Maglev: Die zukünftige Magnetschwebebahn

Die technologischen Prinzipien des Magnetschwebebahnsystems

Maglev, die japanische Abkürzung für "SuperconductingMagneticLevitation", ist ein Einschienenbahnsystem mit elektromagnetischem Auftrieb, bei dem der Zug keinen direkten Kontakt mit den Schienen hat. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zügen schwebt er aufgrund physikalischer Prinzipien, die auf magnetischen Kräften beruhen. Es gibt zwei Haupttechnologien des Magnetschwebevorgangs.

Bei der ersten, der sogenannten elektromagnetischen Schwebetechnik (EMS), werden Elektromagneten im Zug verwendet, die ihn zu einem magnetisch leitenden Gleis hinziehen. Der Zug umhüllt das Gleis und Elektromagneten, die an der Unterseite des Fahrzeugs befestigt sind, sind nach oben gerichtet, um es anzuheben. Diese Technologie ermöglicht es Zügen, bei allen Geschwindigkeiten zu schweben, sogar im Stillstand, erfordert jedoch ausgeklügelte Rückkopplungssysteme, um einen konstanten Abstand von etwa 15 mm zur Schiene einzuhalten.

Bei der zweiten Methode, dem elektrodynamischen Schwebeverfahren (EDS), werden supraleitende Elektromagnete oder Permanentmagnete eingesetzt, die ein Magnetfeld erzeugen, das in den Metallleitern der Gleise Ströme induziert. Diese Methode wird von der japanischen SCMaglev angewandt, die supraleitende Spulen verwendet, die durch einen Kreislauf aus flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium auf etwa -269 °C gehalten werden. Diese Technologie ist stabiler, funktioniert aber erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit und erfordert Räder für Fahrten mit niedriger Geschwindigkeit.

Geschichte und Entwicklung des Maglev: Von den ersten Experimenten zu kommerziellen Strecken

Die Geschichte der Magnetschwebebahn beginnt Anfang des 20. Jahrhunderts. Im Jahr 1912 erhielt der Franko-Amerikaner Émile Bachelet ein Patent für seinen "Apparat zur Übertragung durch Levitation" und stellte 1914 in London das erste Demonstrationsmodell einer Magnetschwebebahn vor. Die Forschungen wurden mit dem Deutschen Hermann Kemper fortgesetzt, der 1934 ein Patent erhielt, aber seine Arbeit wurde durch den Zweiten Weltkrieg unterbrochen.

Im Jahr 1962 begann Japan mit der umfassenden Erforschung des Maglev. Eine erste Teststrecke wurde 1977 in der Präfektur Miyazaki gebaut, eine zweite, fast 50 km lange Strecke 1992 in der Präfektur Yamanashi, in der Nähe des Berges Fuji. Auf dieser Strecke können zahlreiche Tests durchgeführt werden, wobei 2003 mit 581 km/h ein erster Geschwindigkeitsweltrekord aufgestellt wird.

In Deutschland wurden die Forschungen 1973 an der Technischen Universität Braunschweig wieder aufgenommen. 1979 wird der Transrapid 05 auf einer Ausstellung in Hamburg zur ersten Magnetschwebebahn der Welt, die Passagiere befördert. Deutschland entwickelt daraufhin 1984 eine Teststrecke im Emsland, aber nach dem Unfall von Lathen 2006, bei dem 23 Menschen ums Leben kommen, wird das Projekt 2008 endgültig eingestellt.

Im Jahr 2015 stellte der japanische Maglev mit 603 km/h und Passagieren an Bord einen neuen Weltrekord auf und übertraf damit den Rekord des französischen TGV (574,8 km/h). Diese Leistungen zeigen das außerordentliche Potenzial dieser Technologie, die sich trotz der technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen weiterentwickelt.

Aktueller Stand: Maglev-Strecken, die weltweit in Betrieb sind

Nach fast 60 Jahren Forschung und Erprobung sind derzeit weltweit nur wenige Maglev-Strecken mit einer Gesamtlänge von etwa 74 km im kommerziellen Betrieb. Die wohl bekannteste ist der Transrapid in Shanghai, eine 30 km lange Verbindung vom Stadtzentrum zum Flughafen, die im Januar 2004 eröffnet wurde. Mit einer Höchstgeschwindigkeit von 431 km/h legt der Zug die Strecke in nur 7 Minuten und 20 Sekunden zurück und ist damit die erste und einzige Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn im regelmäßigen kommerziellen Einsatz.

In Japan wurde 2005 die 8,9 km lange Linimo-Strecke in Aichi in Betrieb genommen. Mit einer Höchstgeschwindigkeit von 100 km/h bietet sie eine innovative Lösung für den Stadtverkehr, bleibt aber weit hinter der Leistung des chinesischen Transrapids zurück.

Auch Südkorea verfügt über zwei Maglev-Strecken: eine 1 km lange Strecke zum Messegelände in Daejeon und seit 2016 eine 6,1 km lange Strecke von der Station Yongyu zum Flughafen Incheon.

China hat neben dem Transrapid in Shanghai noch mehrere andere Maglev-Linien entwickelt. Die Changsha Express Maglev-Linie, die seit 2016 in Betrieb ist, verbindet den Bahnhof Changsha-Süd mit dem internationalen Flughafen Changsha-Huanghua auf einer Länge von 18,6 km. In jüngerer Zeit ist die Linie S1 der Pekinger U-Bahn seit 2017 auf 10,2 km im Westen der chinesischen Hauptstadt in Betrieb.

Diese Errungenschaften sind zwar zahlenmäßig begrenzt, zeigen aber die Marktfähigkeit dieser Technologie, insbesondere für Verbindungen zwischen Flughäfen und Stadtzentren oder für Anwendungen im Stadtverkehr.

Zukunftsweisende Projekte: China, Japan und andere internationale Initiativen

Das ehrgeizigste Projekt, das sich derzeit in der Entwicklung befindet, ist zweifellos die Shinkansen Chūō-Linie in Japan. Dieses Projekt sieht eine Verbindung von Tokio nach Nagoya (286 km) in 40 Minuten mit einer kommerziellen Geschwindigkeit von 505 km/h vor. Die Bauarbeiten sind im Gange und die Eröffnung, die ursprünglich für 2027 geplant war, wurde auf 2034 verschoben. Bis 2037 soll die Strecke dann bis nach Osaka verlängert werden, sodass die 438 km zwischen Tokio und Osaka in nur 1 Stunde und 7 Minuten zurückgelegt werden können.

Dieser Maglev-Zug wird die Bahnhöfe Shinagawa (Tokio), Kofu, die japanischen Südalpen, Nagoya, Nara und Osaka bedienen. Dieses Mammutprojekt, bei dem 80% der Strecke unterirdisch verlaufen werden, stellt eine gigantische Investition von über 70 Milliarden Euro dar. Es wird die bereits überlastete klassische Shinkansen Tokaido entlasten.

Auch China hat große Ambitionen für den Maglev. In ihrem Verkehrsplan 2023-2035 kündigt die Stadtverwaltung von Kanton mehrere Maglev-Fernverkehrsstrecken an, insbesondere zwischen Kanton und Peking (3,5 Stunden Fahrzeit gegenüber heute 7,5 Stunden) und zwischen Kanton und Shanghai (3 Stunden gegenüber heute 7 Stunden). Diese Züge sollen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 600 km/h verkehren. China hat sogar einen Tunnelversuch durchgeführt, bei dem auf einem 2 km langen Abschnitt 1.000 km/h erreicht wurden.

Weltweit sind weitere Initiativen im Gange. Das polnische Unternehmen Nevomo entwickelt seit 2017 eine Technologie, mit der herkömmliche Gleise an den Magnetschwebebetrieb angepasst werden können. Mit ihrem System "MagRail" könnten auf bestehenden TGV-Strecken Geschwindigkeiten von 550 km/h erreicht werden. Ein erster erfolgreicher Test wurde im September 2023 durchgeführt und im März 2023 wurde eine Partnerschaft mit der SNCF unterzeichnet, um diese Technologie zu evaluieren.

In den USA arbeiten JR Central und Northeast Maglev an einem Projekt für eine Strecke zwischen Washington D.C. und New York, wobei der erste Abschnitt zwischen D.C. und Baltimore auf 10 Milliarden US-Dollar geschätzt wird. Wenn der Zug gebaut wird, würde er die Reisezeit zwischen diesen beiden Städten von derzeit drei Stunden auf eine Stunde verkürzen.

Vor- und Nachteile von Maglev im Vergleich zu konventionellen Zügen

Magnetschwebebahnen haben im Vergleich zu konventionellen Zügen viele bedeutende Vorteile. Zunächst einmal beseitigt das Fehlen eines physischen Kontakts zwischen Zug und Gleis den Rollwiderstand, wodurch wesentlich höhere Geschwindigkeiten erreicht werden können. Diese Technologie bietet auch eine bessere Beschleunigung und die Fähigkeit, stärkere Steigungen (bis zu 40‰) zu überwinden, wodurch die Anzahl der erforderlichen Tunnel und Kunstbauten verringert wird.

Was die Sicherheit betrifft, so ist das Risiko einer Entgleisung bei Konstruktionen wie dem Transrapid dank des Systems, bei dem der Zug die Gleise umschließt, nahezu null. Auch der Komfort für die Fahrgäste wird durch weniger Vibrationen und Lärm verbessert. Da die Hauptlärmquelle von der bewegten Luft und nicht vom Kontakt der Räder mit den Schienen ausgeht, sind Maglev-Züge bei gleicher Geschwindigkeit in der Regel leiser als ein herkömmlicher Zug.

Was die Wartung betrifft, so sind Maglev-Gleise weniger wartungsintensiv als herkömmliche Schienen, die vor allem bei hohen Geschwindigkeiten einem starken mechanischen Verschleiß unterliegen. Auch die Wartung der Fahrzeuge ist geringer und basiert auf den Betriebsstunden statt auf der Geschwindigkeit oder der zurückgelegten Strecke.

Allerdings hat diese Technologie auch erhebliche Nachteile. Der kritischste ist die Inkompatibilität mit den bestehenden Schienennetzen: Ein Maglev-Zug benötigt eine spezielle Infrastruktur und kann nicht auf konventionellen Gleisen fahren, im Gegensatz zu den TGVs, die auf dem herkömmlichen Schienennetz selbst bei geringerer Geschwindigkeit verkehren können.

Die Infrastrukturkosten sind extrem hoch, insbesondere bei elektrodynamischen Schwebebahnsystemen, die teure supraleitende Magnete verwenden. Auch der Energieverbrauch ist erheblich, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, wo der Auftrieb bis zu 15 % mehr Energie verbrauchen kann als eine U-Bahn oder ein Stadtbahnzug.

Schließlich erzeugen einige Maglev-Systeme, insbesondere der japanische Typ SCMaglev, starke Magnetfelder, die Personen mit Herzschrittmachern oder magnetischen Speichermedien beeinträchtigen könnten, was die Verwendung einer magnetischen Abschirmung erforderlich macht.

Die wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen der Maglev-Implementierung

Die großflächige Einführung von Maglev-Zügen steht vor mehreren großen Herausforderungen, von denen die erste zweifellos die unerschwinglichen Kosten der Infrastruktur sind. Das japanische Chuo-Shinkansen-Projekt ist ein gutes Beispiel für diese Problematik: Ursprünglich wurden die Kosten für den Abschnitt Tokio-Nagoya auf 5,52 Billionen Yen (42,5 Milliarden Euro) geschätzt, doch die Kosten wurden bereits auf 7,04 Billionen Yen (70 Milliarden Euro) neu veranschlagt. Diese gewaltigen Investitionen sind wirtschaftlich nur schwer zu rechtfertigen, insbesondere in einem Umfeld nach einer Pandemie, in dem sich der Bedarf an Geschäftsreisen dauerhaft ändern könnte.

Auch in technischer Hinsicht sind die Einschränkungen erheblich. Maglev-Strecken erfordern extrem geradlinige Streckenführungen mit sehr großen Kurvenradien, um die hohen Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten. Im Falle des japanischen Projekts bedeutet dies, dass 86% der Strecke Tokio-Nagoya unterirdisch verlaufen wird, mit Bahnhöfen, die bis zu 40 Meter unter der Erde liegen, was die Kosten und technischen Herausforderungen noch weiter erhöht.

Eine weitere große Herausforderung stellt der Energieverbrauch dar. Schätzungen zufolge würde die japanische Maglev drei- bis fünfmal mehr Energie verbrauchen als der herkömmliche Shinkansen, was vor dem Hintergrund der Energiewende Fragen aufwirft. Zu Spitzenzeiten würde die Chuo-Shinkansen-Strecke 270.000 kW Strom für eine maximale Fahrgeschwindigkeit benötigen, die nur 1,7 Mal höher ist als die eines gewöhnlichen Shinkansen-Zuges.

Auch die Umweltauflagen sind besorgniserregend. In Japan gibt es beim Bau der Tunnel für den Maglev Bedenken hinsichtlich des Grundwasserflusses. Das Beispiel der Präfektur Shizuoka ist aufschlussreich: Die örtlichen Behörden lehnen das Projekt ab, weil ein Tunnel den Abfluss des Flusses Oigawa um zwei Tonnen Wasser pro Sekunde verringern könnte, was die örtliche Landwirtschaft gefährden würde.

Schließlich ist diesoziale Akzeptanz dieser Projekte nicht garantiert. In Japan sind viele Bewohner gezwungen, umzuziehen, um Platz für den neuen Zug zu schaffen. In Sagamihara in der Präfektur Kanagawa sprachen sich 85% der befragten Einwohner gegen das Projekt aus, trotz der angebotenen Entschädigungen.

Ausblick auf die Zukunft: Vakuumröhren und Technologien der nächsten Generation

Die Zukunft der Magnetschwebebahn könnte in noch revolutionäreren Innovationen wie den Vakuumröhren liegen. Diese Technologie, die insbesondere von dem verstorbenen Schweizer Projekt Swissmetro vorgeschlagen und in dem von Elon Musk populär gemachten Hyperloop-Konzept wieder aufgegriffen wurde, besteht darin, die Maglev-Züge in Tunneln fahren zu lassen, in denen die Luft teilweise evakuiert wird, wodurch der aerodynamische Widerstand, der die Hauptbeschränkung für Geschwindigkeiten über 150 km/h darstellt, drastisch verringert wird.

China steht mit seinem Hyperloop-Maglev-Projekt an der Spitze dieser Entwicklungen. Im August 2024 bestand das Land einen Schlüsseltest in einer Niederdruckröhre in Datong, bei dem die Systemintegration validiert wurde. Das ehrgeizige Ziel ist es, die Strecke Peking-Shanghai auf nur 90 Minuten zu verkürzen, was Geschwindigkeiten von weit über 1.000 km/h erfordern würde.

Weitere Innovationen betreffen supraleitende "Hochtemperatur"-Magnete. Der japanische SCMaglev-Zug hat erfolgreich Tests mit Supraleitung bei -196 °C (Temperatur von flüssigem Stickstoff) durchgeführt, die leichter aufrechtzuerhalten ist als die -270 °C herkömmlicher supraleitender Magnete. Diese Fortschritte könnten die Betriebskosten deutlich senken.

Auch bei der Technologie der Permanentmagnete sind bedeutende Fortschritte zu verzeichnen. Die chinesische "Red Rail", die in der Provinz Jiangxi getestet wird, verwendet seltene Mineralien, die Magnete mit einer konstanten Abstoßungskraft erzeugen. Diese Innovation ermöglicht ein Schweben, das keinen Strom benötigt, wodurch der Energieverbrauch drastisch gesenkt wird. Dank seiner Bodenschätze produziert China 80% dieser "permanenten" Magnete.

Eine weitere vielversprechende Entwicklung ist die Integration vonkünstlicher Intelligenz, um die Steuerung der Züge zu verwalten. China plant, die Red Rail ohne menschliches Eingreifen fahren zu lassen, wobei die KI den gesamten Betrieb steuert und damit potenziell die Sicherheit und Effizienz des Systems verbessert.

Schließlich zielen hybride Ansätze wie der des Unternehmens Nevomo darauf ab, Technologien zu schaffen, die einen allmählichen Übergang zum Magnetschwebebahnsystem ermöglichen. Ihr System "MagRail Booster" ermöglicht es, bestehende Waggons zu modernisieren, indem sie eine elektromagnetische Unterstützung für die Beschleunigung erhalten, ohne dass eine vollständige Schwebefähigkeit erforderlich ist.

Um die faszinierende Welt der Magnetschwebebahnen weiter zu erkunden, können Sie das Linear-Museum in der Nähe von Yamanashi in Japan besuchen, das über http://linear-museum.pref.yamanashi.jp/english/index.html erreichbar ist. Bei diesem Besuch erhalten Sie einen tiefen Einblick in diese revolutionäre Technologie, die trotz ihrer Herausforderungen die Art und Weise, wie wir im 21. Jahrhundert reisen, radikal verändern könnte.