Maglev: il futuro treno a levitazione magnetica

I principi tecnologici della levitazione magnetica

Il Maglev, acronimo di "SuperconductingMagneticLevitation" (levitazione magnetica superconduttiva) in Giappone, è un sistema monorotaia a levitazione elettromagnetica che significa che il treno non è in contatto diretto con le rotaie. A differenza dei treni convenzionali, la levitazione avviene grazie a principi fisici basati su forze magnetiche. Esistono due principali tecnologie di levitazione magnetica.

La prima, chiamata levitazione elettromagnetica (EMS), utilizza elettromagneti nel treno che lo attirano verso un binario magneticamente conduttivo. Il treno si avvolge intorno al binario e gli elettromagneti attaccati alla parte inferiore del veicolo puntano verso l'alto per sollevarlo. Questa tecnologia consente ai treni di levitare a tutte le velocità, anche da fermi, ma richiede sofisticati sistemi di feedback per mantenere una distanza costante di circa 15 mm dal binario.

La seconda, la levitazione elettrodinamica (EDS), utilizza elettromagneti superconduttori o magneti permanenti per creare un campo magnetico che induce correnti nei conduttori metallici del binario. È il metodo usato dal giapponese SCMaglev, che utilizza bobine superconduttrici mantenute a circa -269°C da un circuito di azoto liquido ed elio liquido. Questa tecnologia è più stabile, ma funziona solo a partire da una certa velocità e richiede l'uso di ruote per gli spostamenti a bassa velocità.

Storia e sviluppo del Maglev: dai primi esperimenti alle linee commerciali

La storia dei treni a levitazione magnetica inizia all'inizio del XX secolo. Nel 1912, il franco-americano Émile Bachelet ottenne un brevetto per il suo "apparato di trasmissione a levitazione" e nel 1914 presentò a Londra il primo modello dimostrativo di un treno a levitazione magnetica. Le ricerche proseguirono con il tedesco Hermann Kemper, che ottenne un brevetto nel 1934, ma il suo lavoro fu interrotto dalla Seconda Guerra Mondiale.

Nel 1962 il Giappone intraprese una ricerca approfondita sul Maglev. Una prima linea di prova fu costruita nella prefettura di Miyazaki nel 1977, seguita da una seconda, lunga quasi 50 km, nel 1992 nella prefettura di Yamanashi, vicino al monte Fuji. Questa linea ha permesso di effettuare numerosi test, stabilendo un primo record mondiale di velocità di 581 km/h nel 2003.

In Germania, la ricerca è ripresa nel 1973 presso l'Università Tecnica di Brunswick. Nel 1979, in occasione di un'esposizione ad Amburgo, il Transrapid 05 divenne il primo treno a levitazione magnetica al mondo a trasportare passeggeri. La Germania ha poi sviluppato una linea di prova nella regione dell'Emsland nel 1984, ma dopo l'incidente di Lathen del 2006, che ha causato la morte di 23 persone, il progetto è stato definitivamente abbandonato nel 2008.

Nel 2015, il Maglev giapponese ha stabilito un nuovo record mondiale a 603 km/h con passeggeri a bordo, superando il record stabilito dal TGV francese (574,8 km/h). Queste prestazioni dimostrano lo straordinario potenziale di questa tecnologia, che continua ad evolversi nonostante le sfide tecniche ed economiche.

Situazione attuale: linee Maglev in servizio in tutto il mondo

Dopo quasi sessant'anni di ricerche e test, solo poche linee Maglev sono attualmente in servizio commerciale in tutto il mondo, per un totale di circa 74 km di lunghezza. La più famosa è senza dubbio il Transrapid di Shanghai, un collegamento città-aeroporto di 30 km inaugurato nel gennaio 2004. Con una velocità massima di 431 km/h, questo treno copre la distanza in soli 7 minuti e 20 secondi, diventando così il primo e unico treno a levitazione magnetica ad alta velocità in uso commerciale regolare.

In Giappone, la linea Linimo, lunga 8,9 km ad Aichi, è entrata in servizio nel 2005. Con una velocità massima di 100 km/h, offre una soluzione innovativa per il trasporto urbano, ma è ben al di sotto delle prestazioni del Transrapid cinese.

Anche la Corea del Sud dispone di due linee Maglev: una linea di un chilometro per il centro espositivo di Daejeon e, dal 2016, una linea di 6,1 km che collega la stazione di Yongyu all'aeroporto di Incheon.

Oltre al Transrapid di Shanghai, la Cina ha sviluppato diverse altre linee Maglev. La linea express Changsha Maglev, in servizio dal 2016, collega la stazione Changsha-Sud all'aeroporto internazionale Changsha-Huanghua su una distanza di 18,6 km. Più recentemente, la linea S1 della metropolitana di Pechino è in funzione dal 2017 per 10,2 km nella zona ovest della capitale cinese.

Sebbene in numero limitato, questi progetti dimostrano la fattibilità commerciale di questa tecnologia, in particolare per i collegamenti aeroporto-centro città o per le applicazioni di trasporto urbano.

Progetti futuri: Cina, Giappone e altre iniziative internazionali

Il progetto più ambizioso attualmente in fase di sviluppo è senza dubbio la linea Shinkansen Chūō in Giappone. Questo progetto collegherà Tokyo-Nagoya (286 km) in 40 minuti, ad una velocità commerciale di 505 km/h. I lavori sono in corso e l'apertura, inizialmente prevista per il 2027, è stata posticipata al 2034. La linea sarà poi estesa a Osaka entro il 2037, consentendo di percorrere i 438 km tra Tokyo e Osaka in appena 1 ora e 07 minuti.

Questo treno Maglev servirà le stazioni di Shinagawa (Tokyo), Kofu, le Alpi giapponesi meridionali, Nagoya, Nara e Osaka. Questo progetto titanico, l'80% del quale sarà sotterraneo, rappresenta un investimento colossale di oltre 70 miliardi di euro. Alleggerirà il già saturo Tokaido Shinkansen convenzionale.

Anche la Cina ha grandi ambizioni per il Maglev. Nel suo piano dei trasporti 2023-2035, la municipalità di Guangzhou ha annunciato diverse linee Maglev a lunga distanza, in particolare tra Guangzhou e Pechino (un viaggio di 3,5 ore rispetto alle 7,5 ore attuali) e tra Guangzhou e Shanghai (3 ore rispetto alle 7 ore attuali). Si prevede che questi treni viaggeranno a una velocità di almeno 600 km/h. La Cina ha persino effettuato un test in galleria raggiungendo una velocità di 1.000 km/h su un tratto di 2 chilometri.

Altre iniziative sono in corso in tutto il mondo. Dal 2017, l'azienda polacca Nevomo sta sviluppando una tecnologia per adattare i binari convenzionali alla levitazione magnetica. Il loro sistema "MagRail" potrebbe consentire di raggiungere velocità di 550 km/h sulle linee TGV esistenti. Nel settembre 2023 è stato effettuato un primo test con successo e nel marzo 2023 è stata firmata una partnership con SNCF per valutare questa tecnologia.

Negli Stati Uniti, JR Central e Northeast Maglev stanno lavorando a un progetto per una linea tra Washington D.C. e New York, con il primo tratto tra D.C. e Baltimora stimato in 10 miliardi di dollari. Se realizzato, il treno ridurrebbe il tempo di percorrenza tra queste due città da tre ore a un'ora.

Vantaggi e svantaggi del Maglev rispetto ai treni convenzionali

I treni Maglev presentano una serie di vantaggi significativi rispetto ai treni convenzionali. In primo luogo, l'assenza di contatto fisico tra il treno e i binari elimina la resistenza al rotolamento, consentendo di raggiungere velocità molto più elevate. Questa tecnologia offre anche una migliore accelerazione e la capacità di affrontare pendenze più elevate (fino al 40‰), limitando il numero di gallerie e strutture ingegneristiche necessarie.

In termini di sicurezza, il rischio di deragliamento è quasi nullo in costruzioni come il Transrapid, grazie al sistema per cui il treno si avvolge intorno al binario. Anche il comfort dei passeggeri è migliorato, grazie alla riduzione delle vibrazioni e del rumore. Infatti, poiché la principale fonte di rumore proviene dall'aria spostata piuttosto che dal contatto delle ruote con le rotaie, i treni Maglev sono generalmente più silenziosi di un treno convenzionale a velocità equivalente.

In termini di manutenzione, i binari Maglev richiedono meno interventi rispetto alle rotaie tradizionali, che sono soggette a una notevole usura meccanica, soprattutto alle alte velocità. Anche la manutenzione dei veicoli è ridotta e si basa sulle ore di esercizio piuttosto che sulla velocità o sulla distanza percorsa.

Tuttavia, questa tecnologia presenta anche notevoli svantaggi. Il più critico è l'incompatibilità con le reti ferroviarie esistenti: un treno Maglev richiede infrastrutture specifiche e non può utilizzare i binari convenzionali, a differenza dei treni ad alta velocità, che possono circolare sulla rete convenzionale, anche a velocità ridotta.

Il costo delle infrastrutture è estremamente elevato, soprattutto per i sistemi di levitazione elettrodinamica che utilizzano costosi magneti superconduttori. Anche il consumo di energia è significativo, soprattutto alle basse velocità, dove la levitazione può consumare fino al 15% in più di energia rispetto a una metropolitana o a una ferrovia leggera.

Infine, alcuni sistemi Maglev, in particolare il tipo giapponese SCMaglev, generano potenti campi magnetici che potrebbero influenzare le persone con pacemaker o supporti di memorizzazione magnetica, rendendo necessario l'uso di schermature magnetiche.

Le sfide economiche e tecniche dell'implementazione del Maglev

L'introduzione su larga scala dei treni Maglev deve affrontare una serie di sfide importanti, la prima delle quali è innegabilmente il costo proibitivo dell'infrastruttura. Il progetto giapponese Chuo Shinkansen è una perfetta illustrazione di questo problema: inizialmente stimato in 5,52 trilioni di yen (42,5 miliardi di euro) per la tratta Tokyo-Nagoya, il costo è già stato rivalutato a 7,04 trilioni di yen (70 miliardi di euro). Questi investimenti colossali sono difficili da giustificare dal punto di vista economico, soprattutto in un contesto post-pandemico in cui le esigenze dei viaggi di lavoro potrebbero essere modificate in modo permanente.

Ci sono anche importanti vincoli tecnici. Le linee Maglev richiedono linee estremamente rettilinee con raggi di curvatura molto ampi per mantenere velocità elevate. Nel caso del progetto giapponese, ciò significa che l'86% della linea Tokyo-Nagoya sarà sotterranea, con stazioni situate fino a 40 metri sotto terra, il che aumenta i costi e le sfide tecniche.

Il consumo di energia è un'altra sfida importante. Secondo alcune stime, il Maglev giapponese consumerà da tre a cinque volte più energia degli Shinkansen convenzionali, il che solleva questioni nel contesto della transizione energetica. Nelle ore di punta, la linea Chuo Shinkansen richiederebbe 270.000 kW di elettricità per una velocità massima di viaggio pari a solo 1,7 volte quella dei normali treni Shinkansen.

Anche i vincoli ambientali sono fonte di preoccupazione. In Giappone, la costruzione di tunnel per il Maglev sta sollevando preoccupazioni per il flusso delle acque sotterranee. L'esempio della prefettura di Shizuoka è eloquente: le autorità locali si oppongono al progetto perché un tunnel potrebbe ridurre il flusso del fiume Oigawa di due tonnellate di acqua al secondo, minacciando l'agricoltura locale.

Infine, l'accettabilità sociale di questi progetti non è garantita. In Giappone, molti residenti sono stati costretti a trasferirsi per far posto al nuovo treno. A Sagamihara, nella prefettura di Kanagawa, l'85% dei residenti intervistati si è detto contrario al progetto, nonostante le compensazioni offerte.

Prospettive future: tubi a vuoto e tecnologie di nuova generazione

Il futuro dei treni a levitazione magnetica potrebbe risiedere in innovazioni ancora più rivoluzionarie, come i tubi a vuoto. Questa tecnologia, proposta in particolare dal defunto progetto Swissmetro e ripresa nel concetto di Hyperloop divulgato da Elon Musk, consiste nel far viaggiare i treni Maglev in gallerie in cui l'aria viene parzialmente evacuata, riducendo drasticamente la resistenza aerodinamica che rappresenta il principale limite alle velocità superiori ai 150 km/h.

La Cina è all'avanguardia in questi sviluppi con il suo progetto Hyperloop Maglev. Nell'agosto 2024, il Paese ha completato con successo un test chiave in un tubo a bassa pressione a Datong, convalidando l'integrazione dei sistemi. L'obiettivo ambizioso è quello di ridurre il tragitto Pechino-Shanghai a soli 90 minuti, il che richiederebbe velocità ben superiori ai 1.000 km/h.

Altre innovazioni riguardano i magneti superconduttori ad "alta temperatura". Il treno giapponese SCMaglev ha completato con successo i test utilizzando la superconduttività a -196°C (la temperatura dell'azoto liquido), più facile da mantenere rispetto ai -270°C dei magneti superconduttori convenzionali. Questi progressi potrebbero ridurre significativamente i costi operativi.

Anche nella tecnologia dei magneti permanenti si stanno compiendo progressi significativi. Il "Red Rail" cinese, testato nella provincia di Jiangxi, utilizza minerali rari che creano magneti con una forza repulsiva costante. Questa innovazione consente la levitazione senza bisogno di elettricità, riducendo drasticamente il consumo energetico. Grazie alle sue risorse minerarie, la Cina produce l'80% di questi magneti "permanenti".

Un altro sviluppo promettente è l'integrazione dell'intelligenza artificiale per gestire il controllo dei treni. La Cina prevede di far funzionare il Red Rail senza l'intervento umano, con l'intelligenza artificiale che gestirà tutte le operazioni, migliorando potenzialmente la sicurezza e l'efficienza del sistema.

Infine, approcci ibridi come quello di Nevomo mirano a creare tecnologie che consentano una transizione graduale alla levitazione magnetica. Il loro sistema "MagRail Booster" consente di modernizzare i vagoni esistenti aggiungendo un'assistenza elettromagnetica per l'accelerazione, senza la necessità di una levitazione completa.

Per esplorare ulteriormente l'affascinante mondo dei treni maglev, è possibile visitare il Museo Linear vicino a Yamanashi, in Giappone, raggiungibile tramite il sito http://linear-museum.pref.yamanashi.jp/english/index.html. La visita vi permetterà di comprendere a fondo questa tecnologia rivoluzionaria che, nonostante le sue sfide, potrebbe trasformare radicalmente il modo di viaggiare nel XXI secolo.