Revista Colombiana de Física, vol. , No. de 20 TRENES DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA Maglev train Cristian Alejandro Suárez Rojas1, 1Universidad Nacional de Colombia. Resumen En este artículo se discute sobre la aplicación de la levitación magnética en los trenes, siendo esto una forma bastante novedosa de disminuir los tiempos de recorrido durante un viaje, también se menciona sobre el funcionamiento de este, más exactamente la parte física involucrada, sus ventajas como medio de transporte, las características de los sistemas de suspensión y los costos que representa el uso de esta tecnología. Palabras claves: levitación magnética, suspensión electromagnética, suspensión electrodinámica Abstract This article discusses the application of magnetic levitation on trains, this being a fairly new to reduce travel times while traveling, also it mentions the operation of this, more precisely the physics involved, its advantages as a transport system, the characteristics of suspension systems and the costs involved in the use of this technology. Keywords: magnetic levitation, electromagnetic suspension, electrodynamic suspension troncos con maderas transversales y atar todo el conjunto con tiras de cuero. 1. Introducción A lo largo de la historia se ha visto que motivos de origen biológico, antropológico e histórico han llevado al hombre a desarrollar formas de desplazarse, también es notorio que el espíritu curioso del ser humano ha llevado a que desee explorar su entorno, y es allí en donde debe inventar, usando su mente para lograr crear dispositivos que le permitan explorar lugares lejanos. Después de esto, se produjo el invento de la rueda, el cual es uno de los más maravillosos e importantes de la historia y fue a partir de este invento que se desarrolló la relativamente amplia gama de transportes terrestres. Entre tales medios de transporte, se encuentra el tren, caracterizado por poseer vagones o coches conectados que circulan sobre un carril de riel para el transporte, no solo de pasajeros, sino de mercancías. El ferrocarril, como se conoce al grupo de vehículos que se están guiados sobre un riel o carril, como es el caso de los trenes convencionales, u otras vías destinadas y diseñadas para la levitación magnética. Pueden tener una o varias locomotoras, pudiendo estar acopladas en cabeza o en configuración push pull (una en cabeza y otra en cola) y vagones, o ser automotores en cuyo caso los vagones (todos o algunos) son autopropulsados. Así es como, desde los primeros troncos usados en forma de rodillos, pasando por la rueda, los barcos a vela, los aviones y los cohetes espaciales, el hombre fue creando los medios que le permitieron, por necesidad o curiosidad, transportarse a través del espacio. Los primeros vehículos usados por el ser humano eran trineos de madera, y deben haber sido utilizados por tribus de todo el mundo; con el propósito de transportar cargas pesadas se usaban troncos a modo de rodillos; esto llevo que al final construyeran rodillos de una sola pieza al unir los Tren de levitación magnética 1 RevColFis, Vol. , No. de 20 Se conoce con este nombre a aquel tren que está suspendido, guiado y propulsado por un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión usando levitación magnética. electroimanes que son a su vez repelidos por otros que se encuentran a lo largo de la vía. El diamagnetismo se puede describir como el resultado de aplicar la ley de Lenz a escala atómica. De acuerdo con la teoría electromagnética, cada vez que varía el flujo magnético se genera una corriente Al ser propulsado mediante la levitación magnética, ofrece la ventaja de ser silencioso, rápido y suave comparado con otros sistemas de transporte sustentados por ruedas. inducida y según esta ley "el sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnéticas ocurre la tendencia a oponerse a la causa que las produce". El efecto de levitación Este sistema de transporte emplea la levitación magnética para poder guiarse, sustentarse y moverse, pero entremos en materia sobre la física de la levitación magnética. Todos los átomos contienen electrones que se mueven libremente y cuando se aplica un campo magnético externo se induce una corriente superpuesta que genera un efecto magnético que se caracteriza por ser opuesto al campo aplicado. La levitación magnética se conoce al fenómeno por el cual algún material puede generar la levitación de este gracias a la repulsión que hay entre los polos iguales de dos imanes o bien debido a lo que se conoce como “Efecto Meissner”, propiedad inherente a los superconductores. Estos compuestos, por debajo de una determinada temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; o dicho de otro modo, pueden alcanzar una resistencia nula. Bajo tales condiciones de temperatura no solamente son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, sino que además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Esto es conocido como “Efecto Meissner”. Esta capacidad de los superconductores permite rechazar un campo magnético que intente penetrar en su interior; de manera que si se acerca un imán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. Otra forma de explicar el fenómeno de diamagnetismo es por medio de la configuración electrónica de los átomos o de las moléculas. De esta forma, el comportamiento diamagnético lo presentan sistemas moleculares que contengan todos sus electrones apareados y los sistemas atómicos o iónicos que contengan orbitales (que se pueden relacionar de manera análoga a unos cajones en donde se ubican los electrones, cabe resaltar que los orbitales no son exactamente cajones, pero es una forma sencilla de explicarlo) completamente llenos. Aquí, los espines de los electrones del último nivel se encontrarán apareados. El diamagnetismo se presenta en todos los sistemas aromáticos, como el benceno y sus derivados, en donde surge un anillo de 4n + 2 electrones π conjugados. La levitación en un tren Maglev (como también se conocen a estos trenes), se logra mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice un sistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es generada por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, mientras que en el segundo se consigue este fenómeno por medio de las fuerzas de repulsión entre estas. Suspensión electrodinámica (EDS) La levitación EDS se basa en la propiedad de ciertos materiales de rechazar cualquier campo magnético que intente penetrar en ellos. Esta propiedad se da en superconductores y es llamada Efecto Meissner, como se explicó con anterioridad La suspensión, por tanto, consiste en que el superconductor rechazará las líneas de campo magnético de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la elevación del tren. También el fenómeno de diamagnetismo permite que los trenes Maglev puedan levitar. Este fenómeno se debe a la propiedad de repulsión que presentan ciertos materiales, este fenómenos ayuda a que el tren se pueda elevar unos centímetros del suelo, el cual cuenta con unos potentes 2 Autor principal et al.: Titulo Fig. 1. Esquema de la EDS Fig. 2. Esquema de la EMS En la gráfica también se muestra a un superconductor que se ubica a unos centímetros de un conjunto de bobinas localizadas sobre el carril guía. Al moverse el vehículo a lo largo del carril se inducirá una corriente en las bobinas de este, las cuales actuarán entonces como electroimanes. La interacción con los superconductores montados en el tren producirán la levitación. Debido a esto, la fuerza de levitación será cero cuando el vehículo se encuentre parado; para esto el tren tiene incorporadas unas ruedas neumáticas, estas ruedas quedan flotando cuando el tren está en movimiento. Si se comparan ambos sistemas de suspensión, se tiene que la principal ventaja de las EMS es el uso de electroimanes en vez de los complicados imanes superconductores que exige la EDS. Al no requerir imanes superconductores, no son necesarios complicados y costosos sistemas de refrigeración, en donde se usa nitrógeno líquido. Aunque el consumo actual del EMS es inferior al del EDS, se espera que al avanzar las investigaciones en superconductividad, los consumos de las suspensiones EDS bajen considerablemente. Suspensión electromagnética (EMS) Ventajas y limitaciones (costos) En este tipo de suspensión, la parte inferior del tren queda por debajo de una guía formada por material ferromagnético, cuyo magnetismo no es permanente. Al poner en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción. Como el carril no puede cambiar de posición, son los electroimanes son los responsables del movimiento en dirección a éste elevando con ellos el tren completo. Los sensores con los que cuenta el tren tienen la función de regular la corriente circulante en las bobinas, esto genera que el tren pueda circular a una distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. Hay unos electroimanes que se desempeñan su función de encargarse de la guía lateral del vehículo y están colocados en los laterales del tren de manera que se garantice de que el tren esté centrado en la vía. Mediante el uso de la levitación magnética, el tren solo se vería afectado en cuanto a su velocidad, debido a la fuerza de rozamiento que generaría el aire sobre él, pero esto se vio compensado en los diseños aerodinámicos que ayudan a disminuir el efecto del rozamiento del aire en el tren. Por consiguiente, los trenes Maglev; aunque presentan un consumo de energía elevado, esto permite mantener y controlar la polaridad de los imanes generando un bajo nivel de ruido (una gran ventaja sobre su competidor llamado aerotrén), lo más importante es su velocidad, en donde se puede llegar a alcanzar 650 km/h, aunque el máximo testeado en este tren es de 584 km/h. Estas altas velocidades hacen que los Maglev se conviertan en competidores directos del transporte aéreo y de otros medios de transporte. A pesar de esto, los trenes de suspensión EMS sufren ciertas limitaciones, la principal es su inestabilidad. Cuando la distancia entre la guía y los electroimanes disminuye, la fuerza de atracción crece y, aunque la corriente eléctrica circulante en los electroimanes puede ser regulada inmediatamente, existe el peligro de que aparezcan vibraciones o de que el tren toque la guía. 3 RevColFis, Vol. , No. de 20 <http://cultura.terra.es/cac/articulo/html/cac2511.htm> [citado en 16 de mayo de 2010]. Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción, lo cual encarece su producción. Una pequeña desviación de unos pocos milímetros a lo largo de la estructura del tren puede provocar un desastre. Además, con unas tolerancias tan pequeñas un simple terremoto podría destruir completamente todo un sistema de líneas maglev. Por otro lado la amplitud del hueco entre vehículo y guía no puede ampliarse porque el costo de esto haría al sistema prohibitivo. <http://es.wikipedia.org/wiki/Tren_de_levitaci%C3%B3n_ magn%C3%A9tica> [citado en 14 de mayo de 2010]. No obstante, el alto coste de las líneas ha limitado su uso comercial. El altísimo costo de la infraestructura necesaria para la vía y el sistema eléctrico, y otro no menos relevante es el alto consumo energético son los responsables del alto costo monetario que representaría para un país utilizar este sistema. También, la fuerza electromagnética es el sostén principal del Maglev, la cual es el factor fundamental de diseño, y del consumo también, el peso del tren hace que esta tecnología no tenga utilidad en el hecho de poder transportar mercancías; sin embargo, el desarrollo práctico del sistema Maglev se produciría al abaratarse los costos de producción eléctrica mediante usinas basadas en la fusión nuclear. Conclusiones El tren Maglev emplea la levitación magnética para poder moverse, tal efecto genera que solo se vea afectada su velocidad a causa del rozamiento del aire, sin embargo, su diseño aerodinámico compensa este problema. El uso de EMS evita que se empleen costosos sistemas de refrigeración, que sí son necesarios en la EDS; a pesar de esto, los costos de construcción, la limitada investigación en los superconductores, el alto consumo de energía y la delicada calibración que se debe realizar para distribuir el peso limitan enormemente el uso de este sistema que es la competencia directa del transporte aéreo. Bibliografía <http://www.yosoycurioso.com/2010/02/02/tren-delevitacion-magnetica/ > [citado en 14 de mayo de 2010]. <http://www.fceia.unr.edu.ar/~fisica3/MagLev.pdf > [citado en 14 de mayo de 2010]. <http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/RinconC/Curiosid/rc-68.htm> [citado en 15 de mayo de 2010]. 4