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III
– Applications : Train à lévitation
magnétique
A
) Le fonctionnement de différents trains à lévitation
magnétique
Nous
allons étudier le fonctionnement de 2 différents
type de trains à lévitation magnétiques :
Ø
Le
Transrapid, conception allemande
Ø
Le MagLev, ( SUPERCONDUCTING MAGNETICALLY
LEVITATED
VEHICLE ) conception Japonaise.
1.
LE
TRANSRAPID ALLEMAND
Le Transrapid est un projet allemand
dont l’origine remonte au début des années
70. Le ministère fédéral de la recherche et
de la technologie, soucieux de trouver des modes
de transports publics moins onéreux pour les
finances que les modes classiques et moins
agressifs pour l’environnement, avait lancé
un programme de recherche sur les trains
rapides. Après évaluation des diverses
options, le ministère retint en 1977 la
technologie du train à sustention magnétique,
d’où naquit le projet du Transrapid. Les
pouvoirs publics allemands ont dépensé 7,1
milliards de mark (soit 3.7 milliards d’euros)
en recherche et développement et en sont à
leur septième prototype. Une ligne expérimentale
a été construite près de la frontière
hollandaise.
Le
centre d’essais situé à la frontière
hollandaise.
En mai 1998, le Bundestag a autorisé
la construction entre Berlin et Hambourg d'une
ligne de 280 kilomètres dédiée au train
Transrapid. Elle pourrait s'ouvrir au service
commercial en 2005.
Le Transrapid transporterait à une vitesse de 400 km/h près de 12
millions de passagers par an.
Le Transrapid, dont le châssis enserre
la voie, utilise une sustention électromagnétique
(EMS). Il est en suspension sous l’effet de
forces répulsives engendrées par les bobinages
de la voie. Au lieu de matériaux
supraconducteurs, les véhicules sont équipés
d’électro-aimants classiques. Ils
n’autorisent pas plus de 2cm d’espace entre
la voie et le véhicule. Pour s’assurer un
maximum de stabilité, le Transrapid circule sur
une voie en T qu’il enserre étroitement.
Les ingénieurs allemands estiment que le
gain d'énergie obtenu par l'emploi de
supraconducteurs est annulé par le poids supplémentaire
dû aux bogies contenant le système de réfrigération,
comme c’est le cas avec le Maglev japonais.
En 2005, le Transrapid reliera les 2
villes distantes de 285 km en 53 minutes avec
des pointes de vitesses à 450 km/h. Chaque
train emportera jusqu’à 500 passagers pour un
départ toutes les dix minutes. Le Transrapid,
consommerait 30 % d’énergie en moins qu’un
TGV capable de rouler aux même vitesses. Sa
signature sonore à 450 km/h ne serait pas plus
élevée que celle d’un TGV circulant à 300
km/h.
Afin
de permettre au Maglev d’entrer en lévitation
et d’être propulsé grâce à l’électromagnétisme,
les ingénieurs japonais utilisent la répulsion
électrodynamique.
Ce
principe utilise la force de répulsion existant
entre les aimants supraconducteurs du véhicule
et des bandes, ou des bobines conductrices situées
dans le rail de guidage. Ces aimants sont faits
d’un alliage de niobium et de titane. Chacun
d’eux est maintenu à une température
constante de -269°C ! Cela permet aux deux
aimants de conserver leur état de
supraconducteur donc de n’opposer aucune résistance
au passage du courant électrique.
Les aimants
se présentent sous forme de bobines regroupées
par quatre dans un réservoir contenant de l’hélium
liquide. Ces réservoirs, abrités par des
bogies, sont situés entre les wagons du Maglev.
Pesant chacun 1,5 tonnes, ils créent sous le
train un champ magnétique de 4.23 Teslas, soit
une force de lévitation de 98 kilonewton !
En faisant circuler une fois une boucle
de courant dans les blocs matériau
supraconducteur, on arrive à en faire des
aimants permanents dont le pôle nord reste
toujours au même endroit, dirigé vers l’extérieure
en ce qui concerne le Maglev.
D’autre part, le rail comporte deux séries
d’électroaimants. Branchés sur le courant
alternatif, ils changent de pôles Nord à
chaque fois que le courant change de sens ( un
courant alternatif de 50Hz change de sens 50
fois par seconde ).
Sur les deux séries d’électroaimants,
un pôle Nord surmonte un pôle sud, puis un pôle
sud surmonte un pôle Nord et ainsi de suite.
Face au pôle Nord de l’aimant du train, cette
situation provoque la lévitation.
Le pôle Nord du train est attiré par le
pôle sud de la première rangée et repoussé
par le pôle Nord de la seconde. Le train se
stabilise donc entre les deux (1).
Le pôle Nord de l’aimant du train est
tour à tour attiré et repoussé par les pôles
Nord et sud des électroaimants du tunnel (2).
Ainsi le train avance.
La
vitesse du train varie en fonction du courant
alternatif qui est envoyé dans les bobinages de
la voie.
Mais pour ce système,
un problème subsiste : en dessous de 100
km/h, la fréquence du courant d’alimentation
est abaissée. La lévitation n’est alors plus
possible. Le train roule alors sur des pneus du
même type que les avions.
Le
système de freinage
Utilise,
quant à lui, de simples
freins
à disque dont il faut
actuellement
vérifier l’efficacité.
Une
des solutions applicables
serait
l’utilisation d’aérofreins,
sorte
de paravents pour train.
Outre son côté spectaculaire, la lévitation
magnétique présente plusieurs avantages.
D'abord, le Maglev est beaucoup plus silencieux
que les trains sur rail comme le TGV français
ou le Shinkansen japonais.
Le Maglev est aussi beaucoup plus rapide.
Pour rester sécuritaires, les trains sur rails
conventionnels sont limités à une vitesse
d'environ 300 km/heure. Dès 1979, un prototype
du Maglev franchissait les 500 km/h et en décembre
97, le train filait sans problèmes à 550 km/h
sur la ligne expérimentale entre Otsuki et
Tsuru.
Les Japonais
ont aussi été séduits par l'idée qu'un train
à lévitation magnétique serait plus sécuritaire
en cas de tremblement de terre. C'est d'ailleurs
par hantise des séismes que les Japonais
insistent pour faire flotter leur Maglev à 10
cm au-dessus du sol, malgré le défi technique
que cela entraîne.
L'alimentation électrique et le freinage
constituent encore les points faibles du Maglev
pour sa commercialisation, mais la mise au point
progresse.
Les Japonais ont déjà investi plus de
13 milliards de dollars dans le Maglev et, crise
économique ou pas, ce n'est pas un projet qu'on
songe à abandonner. Une fois en place, le train
volant devrait transporter 10 000 passagers à
l'heure dans chaque direction.
En raison du potentiel d’usagers de la
ligne Osaka-Tokyo (112 000 passagers par jour),
le succès du Maglev est pratiquement assuré.
B ) Les avantages et les inconvénients des trains
à lévitation magnétique.
Avantages
:
Transport
économique, pas de contact, donc pas d'usure
des trains ni des rails. Par conséquent, moins
d'emplois destinés à l'entretien donc économie
d'argent.
Transport
sûr grâce à la stabilité du wagon.
Transport
rapide, un Maglev peut atteindre des vitesses
supérieures à 500 km/h.
Transport
non polluant contrairement aux bus ou aux
avions.
Inconvénients :
Investissements
importants au départ. En effet, la construction
des rails est très coûteuse.
Importante
consommation d'énergie, pour le Maglev
Japonais, les ingénieurs ont répartis sous
toute la longueur du rail des sous-stations électriques
pour fournir de l'énergie aux électro-aimants
du rail.
C )
Utilisation dans l’avenir
LES
APPLICATIONS POSSIBLES POUR CE TYPE DE TRAINS
La principale application du Maglev est de
transporter très rapidement des passagers entre
deux grandes villes. Le Maglev à un train
« super » rapide qui concurrencerait
les avions. Cette application est celle qui nous
vient naturellement à l’esprit, cependant il
en existe beaucoup d’autres.
·
Un Maglev pour le fret
Le Maglev pourrait transporter, de la même
manière qu’avec des passagers, toutes sortes
de fret, des véhicules…
·
Un Maglev à MACH3
Puisqu’il n’y a aucun contact mécanique entre le
train et la voie de guidage, le frottement
n’impose pas de limitation de vitesse. Les
seules limites étant les frottements de l’air
ainsi que la rectitude de la voie de guidage. Au
niveau du sol, dans l’atmosphère de la terre,
les frottements de l’air limitent la vitesse
maximum du Maglev à environ 500 Km/h. Si l’on
essaie de dépasser cette vitesse, la
consommation d’énergie serait trop
importante, le bruit aérodynamique serait répréhensible.
Toutefois, le Japon a démontré le
fonctionnement satisfaisant de son Maglev à une
vitesse de 550km/h environ.
Si ces trains fonctionnaient dans un
tunnel à basse pression, la force des
frottements de l’air approcherait zéro, ils
pourraient atteindrent plusieurs milliers de
Km/h. Il y aurait toujours une petite force magnétique
inverse due aux pertes de puissance dans la voie
de guidage, mais ceci n’impose pas de
limitation de vitesse. La limitation de vitesse
serait alors d’ordre biologique.
En conséquence, la consommation d’énergie
serait encore fortement réduite et un passager
pourrait rallier New York à
San -Francisco en 1h35 seulement et en
utilisant un gallon d’essence.
·
Un pont de terre
Le
Maglev pourrait servir de pont de terre,
c’est-à-dire d’effectuer le transport du
contenu d’un bateau vers un autre sur une
portion de terre, ce qui éviterait aux bateaux
de faire des détours ou d’emprunter des
canaux tel le canal de Suez ou du panama. Le
temps gagné serait alors immense.
·
Un Maglev pour les mines
Le
Maglev pourrait apparaître dans les mines
(charbon, carburant…). L’utilisation du
Maglev pour les mines diminuerait le coût
d’exploitation, en effet les camions géants
reviennent très cher, demandent plus
d’entretien et sont moins rapides que le
Maglev qui est capable de franchir des pentes très
raides à l’inverse des machines actuel.
·
Un Maglev pour le lancement en orbite
Le
coût actuel de lancement d’un satellite ( par
exemple) en orbite est extrêmement élevé.
C’est pour ceci que des véhicules de
lancement sont étudiés, le Maglev pourrait
convenir. En effet, le vaisseau spatial serait
propulsé par l’équivalent du Maglev sur une
voie de plusieurs kilomètres. Après avoir
atteint une vitesse de 1000km/h environ, le
vaisseau se détacherait du Maglev, du
propulseur, qui freinerait et reviendrait à son
point de départ pour le lancement suivant. Le
vaisseau, une fois propulsé, activerait des
moteurs qui lui permettraient de monter en
orbite. L’étape de l’accélération par le
Maglev remplacerait le système conventionnel
des propulseurs de fusée. En utilisant le
Maglev, la charge que l’on pourrait envoyer en
orbite serait multiplié par trois et le coût
du lancement nettement inférieur à celui
actuel.
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