Suprajohteiden hyödyntäminen junaliikenteessä

Abstract

Tulevaisuuden kannalta on olennaista tutkia uusia liikennemuotoja, jotka ovat mahdollisimman energiatehokkaita ja päästöttömiä. Yhtenä potentiaalisena vaihtoehtona on suprajohteita hyödyntävät magneettilevitaatiojunat. Tässä työssä käydään läpi suprajohtavuuden teoriaa ja käytännön haasteita, magneettisen levitaation teoriaa ja toimintaperiaatteita, sekä tarkastellaan tarkemmin suprajohteita hyödyntävän junan SC Maglevin toimintaperiaatetta ja teknologiaa. Lopuksi suurnopeusliikenteen eri versioita vertaillaan toisiinsa tarkastellen niiden energiatehokkuutta, ekologisuutta ja ekonomisuutta.

Suprajohtavuudella tarkoitetaan resistiivisyyden katoamista kokonaan, kun materiaali jäähdytetään ominaisen kriittisen lämpötilan alapuolelle. Materiaalien jäähdyttäminen näihin hyvin alhaisiin kryogeenisiin lämpötiloihin on usein vaikeaa ja kallista. Suprajohtavuus on kuitenkin ainoa tapa toteuttaa tarpeeksi suuren magneettikentän omaavia magneetteja, jotka ovat myös kooltaan suhteellisen pieniä.

Magneettisella levitaatiolla tarkoitetaan sitä, kun jokin esine saadaan leijumaan ilmassa kahden magneetin vuorovaikutuksen ansiosta. Teknisissä sovelluksissa levitaatio voidaan jakaa aktiiviseen ja passiiviseen järjestelmään. Aktiivisessa järjestelmässä levitaatio vaatii tarkan säätöjärjestelmän, joka nostaa kokonaisuuden kustannuksia ja monimutkaisuutta. Passiivisessa järjestelmässä levitaatiota ei tarvitse säätää ollenkaan vaan se on itsestään stabiloituva, mutta levitaation saavuttaminen paikallaan on tällä järjestelmällä useasti mahdotonta.

SC Maglevilla tarkoitetaan Japanissa patentoitua teknologiaa, joka hyödyntää junien levitaatioon suprajohdemagneetteja. Sen levitaatio perustuu passiiviseen sähködynaamiseen järjestelmään, jonka rata eroaa muista samaan järjestelmään perustuvista magneettilevitaatioista. Teknologia on kaupallisessa käytössä vielä suhteellisen uutta, vaikka sitä on kehitetty jo monta vuosikymmentä.

Vertailussa otetaan huomioon myös hyödyt, jotka ovat samoja molemmilla magneettilevitaatiotekniikoilla verrattuna perinteisiin juniin. Suprajohteiden ansiosta SC Maglev on erittäin energiatehokas ja levitaation ansiosta sen käyttökustannuksetkin ovat alhaisemmat kuin perinteisillä junilla. Se pystyy myös todella suuriin nopeuksiin, mikä tekee siitä myös päästöttömän ja kilpailukykyisen vaihtoehdon lentoliikenteelle. Vielä nykyään kummallakin levitaatiotekniikalla toteutetut Maglev-junat ovat energiatehokkuudeltaan hyvin samankaltaisia. Suprajohteiden jatkuvan kehityksen myötä SC Maglevilla on kuitenkin tulevaisuudessa potentiaali kehittyä vielä nopeammaksi ja energiatehokkaammaksi verrattuna perinteisiin sähkömagneetteihin pohjautuviin magneettilevitaatiojuniin