Magnetická levitace, neboli Maglev, Supravodivost a Hyperloop

Co je to maglev mnozí tušíte, je to zkratka pro magnetickou levitaci- fyzikální jev a technologii budoucnosti. Vzniká při přiblížení dvou stejných pólů klasických magnetů a fascinuje to každého kluka, co si hraje s magnety. Magnetická levitace se samozřejmě používá již dlouho pro spoustu technických aplikací v běžném životě ve spojení s elektromagnetismem.

Zásadní pro budoucnost je její použití společně se supravodivostí vodičů, což je jev, kdy za nízkých teplot ztrácí vodiče tepelný odpor a to umožňuje vytvářet silnější magnetická pole nežli u klasických magnetů. Tento jev je znám již dlouho od roku 1911 a objevitelé jsou fyzik Heike Kamerlingh Onnes a jeho tým v Leidenu. Potíž byla dlouho nutnost zajištění velmi nízkých teplot 4 K na úrovni kapalného helia a tudíž byla realizována jen v několika laboratořích světa. Změna nastala až v roce 1987, kdy byly objeveny materiály YBaCuO (YBCO) a BiSrCaCuO (BSCCO), což umožnilo chlazení běžně dostupným kapalným dusíkem na 97 K a výše až 110 K. Tímto se začaly rozbíhat praktické aplikace, které byly do té doby nemyslitelné a jednou z nich je i maglev.

Jaké jsou tyto aplikace využívající:

1. Silné magnety (nejrozšířenější aplikace)
   Supravodivé magnety generují extrémně silná magnetická pole s minimálními ztrátami energie. Používají se v:
   Magnetické rezonanci (MRI a NMR) – zdravotnictví (diagnostika) a chemická analýza.
   Fúzních reaktorech (ITER, tokamaky) – udržení plazmatu v jaderné fúzi.
   Urychlovačích částic (CERN, LHC) – vedení a ohýbání svazků částic.
   Maglev vlacích – vznos nad tratí díky magnetické levitaci (např. japonský SC Maglev).
2. Energetika a přenos elektřiny
   Supravodivé kabely – přenos proudu bez ztrát (testováno v projektech jako SuperGrid).
   Supravodivé generátory a motory – vyšší účinnost (např. pro větrné turbíny nebo lodě).
   FES (Flywheel Energy Storage) – supravodivé ložiska umožňují téměř bezeztrátové ukládání energie.
3. Kvantové technologie
   Qubity v kvantových počítačích (např. IBM, Google) – supravodivé obvody jako základ některých kvantových procesorů.
   SQUID (Supravodivé kvantové interferenční zařízení) – extrémně citlivé senzory magnetického pole (medicína, geofyzika).

Stále ale jde o technologii závislou na chlazení kapalným dusíkem

V další části článku se zaměřím na realizace maglevu v dopravě, které se blíží aplikaci pro běžné občany. První projekt je maglev Transrapid v Šanghaji v Číně, který je v komerčním provozu. Je to projekt postavený ve spolupráci s němci v roce 2004 a má délku 30,5 km. Je založený na klasických elektromagnetech s měděnými cívkami, které vyžadují stálý příkon elektřiny a má maximální rychlost: 430 km/h (provozní rychlost). Druhý projekt je japonský SC Maglev založený na supravodivé magnetické levitaci ale bez snížení tlaku vzduchu okolo vlaku.

Plánovaná trasa: Tokio (Shinagawa) – Nagoya – Osaka
Délka: 438 km (z toho 90 % v tunelech pod horami, včetně japonských Alp).
Rychlost: 505 km/h (maximálně 603 km/h v testech).
Čas jízdy: Tokio–Nagoya (286 km): 40 minut (dnes 1,5 hodiny rychlovlakem Šinkansen).
Plánované otevření: 2027
Tokio–Osaka: 67 minut (dnes 2,5 hodiny). Plánované otevření: 2037

Svatý grál železnice je hyperloop, vysokorychlostní vlak na dráze ve tvaru potrubí, kde je odčerpán vzduch pro snížení odporu vzduchu a turbulencí vlaku. V Číně běžně jezdí vlaky rychlostí 350 km/h a brzy pojedou 450 km/h a při těchto rychlostech stoupá s druhou mocninou odpor vzduchu (brzdící síla), tudíž provoz těchto vlaků je velmi nákladný na spotřebu elektrické energie, což zvyšuje cenu jízdenek. Pokud chcete zvyšovat rychlost vlaku na 1000-4000 km/h (vyšší než běžný let letadla), potřebujete snížit odpor vzduchu na minimum, tudíž vzduch odčerpat z trubice. Kombinací supravodivé magnetické levitace a nízkého odporu vzduchu je tento cíl reálný.

Na realizaci pracuje opravdu jen jedna země a to je Čína

Jedná se o projekt T-Flight Hyperloop v Číně. Testovací trať se nachází u Datongu (Severní Čína, provincie Shanxi (Šan-si)) asi 300 km západně od Pekingu. V současnosti má délku 2 km s tím, že je prodlužována na 60 km. Projekt vede China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC) – státní společnost zabývající se vesmírnými technologiemi. Jedná se o zavřený prostor s velmi nízkým tlakem vzduchu (až 99% redukce odporu vzduchu v budoucnu).

Kapsle se vznáší nad tratí pomocí supravodivých magnetů a je řízena pomocí AI bez lidského zásahu. Cílová rychlost je nad 1000 km/h (převyšující rychlost letadla). Prioritou je přeprava nákladu i pasažérů (priorita pro nákladní dopravu). Odhadované náklady na výstavbu 1 km dvoukolejného hyperloopu v Číně (bez nákladů na vývoj technologie) se pohybují v rozmezí 30–60 milionů USD, v závislosti na složitosti trasy a použité technologii.

Srovnání s jinými dopravními systémy náklady na výstavbu bez nákladů na vývoj:
Typ dopravy Náklady na 1 km (v Číně)
Hyperloop (dvoukolejný) 30–60 milionů USD
Vysokorychlostní železnice (HSR) 15–30 milionů USD
Metro 50–150 milionů USD
Maglev (Šanghaj Transrapid) 60–100 milionů USD

Plánované komerční trasy v Číně
Čína zvažuje hyperloop pro spojení klíčových ekonomických zón:

a) Vysokorychlostní nákladní koridory
Datong – Peking (~300 km) – propojení průmyslové a logistické oblasti.
Šanghaj – Hangzhou (Chang-čou) (~170 km) – ekonomická zóna delty Dlouhé řeky (Yangtze River Delta).
Guangzhou (Kanton) – Shenzhen (Šen-čen) (~140 km) – jižní technologický hub.

b) Dálkové pasažérské trasy
Peking – Šanghaj (~1 300 km) – konkurence vysokorychlostním vlakům a letadlům (dnes 4,5 h, hyperloop by mohl zkrátit na 1–1,5 h). Tato trasa je nejvytíženější trasou v Číně a patrně na světě.
Chengdu (Čcheng-tu) – Chongqing (Čchung-čching) (~300 km) – spojení západních megaměst.

3. Mezinárodní ambice (BRI – Iniciativa Pásmo a cesta)
   Čína chce využít hyperloop i v zahraničí, zejména v zemích účastnících se její globální infrastrukturní iniciativy:
   Střední Asie: Např. Kazachstán (Astana – Almaty).
   Jihovýchodní Asie: Malajsie (Kuala Lumpur – Singapur).
   Střední Východ: Spojené arabské emiráty (Dubaj – Abú Zabí)

Čína má dostatek investičních prostředků, technologickou vyspělost a upřednostňuje pozemní dopravu na úkor letecké, i když jsou investiční náklady na ni vyšší. Je to dáno snahou o úsporu spotřeby ropných paliv, protože většinu ropy dováží a letadla také. Přínosy jsou jasné: zrychlení přepravy zboží a lidí na dnes nepředstavitelné rychlosti, snížení spotřeby ropných produktů, snížení nákladů na přepravu 1 cestujícího díky nižší spotřebě elektřiny oproti konvenčním vlakům. Zvýšení kapacity pro přepravu nákladů a cestujících na nejvytíženější trase světa Peking-Šanghaj.

PetrV