I treni che viaggiano a oltre 500 km/h: cosa sono i Maglev e come funzionano

Esistono treni a levitazione magnetica, i Maglev, che viaggiano a più di 505 km/h grazie a una tecnologia che li fa levitare sopra i binari, cioè li tiene sospesi a 10 cm dai binari senza toccarli. Insomma, volano! Tutto questo grazie a un complesso sistema di campi magnetici che, sfruttando le magie della fisica, consentono a questi treni di abbattere la componente di attrito rendendoli estremamente veloci ed efficienti. Ne esistono diversi modelli e prototipi in Giappone, Germania, Cina e Corea. In questo articolo, analizzeremo il funzionamento e le caratteristiche del modello SC Maglev giapponese. Vedremo come fa ad andare avanti, sollevarsi e non sbandare, cioè non toccare le guide laterali.

Treni a levitazione magnetica Maglev: le basi del funzionamento

Il modello di treno a levitazione magnetica su cui ci concentreremo in questo articolo è l’SC Maglev giapponese, che tradotto significa Superconducting Magnetic Levitation proprio perché per muoversi e volare, utilizza dei magneti superconduttori. Il modello giapponese è tuttavia un prototipo, perché anche se gli SC Maglev giapponesi esistono già, non sono ancora in commercio. La linea che stanno progettando in Giappone dovrebbe essere pronta nel 2030/2035 e collegare Tokyo a Nagoya in 40 minuti. Ma come funzionano?

In parole semplici, questa tecnologia sfrutta dei magneti per creare delle correnti elettriche e campi magnetici tra treno e rotaie, così da riuscire sia a spingere in avanti il treno, che a sollevarlo. Di per sé il concetto alla base è anche semplice: tutti sappiamo che se disponiamo due calamite – due magneti – con i poli opposti si attraggono. Ma se le disponiamo con gli stessi poli vicini si respingono. In questo modo, con un magnete possiamo a spingere avanti l’altro, oppure a sollevarlo. È proprio questa la tecnologia usata dai treni a levitazione magnetica per muoversi e "volare".

Prima di capire come funziona la tecnologia, dobbiamo fare una premessa fondamentale. I magneti che conosciamo noi, le calamite, sono magneti naturali, che grazie al materiale di cui sono composti, generano un campo magnetico. Ecco, questi treni non usano magneti naturali, ma degli elettromagneti, cioè bobine di materiale conduttore che, se percorse da una corrente elettrica – cioè se vengono caricate – generano un campo magnetico diventando così delle calamite grazie alla corrente elettrica. Vediamo quindi come funzionano.

Come fanno a muoversi in avanti: la propulsione

Partiamo dal meccanismo che consente a questi treni di muoversi in avanti e concentriamoci subito sul "motore" di queste vetture, cioè degli elettromagneti a forma di anello posizionati ai lati del treno in grado di generare un campo magnetico intensissimo e stabile. Questi magneti sono posizionati a gruppi di quattro e vengono percorsi da correnti che girano in senso alternato tra un magnete e l’altro, così da generare quattro campi magnetici con poli orientati in modo opposto l’uno rispetto all’altro.

Ora, i treni sono posizionati in una sorta di incavo e ai lati di questo incavo, nelle cosiddette guide, sono disposti anche lì dei magneti a forma di anello e anche loro vengono percorsi da correnti che scorrono in senso opposto, così da creare campi magnetici opposti. E noi sappiamo che Sud e Nord si attraggono, mentre Nord con Nord o Sud con Sud si respingono. Quindi i magneti sul treno si attraggono con il polo opposto davanti della guida e si respingono con quello uguale dietro. E una volta allineati, la corrente dei magneti sulle guide viene invertita così si invertono i campi magnetici e le forze prodotte sono continuamente attrattive in avanti.

La velocità del treno viene controllata proprio con la frequenza di questi switch: più spesso la corrente degli elettromagneti della guida viene invertita, più il treno accelera. E grazie a questo meccanismo, si riesce a raggiungere la velocità incredibile di 505 km/h. Sarebbe circa come fare Milano Firenze in 40 minuti, oppure – considerando un percorso netto – vorrebbe dire Milano Reggio Calabria in due ore e mezza. Cioè tutta l’Italia in due ore e mezza. Nella pratica poi, non sarebbe proprio così perché 505 km/h è la velocità che raggiungono a regime, ma in partenza o in arrivo o in zone specifiche la velocità è chiaramente minore.

Queste velocità incredibili vengono raggiunte anche grazie al fatto che il treno non tocca terra, cioè abbatte l'attrito dovuto al contatto con il terreno. Ma come fa a "volare"?

La levitazione del treno a 10 centimetri da terra

Anche qui il protagonista assoluto è il campo magnetico e delle bobine a forma di 8 che non sono cariche, ma semplicemente disposte lungo le guide laterali. Anche qui dobbiamo fare una premessa, cioè che così come la corrente elettrica induce un campo magnetico, la variazione di campo magnetico produce corrente elettrica in un circuito chiuso. E più è grande la variazione, più intensa sarà la corrente prodotta.

La questione è molto complicata, ma semplificando al massimo i campi magnetici generati dai magneti del treno, passando nelle bobine a forma di otto, inducono una corrente elettrica che circola in un senso nell’anello inferiore dell’8 e nel senso opposto in quello superiore. Questo a sua volta genera due campi magnetici orientati in direzione opposta nei due anelli dell’8, proprio per via del fatto che la corrente circola in senso opposto nei due anelli, che sono disposti in modo che il polo inferiore della bobina sia uguale a quello del campo del treno, mentre il polo superiore è opposto. In questo modo, si genera una forza repulsiva dal basso e una attrattiva dall’alto. E quando l’unione di queste due forze supera la forza di gravità, il treno si solleva ragazzi, inizia a volare.

E qui va fatta una precisazione: affinché le forze attrattiva e repulsiva riescano a combattere la forza di gravità, il treno deve avere una certa velocità, così che la variazione di campo magnetico che ci serve sia abbastanza intensa. Per questo, il treno inizia la levitazione dopo i 150 km/h, prima effettivamente utilizza delle piccole ruote che poi si ritraggono, come accade per gli aerei.

Ora rimane la questione della direzione. Come fanno a non sbandare?

Il mantenimento della direzione

Cercando di semplificare al massimo, per far sì che il treno non tocchi mai le guide laterali le bobine a forma di otto ai due lati della guida sono connesse da fili conduttori. Quando il treno è centrato, le forze magnetiche a destra sono uguali a quelle a sinistra, il sistema è in equilibrio e tutto va bene. Ma se si sposta leggermente verso uno dei due lati, per esempio alla sua sinistra, le correnti indotte cambiano nei due “8”, aumentano da una parte e diminuiscono dall’altra.

Per riequilibrare il sistema l’eccesso di corrente da una parte passa dall’altra attraverso i fili che collegano le due bobine. Questa corrente, fa aumentare la forza magnetica repulsiva nella bobina di sinistra e fa aumentare la forza attrattiva verso la bobina di destra. Il risultato è che il treno viene spinto nuovamente verso il centro. Insomma, appena il treno sbanda un pochino, il sistema di cavi e bobine genera dei campi magnetici che giocando tra loro, mantengono il treno nella giusta direzione.

Il motore del treno: i magneti superconduttori

Per far funzionare questi treni serve un sacco di energia per produrre dei campi magnetici molto intensi. Solo che per far produrre un campo magnetico molto intenso, va fornita una corrente elettrica molto intensa, e questo scalda fortemente il magnete. Per risolvere questo problema, i magneti a bordo del treno non sono dei magneti qualsiasi, ma dei magneti superconduttori.

E cosa significa? Significa che sono fatti di specifici materiali – nel nostro caso una lega di niobio e titanio – che al di sotto di una certa temperatura critica annullano quasi totalmente la propria resistenza elettrica. Questo vuol dire che una volta che al loro interno circola corrente elettrica, questa corrente non va a scaldare il magnete. E non solo: senza resistenza elettrica, è come se la corrente “non avesse attrito”: può circolare praticamente senza disperdere energia. In questo modo, il superconduttore caricato riesce a generare un campo magnetico intensissimo, stabile e senza bisogno di continua alimentazione. C’è comunque da dire che la corrente che va fornita inizialmente è molto alta, ma non solo. Serve anche corrente per mantenere il sistema a temperature estremamente basse. Infatti, il prezzo da pagare è che i superconduttori vanno tenuti a una temperatura bassissima, cioè -269°C, simile a quella che troviamo nello spazio, che viene ottenuta grazie a un sistema di refrigerazione ad elio liquido. Quindi l’energia che si risparmia nel non dover caricare continuamente i magneti, viene utilizzata per mantenerli alla temperatura giusta.

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