Bir ulaşım sistemi düşünün ki, ne uçaklar gibi gökyüzünde seyir etsin ne de arabalar gibi yere temas ederek gitsin. Kendi içimizden geriye bir tek gemilerin kaldığını düşünebiliriz. İşte bu noktada ezberleri bozan, ufuklarımızı genişleten bir teknoloji karşımıza çıkıyor: “Manyetik Levitasyon” ile çalışan “Maglev Trenleri”.
Bu yazımda bu ilginç teknolojinin temelinden yola çıkıp , uygulama alanlarını inceleyeceğiz. Sonrasında, Maglev Trenleri hakkında genel bilgiler öğrenip, sizler için seçtiğim 2 farklı Maglev sisteminin kıyaslamasını yapacağız.
Son olarak da “Bu teknolojinin geliştirilmesi nasıl mümkün olabilir?” sorusuna cevaplar arayacağız ve Maglev teknolojisinin geleceği üzerine tahminler yapacağız.
Levitasyon Olayı
Levitasyon kavramını fizik bilimi içinde terminolojik olarak ele alırsak, yer çekimi kuvvetinin etkisinde olan bir cismin kendisine mekanik kuvvet uygulanmadan havada kalması veya hareket etmesi olarak ifade edebiliriz.Çoğu fiziksel durumdaki gibi levitasyon durumunun da kendi içinde farklı çeşitleri vardır.
Akustik Levitasyon sesin dalga özelliğiyle ilgili bir durum oluştururken, Aerodinamik Levitasyon akışkanların hareketlerinden yararlanılan farklı bir levitasyon çeşidir.
Elektrostatik Levitasyon cisimlerin elektrik alanı kullanarak yer çekimi kuvvetine karşı pozisyon almaları durumudur.
Yazımın odağındaki Manyetik Levitasyon ise elektrik alan yerine manyetik alandan yararlanarak bu olayın gerçekleşmesidir.
Manyetik Levitasyon ve İşlevi
Manyetik levitasyon, bir iletken cismin manyetik alanda etkileşime girmesi sonucu çeşitli kuvvetler ile havada asılı kalmasıdır.
Manyetik levitasyon teknolojisi, biyosensör ve doku mühendisliği gibi biyoloji ve tıp alanlarına yönelik uygulama alanlarında kullanılmaktadır.Örneğin manyetik levitasyon teknolojisiyle biyosensörler geliştirilmektedir. Bu sensörler yardımıyla çeşitli hastalıkların teşhisi daha hızlı ve ucuz hâle getirilebilir. Ayrıca manyetik levitasyon teknolojisi yardımıyla hücreleri havada asılı tutarak bu hücreleri, manyetik alanda el değmeden kullanarak üç boyutlu yapay doku modelleri geliştirilebilir.
Günümüzde manyetik levitasyon teknolojisi asansör sistemleri için de geliştirilmektedir. Almanya merkezli ThyssenKrupp holding “manyetik levitasyon” yöntemiyle, halat kullanmadan, havada asılı duran “maglev” asansörleri geliştirilmeye çalışmaktadır.Bu teknoloji asansörlerin sadece yukarı-aşağı doğrultuda hareket etmesine ek olarak yenilikçi bir fikirle sağa-sola doğrultuda hareket etmesine olanak sağlıyor.
Fotoğrafta maglev asansörlerinin bir modellemesi bulunmakta
Rüzgar tribünlerinde verimi en üst seviyede tutmak amacıyla da manyetik levitasyon teknolojisi kullanılmaktadır.
Tüm bu veriler ile birlikte manyetik levitasyon, çok hızlı, kolay ve uygun maliyetlerle sonuç verdiği için hastalıkların teşhisinin yanı sıra birbirinden farklı birçok alanda kullanılabilmektedir.
Manyetik Levitasyondan Maglev Tren Teknolojisine Yolculuk
1960 yılında Jesse Powell ve Gordon Danby adındaki iki bilim insanı bir treni havaya kaldırabilmek için süper iletken mıknatıslar kullanmak fikriyle Brookhaven Ulusal Laboratuvarında yaptıkları çalışmalar sonucunda Maglev trenlerinin ilk adımını attılar.
Uzun yıllar sonra ticari olarak işletilen ilk yüksek hızlı süper iletken Maglev tren 2004 yılında Şanghay’da hizmete başladı. Bu uygulamayı Japonya ve Güney Kore takip etti.Bu konuyla ilgili 1997 yılında Karl-Hartmut Blesik ve Johannes Klühspies tarafından, uluslararası, kar amacı gütmeyen bilimsel bir organizasyon olan “The International Maglev Board” kurulmuştur.Bu organizasyon çeşitli konferanslar düzenlemekte, maglev sistemi hakkındaki araştırma verilerini, konuyla ilgili bilimsel makaleleri sitesinde yayınlamakta ve herkesin erişebileceği açık bir kaynak havuzu oluşturmaktadır.Günümüzde de çeşitli ülkelerde maglev tren teknolojisi hala geliştirilmeye devam edilmektedir; ancak hedeflenen düzeye daha varılmamıştır.
Maglev Trenlerinin Çalışma Prensibi
Maglev trenlerinin çalışma prensibi temelde 3 aşamadan oluşur.
İlk aşamada trenin kılavuz yolunun üzerinde (guideway) ortalama 10-15 cm yüksekliğe çıkmasını sağlayan bir manyetik alan oluşturulur.
Şekilde 2 farklı maglev sistemi kılavuz yolları ile birlikte modellenmiştir
Ek olarak kılavuz yolunun şekli projeden projeye farklılık gösterebilir.
2.aşamada tren bir saniye civarı yatay olarak havada dengede tutulmaya çalışılır. Trenin kılavuz yola olan mesafesine bağlı manyetik alanın da itme-çekme hareketleri mesafeye uygun değişir.
3.aşamada alternatif akımla çalışan tahrik sistemi devreye girer. Trenin tahrik sisteminde, sisteme elektrik gücü tedarik eden elektrifikasyon yöntemi kullanılarak, trenin ön kısmından daha da öne çekilmesini ve arka kısmından itilmesini sağlayan manyetik alanlar üretilir. Böylece tren harekete başlar.
Şekilde tahriklenme ile birlikte trenin adım adım hareketi modellenmiştir
Maglev Trenlerinin Avantajları
Maglev trenlerinin diğer trenlere göre en büyük avantajı, sürtünme kuvvetinin yarattığı hız ve enerji kaybını minimize etmesidir. Tüm yerle temaslı araç sistemlerine, sistemin hareketinin tersi yönünde bir sürtünme kuvveti etki etmektedir. Bu kuvvet araçların yavaşlamasına sebep olmaktadır.
Manyetik levitasyon ile trenin yerle temasının önüne geçilir ve sürtünme kuvveti büyük oranda devre dışı bırakılır. Bu durum trenin daha yüksek hızlarda hareketini sürdürmesine olanak tanır. Ayrıca trenin şekli de havayla sürtünmeyi en aza indirecek şekilde tasarlanır.
İkinci ve diğer büyük avantaj, maglev trenlerinin hareket halindeyken motora ihtiyaç duymamasıdır (sadece lineer motorlar ile tahrik edilir). Kara, hava ve deniz ulaşım sistemlerinde hareketin sürekliliği için bir motorun faaliyetine ihtiyaç duyulur. Maglev trenleri bu alanda bir devrim yaratır ve özel ray sistemleri ile motora ihtiyaç duymadan hareketini sürdürebilmektedir.
Maglev trenleri bu özellikleriyle fosil yakıt kullanmayarak ve karbon emisyonu yaratmayarak çevreci bir teknoloji olma özelliğini bünyesinde taşır.
Maglev Tren Teknolojisinin Gelişmesini Engelleyen Problemler
Maglev teknolojisinin geliştirilmesinin önündeki önemli problemlerden biri, maglev trenlerinin diğer trenlere göre ulaşım anında daha hızlı olmasına ve hareket başına maliyetinin ucuz olmasına rağmen çok güçlü elektromıknatıslar ve çok duyarlı, yüksek seviye kontrol sistemleri gerektirmesidir.Şuandaki teknolojik seviye bu trenlerin yaygın kullanımını sağlayacak kadar gelişmiş değildir.
Diğer bir sorun ise maglev trenlerinin normal tren rayı hattı üzerinde çalışamayacak olmasıdır. Bu sorun için çeşitli yöntemler geliştirilme aşamasında olmasına rağmen henüz başarıya ulaşmış bir çalışma bulunmamaktadır.Maglev trenleri uzun menzilli hatlarda avantajını daha rahat göstereceği için sıfırdan uzun menzilli hatlar yapılması gerekmektedir. Ayrıca yerleşim merkezlerinin arasında özel hatlar döşenmesi gerekir. Bu durum beraberinde yüksek teknolojide sistemler ve büyük bir maliyet getirmektedir.
Bir diğer tartışma konusu da maglev trenlerinin çalışır durumdaki yaydığı manyetik alanın, trenin içindeki yolculara ve trenin çevresine negatif bir etkisi olup olmadığı konusudur.Bu konuda detaylı ve yüksek adette ölçümler ve deneyler yapılmıştır. Manyetik alanın insan vücuduna ve dokulara zarar verebildiği ortadadır. Fakat elektrik ve manyetik alanların insan vücudu üzerindeki fizyolojik etkileri frekansa bağlıdır.
Frekans değeri yüksek olursa olası zararlar artar, düşük olursa azalır. Araştırma verilerine göre güç kaynağının ürettiği indiksiyon ve sürücü sisteminin yaydığı frekans sağlık sınırlarının oldukça altında kalır. Bu durum kısmen güvenlidir. Buna rağmen trenin “süspansiyon” ve “guidance” olarak isimlendirilen sistemlerindeki değişiklikler bu frekans değerini değiştirebilir.
Aşağıdaki grafiklerde hem kabin içi hem de kabin dışında ölçülen manyetik indüksiyonun etkisinin mesafeye bağlı değişimi gösterilmektedir.
Almanya ve Japonya Metodu
Dünya üzerinde farklı ülkelerin farklı maglev sistemleri vardır. İki farklı model sunması açısından Almanya’nın ve Japonya’nın sistemlerini karşılaştırabiliriz.
Almanlar kendi sistemlerini “Transrapid” olarak adlandırır.
Projenin son versiyonu olan “Transrapid 09”, 500 km / s 'lik bir seyir hızı için tasarlanmıştır. İlk ticari uygulaması 2002 yılında Şangay’da 30.5 km’lik kısa menzilde yapılmıştır.
Japonların sistemi olan “SC-Maglev” Japonya’da Merkez Japonya Demiryolu Şirketi(JR-Merkez) tarafından geliştirilmektedir. Bu sistem 603 km/s seyir hızına ulaşarak yeni bir rekora imza atmıştır.
İki sistem arasındaki en önemli fark kullandıkları mıknatıs sistemlerindedir. Almanların Transrapid’ i normal iletken mıknatıs teknolojisiyle birlikte electro-magnetic suspension (EMS) sistemini kullanırken Japonların SC-Maglev’ i süper-iletken mıknatıs teknolojisiyle beraber elektro-dynamic suspension (EDS) sistemini kullanır.
EMS ile EDS Sistemlerinin Farkı Nedir?
EMS, normal mıknatısların kullanıldığı, elektrik akımının yalnızca güç uygulandığı zaman bobinlerden beslendiği bir sistemken; EDS, sürekli bir elektrik arzına ihtiyaç duyar. Bu sebeple EDS sistemindeki bobinlere soğutma sistemi kurularak elektrik tasarrufu sağlanır. EMS’deki stator ve mıknatıs parçaları arasındaki mesafenin sürekli kontrol altında tutulması gerekir. Ayrıca EMS’de ani durmayı önleyen özel piller takılıdır. Bu pillerle mıknatısları yeniden şarj ederek havada kalma işlemini uzun süre koruyabilir.
EDS sistemi EMS’ye göre daha sağlamdır. Çünkü mıknatıslar ve kanvas kısmı arasındaki az miktarda bir mesafe azalmasında bile, itme-çekme kuvvetleri devreye girerek durumu kurtarır. Bu teknoloji sayesinde kontrol için elektronik devre kullanımına gerek yoktur. EDS’nin dezavantajı ise yolcular için tasarlanan bölümde EMS’ye göre daha güçlü manyetik alan olmasıdır. Bu durum yolcuların sağlığı için sakıncalıdır ve bu yüzden yolcuların olduğu bölüme özel koruma sistemi kurulması gerekmektedir.
Fotoğrafta EMS ve EDS sisteminin basit modellemesi yer almaktadır
Gelecekte Bizleri Neler Bekliyor?
Maglev Trenleri Teknolojisi üzerine çalışmalar halihazırda devam etmektedir. Bu alanda henüz geliştirdiği çözümlerle diğerlerini domine etmiş bir ülke bulunmamaktadır. International Maglev Board(IMB) , çeşitli konferanslar düzenlemeye devam etmektedir.
Bu tarz konferanslar ve bu konu hakkındaki bilimsel çalışmalar incelendiğinde çeşitli alternatif çözüm fikirleri (aşağıdaki şekildeki gibi), çeşitli kurumlar ve akademisyenler tarafından ele alınmaktadır.
Bugüne kadar gerçekleştirilmiş bütün ilerlemeye rağmen maglev tren teknolojisinin geliştirilmesinin önünde hala çözümlenmemiş mühendislik sorunları yatmaktadır.Özellikle sorunlara uygun yeni malzemeler ve sistemler geliştirilmesi konusunda mühendislere büyük pay düşmektedir.
Malzeme biliminin sunduğu yeniliklerden yararlanarak projelerin maliyet sorunları, ve uygulama riskleri alternatif yöntemler yaratılarak çözüme kavuşturulabilir.Ülkeler arası karşılıklı iş birliği programları ve ar-ge’ ye yönelik yeterli fonlama ile bu teknoloji ileri bir seviyeye evirilebilir.Böylece gelecekte temiz, uygun ve hızlı olan bu ulaşım sistemi ile şehirler arası, ülkeler arası ve hatta kıtalar arası ulaşımda bir devrim görebiliriz.
Utku Yazıcı
Kaynakça:
[https://tr.wikipedia.org/wiki/Manyetik_levitasyon]
[( https://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/levitasyon-nedir-ve-nasil-yapilir/16755#ad-image-0]
[https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/yeni-nesil-tip-teknolojileri-manyetik-levitasyon]
[https://www.gercekbilim.com/manyetik-levitasyon-tren/]
[https://www.anadoluraylisistemler.org/content/upload/document-files/maglev-20180427095022.pdf]
[Electromagnetic Fields of High-Speed Transportation Systems Maglev Technologies in Comparison with Steel-Wheel-Rail 2018 germany]
[https://www.maglevboard.net]
[MAGLEV_2016_Maglev_Solutions_for_People_Cities_and_Regions_Technological_research_and_development_Volume_1_of_2]