I. Giới thiệu

àu đệm từ (tiếng Anh: Magnetic levitation transport, hay maglev) là một phương tiện chuyên chở được nâng lên, dẫn lái và đẩy tới bởi lực từ hoặc lực điện từ. Phương pháp này có thể nhanh và tiện nghi hơn các loại phương tiện công cộng sử dụng bánh xe, do giảm ma sát và loại bỏ các cấu trúc cơ khí. Tàu đệm từ có thể đạt đến tốc độ ngang với máy bay sử dụng động cơ cánh quạt hay phản lực; tức là tới khoảng 500 đến 580 km/h. Tàu đệm từ đã được sử dụng trong thương mại từ 1984. Tuy nhiên, các giới hạn về khoa học và kinh tế đã cản trở sự phát triển của kỹ thuật mới này.

Kỹ thuật nâng bằng lực từ không có gì trùng lặp với kỹ thuật tàu sử dụng bánh xe và do vậy không tương thích với đường ray xe lửa truyền thống. Do không sử dụng chung các cơ sở hạ tầng đang hiện có, tàu đệm từ phải được thiết kế với một hệ thống giao thông hoàn toàn mới. Thuật ngữ "tàu đệm từ" không chỉ đơn thuần chỉ đến phương tiện chuyên chở mà còn bao gồm cả sự tương tác giữa tàu và đường ray; mỗi cái được thiết kế đặc biệt tương thích lẫn nhau để tạo ra lực nâng và điều khiển chính xác việc nâng lên và đẩy tới bằng lực điện từ.

Bởi vì không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma sát giữa con tàu và không khí. Do đó, tàu đệm từ có khả năng di chuyển với vận tốc rất cao, tiêu tốn ít năng lượng và có thể gây ra ít tiếng ồn. Các hệ thống đã được đề nghị có thể hoạt động với vận tốc lên đến 650 km/h, nhanh hơn nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống. Tốc độ rất cao của tàu đệm từ làm chúng có thể cạnh tranh với các đường bay dưới 1.000 kilômét. Ứng dụng thương mại đầu tiên trên thế giới của tàu đệm từ cao tốc là tuyến thử nghiệm ở Thượng Hải (IOS, initial operating segment) vận chuyển hành khách trên quãng đường dài 30 km từ thành phố đến sân bay chỉ trong 7 phút 20 giây (tốc độ cao nhất là 431 km/h, tốc độ trung bình 250 km/h). Các dự án tàu đệm từ khác trên thế giới đang được nghiên cứu về tính khả thi.

II. Tổng quan

Thuật ngữ “tàu đệm từ” không phải chỉ đề cập riêng đến loại phương tiện tàu mà nó là cả một hệ thống gồm tàu và đường ray có cấu tạo rất tốt với thiết kế bằng động cơ từ trường đẩy để nâng tàu lên. Kỹ thuật tàu nâng bằng lực từ không có gì trùng lặp với kỹ thuật tàu sử dụng bánh xe và do vậy không tương thích với đường ray xe lửa truyền thống.

Có hai loại công nghệ “tàu đệm từ” đang được chú ý đặc biệt hiện nay:

v EMS (Electromagnetic suspension): Nam châm điện được điều khiển bằng điện từ trong tàu để hút nó vào đường ray có từ tính (thường là thép).

v EDS (Electrodynamic suspension): Sử dụng nam châm siêu dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu mạnh để tạo ra một từ trường gây ra dòng điện trong dây dẫn kim loại gần đó, khi có sự chuyển động tương đối với việc đẩy và kéo tàu chạy cùng với việc bay lên dựa trên thiết kế của đường dẫn.

Một công nghệ thử nghiệm đã được thiết kế, chứng minh về mặt toán học, xem xét kĩ lưỡng và cấp bằng sáng chế, nhưng chưa được xây dựng, đó là công nghệ giảm xóc nhờ lực từ MDS (Magnetodynamic suspension), trong đó sử dụng lực hút từ tính của một hệ thống nam châm vĩnh cửu lắp đặt cạnh đường ray bằng thép để nâng tàu lên và giữ nó tại chỗ. Các công nghệ khác như nam châm vĩnh cửu có tính đẩy và nam châm siêu dẫn cũng đã được nghiên cứu.

III. Đường ray tàu đệm từ (Track Maglev) và nguyên lý hoạt động

Các cuộn dây từ hóa chạy dọc theo đường ray, được gọi là một đường dẫn, đẩy lùi các nam châm lớn trên bánh đáp của tàu, cho phép tàu bay lên từ 0,39 đến 3,93 inch (từ 1 đến 10 cm) trên đường dẫn. Khi tàu bay lên, năng lượng được cung cấp cho các cuộn dây trong các đường dẫn để tạo ra một hệ thống duy nhất của từ trường kéo và đẩy tàu dọc theo đường dẫn. Dòng điện cung cấp cho các cuộn dây trong các đường dẫn liên tục luân phiên thay đổi cực của các cuộn dây từ hóa. Sự thay đổi cực này gây ra từ trường ở phía trước con tàu để kéo tàu về phía trước, trong khi từ trường phía sau tàu tăng thêm lực đẩy về phía trước cho tàu.

Tàu đệm từ là loại tàu di chuyển trên không khí, do đó, nó giảm được lực ma sát rất nhiều so với các con tàu bình thường, lực ma sát chủ yếu ở đây là lực ma sát không khí. Với thiết kế khí động lực để giảm ma sát không khí, con tàu có thể đạt tốc độ hơn 310 mph (500 km/h), gấp hai lần con tàu siêu tốc nhanh nhất hiện nay là Amtrak, hay là một chiếc Boeing – 777 sử dụng cho các chuyến bay xa với tốc độ 562 mph (905 km/h). Với tốc độ 310 mph thì bạn có thể đi từ Paris đến Rome chỉ mất khoảng 2 giờ đồng hồ.

Đức và Nhật Bản là hai quốc gia đang chạy thử nghiệm loại tàu đệm từ này. Mặc dù dựa trên những tính chất tương tự nhưng hai loại tàu của hai quốc gia là có sự khác biệt rõ rệt.

v Ở Đức, các kĩ sư thiết kế hệ thống EMS. Trong hệ thống này, dưới đáy tàu sẽ được quấn các vòng thép. Nam châm điện sẽ hút trực tiếp các bánh đáp của con tàu làm cho con tàu chuyển động về phía trước đường dẫn, nó làm cho con tàu bay lên với khoảng cách 1/3 inch (1 cm) và giữ con tàu bay lên ngay cả khi nó dừng chuyển động. Một nam châm khác sẽ đặt trong con tàu để giữ nó ổn định trong suốt quá trình chuyển động. Đức đã khẳng định con tàu đệm từ Transrapid của họ có thể đạt tới 300 mph khi có người trên tàu.

v Trong khi đó, các kĩ sư Nhật Bản đang phát triển hệ thống EDS. Sự khác nhau cơ bản của Nhật Bản so với Đức chính là họ sử dụng hệ thống làm mát bằng vật liệu siêu dẫn. Loại nam châm điện có thể cung cấp điện ngay cả khi nguồn điện đã tắt. Trong hệ thống EMS của Đức, sử dụng các nam châm điện tiêu chuẩn, các cuộn dây chỉ có thể dẫn điện khi nguồn điện cung cấp dòng điện chạy qua. Bằng cách làm lạnh hệ thống ở nhiệt độ siêu dẫn, hệ thống của Nhật Bản sẽ rất tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, chi phí của nó thì lại không rẻ một chút nào. Một sự khác biệt nữa đó là hệ thống tàu đệm từ của Nhật Bản có thể bay lên gần 4 inch (10 cm) trên đường dẫn. Tuy nhiên, một trở ngại với hệ thống EDS là con tàu phải được cuộn trên các lốp cao su cho đến khi tốc độ cất cánh là 62 mph (100 km/h). Các kĩ sư Nhật Bản nói rằng các bánh xe là một ưu điểm nếu xảy ra hiện tượng mất điện cho toàn bộ hệ thống, trong khi đó tàu Transrapid của Đức được trang bị với một pin điện trong các trường hợp khẩn cấp. Ngoài ra, các hành khách sẽ có một thiết bị bảo vệ tránh tác hại của các từ trường do nam châm điện siêu dẫn gây ra.

Nam châm vĩnh cửu trước đó đã không được sử dụng bởi vì các nhà khoa học nghĩ rằng chúng sẽ không tạo ra đủ lực từ để nâng. Tuy nhiên, thiết kế Inductrack đã làm thay đổi bằng cách sắp xếp các nam châm trong một mảng Halbach. Các nam châm được định hình sao cho các cường độ của từ trường tập trung ở trên mảng thay vì ở dưới. Chúng được làm từ một loại vật liệu mới bao gồm một hợp kim Nd – Fe – Bo tạo ra một loại có từ tính cao hơn. Inductrack II thiết kế kết hợp hai mảng Halbach để tạo ra một từ trường mạnh hơn với tốc độ chậm.

IV. Nhận xét

Tóm lại, tàu được nâng lên và được đẩy về phía trước, khi đó các thanh nam châm của tàu và đường lại khác cực, nếu tiếp tục như vậy thì tàu sẽ bị hút xuống , không chuyển động được. Như lúc đầu đã nói, tàu được gắn các thanh nam châm điện, nên khi đó dòng điện sẽ đổi cực để các thanh nam châm trên tàu đổi cực theo, lại cùng cực với thanh nam châm của đường ray và được nâng lên, đẩy tới . Quá trình được thực hiện liên tục và rất nhanh nên tàu chạy rất êm và nhanh .

Tàu chạy bằng đệm từ là một phương tiện rất hữu ích trong tương lai, nó có thể chạy với tốc độ ngang bằng tốc độ máy bay, giảm được thiệt hại do ma sát trượt gây ra trên đường ray, ngoài ra còn tránh gây ô nhiễm tiếng ồn cho môi trường xung quanh, tiết kiệm năng lượng khá nhiều, chỉ bằng khoảng 50% năng lượng của máy bay hiện nay. Tuy nhiên, dự án mới chỉ mang tính thử nghiệm ở một số nước và độ an toàn chưa được đảm bảo chắc chắn, cho nên vẫn cần mất thêm thời gian để tính khả thi cao hơn. Chi phí làm ra con tàu và hệ thống đường ray cũng khá tốn kém, không phải nước nào cũng có điều kiện phát triển. Hi vọng trong tương lai gần, hệ thống tàu đệm từ sẽ xuất hiện trên thế giới nhiều hơn và trong đó có Việt Nam.