Strøm og kalde magneter satte fart på togene

I oktober 1903 suser en togvogn av sted langs sporet fra Berlin-Marienfelde til Zossen i Tyskland.

På 23 kilometer lange teststrekningen kjører et nytt tog fra ingeniørbedriftene Siemens & Halske og AEG. Det er et av de første noen gang som utnytter vekselstrøm til å drive toget framover på skinnene.

Det nesten 24 meter lange og 89 tonn tunge toget med navnet Drehstrom-Triebwagen setter verdensrekord med en hastighet på 210 km/t og markerer dermed begynnelsen på en ny tid for jernbanen som så langt hadde vært dominert av langsomme damplokomotiver.

Billigere flyreiser truet i perioder med å henvise togene til historiebøkene, men ingeniørenes evne til å gjøre togene stadig raskere har gjort skinnene konkurransedyktige.

Spesielt større avstander mellom store byer i Europa og Asia driver ingeniørene til å utvikle raskere tog og introdusere nye teknologier som foreløpig har kulminert med et tog som svever over skinnene med over 600 km/t.

Elektrisk arm revolusjonerer tog

På slutten av 1800-tallet blir fundamentet lagt for moderne høyhastighetstog gjennom en rekke avgjørende oppfinnelser.

I 1879 presenterte bedriften Siemens & Halske verdens første lokomotiv som i stedet for damp ble drevet fram over skinnene av elektriske motorer. Fra ledninger spent ut over sporet kunne toget hente strøm til elmotorene via en pantograf – en elektrisk ledende arm som skapte kontakt mellom togets elektriske systemer og kjøreledningen.

Ingeniørene plasserte flere mindre elmotorer i hver togvogn og kunne på den måten overføre energien mer effektivt til hjulene enn med damp- eller diesellokomotiver, der lokomotivet i front trekker toget over skinnene.

Da Drehstrom-Triebwagen i 1903 satte fartsrekord, brukte de et trefaset system med vekselstrøm i stedet for likestrøm, noe som gjorde det mulig å kjøre med høyere spenning i kjøreledningen og dermed å forlenge togstrekningene.

Metoden for å levere strøm til hjulene brukes fortsatt i høyhastighetstog som med denne teknologien kan nå helt opp på 574,8 km/t, men oppfinnelsene stoppet ikke her.

Drehstrom-Triebwagen utnyttet ikke bare én ny teknologi til å slå fartsrekorden. Ingeniørene hadde også endret selve togvognens front fra en klassisk, avlang og rektangulær kasse til en aerodynamisk utformet forende.

Vindtunneler former togene

Tester i vindtunneler viser at jo høyere hastighet toget kjører med, jo viktigere blir det å gjøre toget aerodynamisk for å minimere luftmotstanden. I fysikkens formel for luftmotstand inngår hastigheten som en variabel i andre potens.

Derfor vokser luftmotstanden svært raskt i takt med hastigheten, og for å motvirke den må ingeniørene sørge for at vinden smyger seg så glatt som mulig rundt toget. Dermed får toget en såkalt laminar flow, altså en bevegelse der hver luftpartikkel følger om lag samme spor som den foregående luftpartikkelen når de passerer forbi toget.

Alternativet er en turbulent flow der partiklene beveger seg tilfeldig og kaotisk.

Det visste ingeniørene bak det raskeste damplokomotivet i historien, britiske Mallard, som i 1938 nådde en hastighet på 203 km/t.

Toget hadde sammenlignet med andre damplokomotiver en veldig aerodynamisk og strømlinjeformet utforming som ingeniørene hadde skapt ved å teste toget i en vindtunnel.

Alle testene gjorde damplokomotivet til et høyhastighetstog selv om dampteknologien allerede hadde blitt passert av både dieseltog og elektriske tog.

Den aerodynamiske formen dominerer også moderne høyhastighetstog som er utformet med avlange frontpartier. Et godt eksempel er de japanske høyhastighetstogene på Tōkaidō Shinkansen-linje som av utseende minner om et andenebb foran.

Optimeringen av togets utforming har fortsatt gjennom tiårene for å minimere støyplager fra togene og redusere trykkforskjeller når togene passerer gjennom tunneler i høy hastighet.

Den foreløpige kulminasjonen av høyhastighetstogenes utvikling er det japanske SCMaglev L0 som i 2015 satte fartsrekord ved å nå opp på 603 km/t på et testspor i Japan. I EU defineres høyhastighetstog som tog som kjører i minst 200 km/t på oppgraderte eksisterende spor eller minst 250 km/t på spor bygget spesifikt til høyhastighetstog.

Tog tar tronen fra fly

I dag forbedrer datasimuleringer togenes form med metoder som kalles CFD (computational fluid dynamics), der datamaskinen etterligner luftens bevegelser rundt en 3D-modell av toget så nøyaktig som mulig.

Dermed kan ingeniørene teste og forbedre virtuelle modeller av høyhastighetstoget foran skjermen.

Hadde det ikke vært for ingeniørenes kamp for hele tiden å sette nye fartsrekorder, hadde toget aldri blitt til virkelighet – og den neste fartsrekorden ligger like rundt hjørnet.

SCMaglev L0 er et magnettog. Med såkalt magnetisk levitasjon suser toget gjennom det japanske landskapet svevende om lag 10 centimeter over et spor med kraftige elektromagneter innebygget.

Ingen hjul og aksler bærer toget.

Derfor er det heller ikke noe metall mot metall som skaper unødig friksjon og nedsetter hastigheten.

Målet er at toget skal tilbakelegge 280 kilometer mellom Tokyo og Nagoya på bare 40 minutter før utgangen av 2020-tallet ved å holde en hastighet på opptil 500 km/t.

Dermed er toget på grunn av den korte reisetiden en sterk konkurrent til innenriksfly på samme strekning fordi toget stanser sentralt i byene i stedet for på flyplasser som vanligvis befinner seg flere kilometer utenfor storbyenes hjerte.

Kinas toglinje skal ta rekorden

I moderne tid har Japan vært foregangsland for utbredelsen av høyhastighetstog.

Siden begynnelsen i 1964 har hovedferdselsåren for de raske togene, Tōkaidō Shinkansen, transportert 6,4 milliarder mennesker mellom Tokyo, Nagoya og Osaka.

Ifølge Central Japan Railway har det i årenes løp vært ikke en eneste skade eller dødsfall på hurtigtogene, som kan skryte av at hvert tog bare er 0,9 minutter forsinket i gjennomsnitt.

I mellomtiden har kineserne passert Japan som den nasjonen i verden med flest skinner til høyhastighetstog. Verdens mest folkerike nasjon råder i dag over om lag to tredjedeler av skinnenettet til høyhastighetstog i verden og har den raskeste toglinjen i drift i verden, Shanghai Transrapid, med en toppfart på 431 km/t.

Toget er av typen maglev – en sammentrekning av ordene magnetisk levitasjon – akkurat som høyhastighetstoget SCMaglev L0.

I stedet for på skinner av stål beveger toget seg av sted i et spor bygget av betong med innlagte elektriske spoler.

Ved lave hastigheter kjører maglevtoget på gummihjul, med fysisk kontakt mellom hjul og spor. Når hastigheten når over om lag 150 km/t, begynner toget å sveve om lag 10 centimeter over sporet.

Teknologien kalles electrodynamic suspension og fungerer ved at superledende magneter i bunnen av togvognene skaper et magnetfelt i spolene som er motsattrettet, og dermed svever toget fritt i luften.

Superledereffekten oppstår når et elektrisk ledende materiale nedkjøles til veldig lave temperaturer, vanligvis lavere enn -200 grader celsius. I dag sørger flytende helium for at temperaturene kommer så langt ned, men SCMaglev og andre firmaer arbeider for å bruke superledende magneter som fungerer ved høyere temperaturer, og derfor krever mindre strøm.

Selv om SCMaglev for tiden er innehaver av fartsrekorden, er det bare et spørsmål om tid før Kina stjeler den tittelen. Et team kinesiske ingeniører arbeider på et magnettog som skal nå en topphastighet på 620 km/t.

Prototypen på toget ble vist fram for pressen i oktober 2021, og toget skal oppnå rekordhastigheten ved hjelp av superledende magneter ved høyere temperaturer – også kalt high-temperature superconducting (HTS).

Rørtog slår alle rekorder

Hvis togene skal skru hastigheten ytterligere opp, kreves det imidlertid helt annen teknologi.

En kandidat til framtidens lynraske tog er Hyperloop – en teknologi som Tesla-gründer Elon Musk har vært bannerfører for de siste årene.

Konseptet ble opprinnelig framført av den amerikanske romingeniøren Robert H. Goddard i 1904.

Elon Musk har beskrevet hvordan togvogner svevende på en pute av luft i lange transportrør kan nå hastigheter på opptil 1200 km/t.

Prinsippet fungerer ved at pumper trekker luft ut av røret slik at det til slutt er et trykk på omkring 100 pascal – omkring en tusendel av atmosfærisk trykk, noe som nesten fjerner luftmotstanden.

Foran i toget sitter en turbin som trekker luft vekk fra togets forende og leder litt av den ut under toget for å skape den luftputen som holder toget svevende.

Akkurat som ved Hyperloop-prinsippet bruker maglevtog også magneter og spoler ved samme prinsipp som i såkalte induksjonsmotor der et vekslende magnetfelt trekker toget framover.

Hvis Hyperloop-togene blir til virkelighet, vil høyhastighetstogene gå inn i en ny tidsalder der togreiser med over 1000 km/t i gjennomsnittsfart kan bli en del av hverdagen.