In oktober 1903 zoeven twee treinen een paar dagen na elkaar over het spoor van Berlijn-Marienfelde naar Zossen in Duitsland.
Er wordt voor het eerst wisselstroom gebruikt om de treinen over de rails voort te stuwen.
Eerst vestigt de bijna 24 meter lange, 89 ton zware trein van Siemens & Halske een wereldrecord met 206,7 km/h, maar al een paar dagen later bereikt een vergelijkbare trein van AEG een snelheid van 210,2 km/h. Het is het begin van een nieuw tijdperk voor het spoor, dat tot dan toe gedomineerd werd door trage, piepende stoomlocomotieven.
Het bedrijf AEG bouwde in 1903 een revolutionaire elektrische trein. De voorkant was smaller dan anders om de trein aerodynamischer te maken.
Het goedkopere luchtverkeer dreigde soms de trein naar de geschiedenisboeken te verwijzen, maar dankzij steeds snellere treinen is het spoor weer concurrerend.
Om de grote afstanden tussen steden in vooral Europa en Azië te overbruggen, ontwikkelen ingenieurs ook voortdurend nieuwe technologieën, met als hoogtepunt een trein die met meer dan 600 km/h over de rails zweeft.
Elektrische arm vernieuwt de trein
Eind 19e eeuw werd de basis gelegd voor de moderne hogesnelheidstreinen door een reeks cruciale uitvindingen.
In 1879 presenteerde de firma Siemens & Halske de eerste elektrische locomotief ter wereld, die aangedreven werd door elektromotoren in plaats van stoom. Aan draden die over het spoor gespannen waren, kon de trein stroom onttrekken voor de elektromotoren via een pantograaf – een elektrisch geleidende arm die contact maakte tussen de elektrische systemen van de trein en de bovenleiding.
Ingenieurs plaatsten in elk rijtuig een aantal kleinere elektromotoren. Daarmee konden de treinen de energie efficiënter op de wielen overbrengen dan stoom- of diesellocomotieven, waarbij de locomotief de trein over de sporen trekt.
Pantograaf geeft elektrische trein een boost
De stroomafnemer, ook wel pantograaf genoemd, bracht stroom van de bovenleidingen over op een transformator in de trein, die de trein van elektrische aandrijving voorzag.
Kop tapt stroom af
De kop heeft twee horizontale vlakken die met koolstofvezel bekleed zijn om slijtage tegen te gaan. De kop raakt de stroomkabels, die zigzaggend over de baan lopen om slijtage over de kop te verdelen.
Metalen armen geven flexibiliteit
Onder de kop zitten metalen armen in een V-vorm. Een balanspen zorgt ervoor dat de hoogte van de kop flexibel is en zich steeds aanpast, zodat hij voortdurend met dezelfde spanning tegen de bovenleiding rust.
Luchtdruk tilt metalen armen op
De bovenleiding boven de trein fungeert als de positieve pool, en de rails als negatieve pool. De stroom daarvan gaat naar een condensator, een soort oplaadbare accu. Die stroom drijft de treinmotor aan.
Toen de Drehstrom-Triebwagen in 1903 een snelheidsrecord vestigde, was dat met een driefasig wisselstroomsysteem in plaats van met gelijkstroom. Daardoor was de spanning in de bovenleiding hoger en kon de trein een groter traject afleggen.
De methode om de wielen van energie te voorzien wordt nog steeds gebruikt in hogesnelheidstreinen, die met deze technologie wel 574,8 km/h kunnen halen. Maar er waren meer uitvindingen.
De ingenieurs van Drehstrom-Triebwagen gebruikten niet alleen een nieuwe technologie, ze gaven de voorkant van de trein ook anders vorm. Zo maakte de klassieke, langwerpige, rechthoekige doos plaats voor een aerodynamisch ontwerp.
4 mannen baanden de weg voor snelle treinen
1. Siemens voerde bovenleiding in
De Duitse uitvinder Werner von Siemens ontdekte in 1866 het dynamo-elektrisch effect en de voordelen van wisselstroom. Zijn bedrijf introduceerde in 1879 de eerste trein die stroom kreeg uit leidingen boven het spoor.
2. Reichel vond de pantograaf uit
De Duitse ingenieur Walter Reichel vond een van de eerste pantografen uit, die de stroom van de bovenleiding naar de elektrische treinmotor geleiden. Reichel hielp in 1903 mee aan een snelheidsrecord van 210 km/h.
3. Wenham creëerde de windtunnel
De Britse ingenieur Francis Wenham ontwierp en bouwde een gesloten windtunnel. Met zo’n tunnel worden de aerodynamische eigenschappen getest van vliegtuigvleugels, auto’s en treinen – ook hogesnelheidstreinen.
4. Laithwaite gebruikte elektromagnetisme
De Brit Eric Laithwaite vond het lineaire inductieprincipe uit waarmee maglevtreinen op elektromagnetisme rijden, en ontwierp mede een vroege versie van het systeem dat de treinen boven de rails verheft.
Windtunnels trainen de treinen
Windtunneltests tonen aan dat hoe sneller de trein rijdt, hoe belangrijker het wordt hem aerodynamisch te maken om de luchtweerstand zo laag mogelijk te houden. In de natuurkundige formule voor luchtweerstand is snelheid een variabele tot de tweede macht.
Daarom neemt de luchtweerstand zeer snel toe met de snelheid, en om dit tegen te gaan moeten ingenieurs de wind zo soepel mogelijk om de trein heen leiden. Hierdoor krijgt de trein een zogeheten laminaire stroming, waarbij elk luchtdeeltje ongeveer hetzelfde pad langs de trein volgt als het vorige luchtdeeltje.
Het alternatief is een turbulente stroming, waarin de deeltjes kriskras door elkaar schieten.
Dit wisten ook de ingenieurs achter de snelste stoomlocomotief uit de geschiedenis, de Britse Mallard, die in 1938 203 km/h haalde.
Vergeleken met andere stoomlocomotieven had de trein een zeer aerodynamisch ontwerp, waar de ingenieurs op uit waren gekomen door de trein in een windtunnel te testen.
De vele proeven maakten van de stoomlocomotief een hogesnelheidstrein, al was de stoomtechniek al ingehaald door diesel- en elektrische treinen.
De aerodynamische vorm domineert ook de moderne hogesnelheidstreinen, die ontworpen zijn met een lange neus. Een goed voorbeeld is de Japanse hogesnelheidstrein op de Tōkaidō Shinkansen-lijn, met een voorkant die op een eendensnavel lijkt.
De Tōkaidō Shinkansen heeft miljarden passagiers vervoerd sinds hij in 1964 in Japan begon te rijden. Hier stopt de trein op een station in Tokio.
Aan het treinontwerp wordt nog steeds gesleuteld om de geluidshinder van treinen te beperken en de drukverschillen te verkleinen wanneer ze met hoge snelheid door tunnels rijden.
Het hoogtepunt van de ontwikkeling van de hogesnelheidstrein is de Japanse SCMaglev L0, die in 2015 een snelheidsrecord vestigde door op een testbaan in Japan 603 km/h te halen. In de EU worden hogesnelheidstreinen gedefinieerd als treinen die ten minste 200 km/h rijden op aangepaste bestaande sporen of ten minste 250 km/h op sporen gebouwd voor hogesnelheidstreinen.
Trein haalt het vliegtuig in
Tegenwoordig wordt de vorm van treinen geoptimaliseerd met CFD (computational fluid dynamics), waarbij de computer de beweging van de lucht rond een 3D-model van de trein nabootst.
Zo kunnen ingenieurs virtuele modellen van de hogesnelheidstrein op het scherm testen en verbeteren.
Zonder de inspanningen van ingenieurs om steeds nieuwe snelheidsrecords te vestigen, zou de trein nooit werkelijkheid geworden zijn – en het volgende snelheidsrecord komt er alweer aan.
De SCMaglev L0 is een magneettrein. Met behulp van magnetische levitatie zoeft hij door het Japanse landschap, terwijl hij circa 10 centimeter boven een spoor met krachtige elektromagneten zweeft.
Geen wielen of assen dragen de trein.
De trein wordt dus niet vertraagd door de wrijving van metaal tegen metaal.
Tegen 2030 moet de trein de 280 kilometer tussen Tokio en Nagoya in slechts 40 minuten afleggen, met een snelheid tot wel 500 km/h.
De magnetische trein SCMaglev L0 zweeft circa 10 centimeter boven de rails vol krachtige elektromagneten.
Dit maakt de trein tot een sterke concurrent van binnenlandse vluchten, omdat de reistijd kort is en de trein in het centrum van steden stopt in plaats van op luchthavens die vaak kilometers buiten het stadshart liggen.
China haalt Japan in
In de moderne tijd speelt Japan over het algemeen een voortrekkersrol bij de aanleg van hogesnelheidslijnen.
Sinds het begin in 1964 heeft de belangrijkste hogesnelheidslijn, de Tōkaidō Shinkansen, 6,4 miljard mensen vervoerd tussen Tokio, Nagoya en Osaka.
Volgens Central Japan Railway is er in de loop der jaren nog geen enkele gewonde of dode gevallen in de snelle treinen, en gemiddeld heeft een trein slechts 0,9 minuten vertraging.
3 hogesnelheidstreinen breken records
Van driefasige wisselstroom naar een lineaire inductiemotor. Hier zijn drie records in de geschiedenis van de trein.
1903: Duitse elektrische trein is de snelste
Na een wedstrijd tussen AEG en Siemens & Halske in 1903 slaagde de laatste erin een wereldrecord van 210 km/h te vestigen. De trein tapte stroom af van een bovenleiding.
1964: Japanse sneltrein breekt het record
De Japanse Tōkaidō Shinkansen bereikt in 1964 een topsnelheid van 320 km/h. Daarmee is het de snelste passagierstrein ter wereld. Normaal rijdt de trein met een lagere snelheid, ongeveer 220 km/h.
2015: Sneltrein overschrijdt 600 km/h
In april 2015 breekt de magneettrein SCMaglev L0 alle vorige snelheidsrecords met 603 km/h op een testbaan. De trein bereikt die snelheid met een lineaire inductiemotor en supergeleidende magneten.
Intussen heeft China Japan ingehaald als het land met de meeste rails voor hogesnelheidstreinen. De meest volkrijke natie ter wereld beschikt nu over circa tweederde van al het hogesnelheidsspoor wereldwijd en de snelste treinverbinding ter wereld, de Shanghai Transrapid, met een topsnelheid van 431 km/h.
De trein is net als de hogesnelheidstrein SCMaglev L0 van het type maglev – een samentrekking van magnetische levitatie.
De trein rijdt niet over stalen rails, maar over een betonnen spoor met ingelegde elektrische spoelen.
Bij lage snelheden rijdt de maglevtrein op rubberen wielen, met fysiek contact tussen wiel en spoor. Bij snelheden boven de 150 km/h begint de trein te zweven op circa 10 centimeter boven het spoor.
De technologie, elektrodynamische ophanging geheten, werkt doordat supergeleidende magneten in de bodem van de trein een magnetisch veld in de spoelen opwekken dat in de tegenovergestelde richting staat, waardoor de trein in de lucht blijft zweven.
Elektromagnetisme zet de maglevtrein aan
Elektromagneten laten de hogesnelheidstrein zweven en kunnen, samen met supergeleidende eigenschappen, de SCMaglev-treinen tot 603 km/h brengen. Maglev is een samentrekking van magnetische levitatie.
1. Motor gebaseerd op elektromagnetisme
De spoelen van de trein met supergeleidend materiaal worden onder invloed van elektriciteit magnetisch. Er ontstaan tegengestelde noord- en zuidpolen die elkaar afstoten. Daardoor kan de technologie voortstuwing creëren en de trein laten zweven.
2. Magneten duwen de trein vooruit
Aan de zijkant en onder de trein zitten rijen noord- en zuidpolen. Soortgelijke rijen zitten in de trein. Als de stroom de trein in beweging zet, zullen de magnetische polen elkaar afwisselend aantrekken en afstoten, wat de trein voortstuwt.
3. Magneetvelden bewaren het evenwicht
Door de hoeveelheid stroom die de magneten opwekken, zweeft de trein 10 centimeter boven de rails en blijft hij in het midden van het spoor. De magneten zorgen dus voor voortstuwing en houden de trein op zijn plaats.
Supergeleiding ontstaat wanneer een elektrisch geleidend materiaal zeer sterk wordt gekoeld, meestal tot onder de -200 °C. Tegenwoordig brengt vloeibaar helium de temperatuur omlaag, maar SCMaglev en andere bedrijven werken aan supergeleidende magneten die bij hogere temperaturen werken en daardoor minder stroom vragen.
Hoewel SCMaglev het snelheidsrecord in handen heeft, is het slechts een kwestie van tijd voor China het breekt. Een team van Chinese ingenieurs werkt aan een magnetische trein die een topsnelheid van 620 km/h moet halen.
Het prototype van de trein werd in oktober 2021 aan de pers gepresenteerd, en de trein kan zo hard rijden dankzij supergeleidende magneten bij hogere temperaturen – ook bekend als hogetemperatuursupergeleiding (HTS).
Metro breekt alle records
Maar als treinen nog sneller willen gaan, zullen ze heel andere technologieën nodig hebben.
Een optie voor de hogesnelheidstreinen van de toekomst is de Hyperloop, een technologie waar Teslabaas Elon Musk zich de laatste jaren sterk voor maakt.
1200 km/h is in de toekomst de beoogde snelheid van Hyperlooptreinen.
Het concept werd al in 1904 bedacht door de Amerikaanse ruimtevaartingenieur Robert H. Goddard.
Elon Musk heeft beschreven hoe treinstellen die op een kussen van lucht zweven in lange buizen 1200 km/h kunnen halen.
Het principe werkt doordat pompen de lucht uit de buis zuigen, zodat er een druk heerst van 100 pascal – circa een duizendste van de atmosferische druk, waardoor de luchtweerstand bijna verdwijnt.
Voor in de trein staat een turbine, die lucht vóór de trein wegzuigt en er een deel van naar onderen leidt om het luchtkussen te vormen waarop de trein zweeft.
Net als bij het Hyperloopprincipe maken maglevtreinen gebruik van magneten en spoelen volgens het principe van inductiemotoren, waarbij een wisselend magnetisch veld de trein voorttrekt.
Als Hyperlooptreinen werkelijkheid worden, gaat er een nieuw tijdperk in voor hogesnelheidstreinen, waarin treinreizen met een gemiddelde snelheid van meer dan 1000 km/h normaal zijn.