívkách koleje, čímž vzniká magnetické pole, které vlak odpuzuje a zvedá.
Vlak veze supravodivé magnety, které generují velmi silné magnetické pole. Když se přiblíží ke dráze, toto magnetické pole indukuje elektrické proudy v cívkách dráhy. Interakce mezi magnetickým polem vlaku a indukovanými proudy v koleji vytváří odpudivou sílu, která zvedne vlak několik centimetrů nad kolej. K pohonu se také používají stejné kolejové cívky, které generují levitaci. Změnou frekvence proudu v cívkách vzniká lineární magnetické pole, které žene vlak vpřed, rychlostí více než 500 km/s. Díky naváděcímu systému, který využívá boční magnetická pole, je vlak udržován ve středu trati.
Ostatní případy
Čína je lídrem v nasazování vlaků maglev v komerčním měřítku. The Šanghajská linka maglev spojující mezinárodní letiště Pudong s městem, je zářným příkladem. Tento vlak je schopen dosáhnout rychlosti až 431 km/h, což výrazně zkracuje dobu jízdy.
Japonsko bylo průkopníkem ve výzkumu a vývoji vlaků maglev. Země má a vysokorychlostní testovací linka v Yamanashi, kde jsou rekordní rychlosti více než 600 km/h. Očekává se, že Japonsko v blízké budoucnosti spustí komerční vysokorychlostní linku maglev.
Existují také prototypy v Kanadě, Jižní Koreji, USA atd.
Obrázky | Canva | Pátý element *(screenshot z filmu)