SÜPERİLETKEN TEKNOLOJİLERİ-4 Süperiletken Maglev Trenler Doç. Dr. Zeynep GÜVEN ÖZDEMİR Yrd.Doç.Dr.Özden ASLAN ÇATALTEPE 1
Bilinen en güvenli ulaşım araçları, sabit bir ray üzerinde ve karada gittiklerinden dolayı trenlerdir. Ancak, raylarla tekerlekler arasındaki sürtünme kuvvetinin çok fazla olmasından dolayı yeterli hızlara sahip değildirler. Bu nedenle, sürtünmesiz sistemler oluşturularak trenlerin hızları arttırabilir. Süperiletken maglev trenler bunlardan biridir. MAGLEV sözcüğü İngilizce Magnetic Levitation sözcüklerinin kısaltılmasıyla elde edilmiştir ve manyetik olarak havada tutma, yükseltme anlamına gelmektedir. 2
Süperiletken magnetler yardımı ile çalışan süperiletken trenler yerden belirli bir miktar havalanarak (manyetik levitasyon ile), 550km/s i aşan hızlara ulaşabilmektedirler. Süperiletken magnetler konvansiyonel magnetlere göre daha hafif ve daha az güç gereksinimleri nedeniyle bu tür uygulamaların vazgeçilmezidirler. 3
Manyetik Levitasyon treni olarak bilinen Maglev, ilk kez Brookhaven Ulusal Laboratuvarı nda keşfedildi. Brookhaven Laboratuvarı ndan James Powell ve Gordon Danby, manyetik levitasyon treninin ilk patentini 1960 lı yıllarda aldılar. Powell bu fikri ilk kez, trafikte beklediği bir gün, geleneksel trenden ve arabalardan daha iyi bir ulaşım aracı olması gerektiğinden yola çıkarak buldu. 4
Powell, süperiletken mıknatıslar kullanarak bir treni havaya kaldırabileceğini düşündü. Süperiletken mıknatıslar, manyetik alanın gücünü arttırmak için düşük sıcaklıklara kadar soğutulan elektro mıknatıslardır. 5
İlk ticari yüksek hızlı süperiletken Maglev treni 2004 yılında Şanghay da açıldı. 30 km lik bir hat üzerinde çalışan tren, bu mesafeyi 7 dakika 20 saniyede alabiliyor. Amerika'da San Diego'da, Almanya'da Emsland'da, Japonya'da Yamanashi'de, Güney Kore'de Daejeon da Maglev hatlarına rastlamak mümkündür 6
Maglev de, süperiletken mıknatıslar treni U şeklindeki rayların üzerinde askıda tutar. Bu mıknatıslarda, tıpkı diğer normal mıknatıslarda olduğu gibi birbirini iter. 7
ÇALIŞMA PRENSİBİ Vagonlar içerisine yerleştirilen DC süperiletken manyetik bobinler (levitasyon bobinleri) yardımı ile elektro dinamik suspansiyon prensibi ile çalışırlar. Tren hareket ettiğinde hareket eden manyetik alan levitasyon bobinlerinde bir akım oluşturup ve trenin içerisindeki süperiletken magnetler tarafından oluşturulan manyetik alan ile etkileşime girdiklerinde de levitasyon başlar. EDS (Electrodynamic Suspension) teknolojisinde kullanılan rayları ve treni, açılmış haldeki bir elektrik motoru gibi düşünebiliriz. Motoru oluşturan stator (dıştaki sabit kısım) ve rotor (içteki dönen kısım) dairesel şekilde iç içe oldukları için dönme hareketi üretirken, üst üste duran tren ve raylarda ileri doğru bir hareket üretirler. 8
Maglev treni genellikle köşelerinde 4 tane mıknatısın olduğu bir kutu şeklindedir. Kullanılan mıknatıslar süper iletkendir, En düşük -267 C ye kadar soğutulmaları gerekiyor. Bu mıknatıslar sıradan mıknatısların ürettiğinden 10 kat daha güçlü manyetik alanlar üretebilirler. Üretilen manyetik alan, bir treni havada tutacak ve onu itecek kadar güçlüdür. 9
Bu manyetik alanlar, raylara döşenen basit metal akım ilmekleri ile etkileşir. İlmekler alüminyum gibi iletken maddeden yapılmıştır ve manyetik alan yakınından geçtiğinde, başka bir manyetik alan oluşturacak akımlar oluşturur. 10
Raylara üç önemli görev için belirli aralıklarla üç çeşit ilmek döşenmiştir : birincisi treni yerden 12.7 cm yukarda tutacak bir manyetik alan oluşturur; ikincisi trenin yatay olarak dengede kalmasını sağlar. Her iki ilmekte manyetik itme sayesinde treni optimal noktada tutar. Yere yaklaştığında yada merkezden uzaklaştığında daha fazla manyetik alan kullanılarak rayda kalması sağlanır. 11
Üçüncü ilmek, alternatif akımdan oluşan bir itme sistemidir. Burada, hem manyetik çekme hem de manyetik itme kullanılarak trenin ray üzerinde ilerlemesi sağlanır. Köşelerinde 4 tane mıknatısın olduğu birkutudüşünülürse, ön köşedeki mıknatıslar kuzey ve arka köşedekiler güney kutbudur. İlmek çalıştığında öndeki mıknatısları çeken arkadakileri de iten bir manyetik alan oluşturur.
Tren 600 km/saat hıza ulaşabilmesine rağmen, geleneksel trenin maruz kaldığı sürtünmeden daha az kuvvete tabi kalır. Tek sürtünme kuvveti havadan kaynaklanır. Maglev trenlerin hepsi aynı hızda hareket ettiğinden birbirleriyle çarpışma riski de yoktur.
Şu anda Japonya ve Almanya da test çalışmaları yapılan ancak Çin de günlük kullanımda olan bu süperiletken trenlerde LTS malzemeler kullanılmaktadır. Ancak daha düşük soğutma maliyeti ve yüksek stabilite sağlayacak HTS magnetlerin manyetik trenlere uygulaması üzerinde araştırmalar yoğun bir şekilde sürmektedir.
20 yy içerisinde uçaklar taşımada bir devrimi gerçekleştirdiyse 21.yy da da süperiletken trenlerin benzer devrimi gerçekleştirecekleri beklenmektedir. Japonya ve Almanya da gelecek 15 yıl içerisinde yolcu taşımacılığı için bu trenleri kullanacaklarını açıklamışlardır. 15
Maglev trenler, normal trenlere oranla daha hızlı ve ucuz olmalarına karşın, çok güçlü elektromıknatıslar ve çok duyarlı kontrol sistemleri gerektiriyor ve şu anki teknoloji, bu trenlerin yaygın kullanımına izin verecek kadar gelişmiş değil. Ayrıca Maglev trenler için farklı ray sistemlerinin kurulması zorunluluğu da en önemli engellerden biridir. Bu trenler için yerleşim merkezleri arasında özel hatlar döşenmesi gerekiyor ve bunun maliyeti de bir hayli yüksektir. Fakat geçen zamanla birlikte gelişen bu teknoloji, bu trenlerin yaygınlaştırılabileceği sinyalini vermektedir. Gelecekte bu tür trenler, özellikle ülkeler arası taşımacılığında havayolu taşımacılığının yerini alabilir. http://fizikakademisi.com/2016/06/29/maglev-treninin-calisma-prensibi/ Biltek.tubitak.gov.tr http://cesur.ankara.edu.tr/superiletkenlik-hakkinda/superiletkenlik-uygulamalari/tasimacilikulasim-sektoru-ve-superiletkenlikuygulamalari/ 16