Trong bài viết lần trước về chủ đề đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ với các bạn bài viết về quá trình phát triển của hệ thống tàu tốc độ cao tại Nhật Bản, hay còn được gọi là hệ thống tàu Shinkansen. Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Railways Explained, video giúp khám phá về một trong những công nghệ đột phá nhất trong lĩnh vực tàu tốc độ cao: Công nghệ đường sắt đệm từ.

Công nghệ đường sắt đệm từ tại Nhật Bản
Ẩn sâu trong một con đèo giữa núi ở Nhật Bản là một trong những công nghệ hiếm nhất thế giới: tuyến đường sắt đệm từ (Maglev Railway) (1) dài 43 km. Tuyến này sẽ trở thành một phần của hệ thống tàu đệm từ liên thành phố đầu tiên trên thế giới, nối Tokyo với Osaka. Nhờ sử dụng nam châm siêu dẫn, đoàn tàu sẽ lơ lửng cách đường ray khoảng 10 cm và có thể đạt tốc độ đáng kinh ngạc lên đến 500 km/h. Do không tiếp xúc vật lý với đường ray, hệ thống có thể hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết và cần ít bảo dưỡng hơn nhờ giảm ma sát và số lượng bộ phận chuyển động.
(1) Tuyến đường sắt đệm từ: là hệ thống giao thông sử dụng lực từ trường để nâng và đẩy tàu di chuyển mà không cần tiếp xúc với đường ray. Thay vì di chuyển trên bánh xe, tàu được từ trường nâng lơ lửng vài cm trên ray, giúp loại bỏ ma sát cơ học, đạt tốc độ rất cao (trên 500 km/h), vận hành êm ái, ít tiếng ồn và bảo trì thấp.

Dù có nhiều ưu điểm, công nghệ Maglev (viết tắt của Magnetic Levitation) (2) vẫn cực kỳ hiếm. Hiện tại, chỉ có một tuyến đường sắt đệm từ thương mại duy nhất trên thế giới, dài 30 km, kết nối sân bay Thượng Hải với trung tâm thành phố, chỉ mất tám phút di chuyển. Tuy nhiên, độ dài 8km là quá ngắn khiến tàu không thể duy trì tốc độ tối đa, với tốc độ trung bình (tám phút di chuyển trên đoạn đường dài 30 km) chỉ khoảng 225 km/h, tức thấp hơn nhiều so với tốc độ của tàu tốc độ cao thông thường. Trong khi đó, thế giới đã có hơn 60.000 km đường sắt tốc độ cao và thêm 50.000 km đang xây dựng. Tại sao lại có sự chênh lệch lớn như vậy?
(2) Công nghệ Maglev: công nghệ sử dụng từ trường để nâng và đẩy tàu di chuyển mà không cần tiếp xúc với đường ray.

Công nghệ EMS và EDS
Để hiểu rõ hơn về công nghệ Maglev, cần xem xét cách hoạt động của tàu đệm từ. Có hai phương pháp chính để tạo lực nâng: 
– Treo điện từ (Electromagnetic Suspension – EMS)
– Đệm từ động lực (Electrodynamic Suspension – EDS)

Treo điện từ là công nghệ nâng tàu bằng lực hút giữa nam châm điện trên tàu và đường ray, giúp tàu lơ lửng cách ray vài milimet. Cảm biến và bộ điều khiển liên tục điều chỉnh dòng điện để giữ ổn định độ cao. Hệ thống này vận hành êm, thích hợp cho tốc độ trung bình (dưới 500 km/h), nhưng cần điều khiển chính xác và tiêu thụ điện năng liên tục. Đây là công nghệ được dùng cho tuyến Thượng Hải.

Đệm từ động lực là công nghệ sử dụng lực đẩy cảm ứng từ giữa nam châm siêu dẫn trên tàu và cuộn dây trên ray, tạo lực nâng ổn định tự nhiên khi tàu di chuyển. Khoảng cách nâng lớn hơn lên đến 10 – 15 cm, hoạt động ổn định ở tốc độ cao trên 500 km/h, và không cần điều khiển liên tục. Tuy nhiên, tàu phải đạt tốc độ nhất định mới có thể tự nâng và cần hệ thống làm lạnh cho nam châm siêu dẫn, vì hiện tượng siêu dẫn chỉ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cực thấp. Đây là công nghệ được Nhật Bản sử dụng cho các tuyến đường sắt đệm từ tại quốc gia này.

Tuy nhiên, phương pháp EDS chỉ hoạt động khi tàu đạt tốc độ nhất định. Lúc đứng yên, tàu sử dụng bánh xe để di chuyển và các bánh này sẽ được thu vào khi đạt trên 100 km/h. Hệ thống đệm từ siêu dẫn của Nhật có tên là SCmaglev, sử dụng cuộn dây niobi–titan được làm lạnh dưới nhiệt độ tới hạn bằng heli và nitơ lỏng, duy trì bằng máy làm lạnh xung âm (Pulse Tube Refrigerator), công nghệ tương tự được dùng trong kính viễn vọng James Webb. Thiết bị này khai thác sóng âm để di chuyển nhiệt, giúp làm lạnh liên tục cho cuộn dây siêu dẫn.

SCmaglev – hệ thống đệm từ siêu dẫn của Nhật Bản
Mỗi toa tàu có tám cuộn siêu dẫn (bốn ở mỗi bên). Do cường độ từ trường rất lớn có thể ảnh hưởng tới hành khách, kỹ sư đã phát triển lá chắn từ bằng thép điện chứa 3% silic, được xử lý sao cho hạt tinh thể định hướng theo một chiều nhất định, cho phép điều hướng từ thông chính xác. Cách sắp xếp cực từ đối xứng tạo nên một “bong bóng từ yếu” bên trong khoang hành khách, giảm cường độ từ xuống chỉ 0,5 mT, xấp xỉ từ trường Trái Đất. Ở gần cuộn nam châm, từ trường vẫn mạnh nên các phần đường ray phải làm từ vật liệu phi từ tính như composite gia cường sợi.

Động lực đẩy được tạo ra bằng động cơ tuyến tính (3), tức là “mở phẳng” một động cơ điện thông thường: các cuộn dây luân phiên hút và đẩy tàu tiến lên chính xác theo chu kỳ. Cơ chế này cũng hoạt động ngược để hãm tốc (phanh tái sinh). Do EDS không hiệu quả ở tốc độ thấp, tàu vẫn có phanh bánh xe và phanh gió hỗ trợ. Năng lượng được cung cấp không dây thông qua cảm ứng điện từ từ các cuộn dẫn dọc tuyến, loại bỏ nhu cầu dùng thanh dẫn điện ma sát.
(3) Động cơ tuyến tính: động cơ điện được thiết kế như “động cơ điện phẳng”, trong đó stator và rotor được trải dài thành một đường thẳng. Thay vì tạo chuyển động quay như động cơ thông thường, nó tạo ra chuyển động thẳng trực tiếp bằng cách dùng từ trường luân phiên hút và đẩy, giúp tàu di chuyển dọc theo đường ray mà không cần bánh xe.

Tầm nhìn của Nhật Bản với tuyến Chuo Shinkansen
Giai đoạn đầu của tuyến Chuo Shinkansen, tuyến đường sắt đệm từ dài 285 km nối Tokyo và Nagoya, sau đó kéo dài đến Osaka vào cuối thập niên 2030. Nhật Bản đã theo đuổi công nghệ Maglev từ thập niên 1970, ngay sau khi ra mắt Shinkansen. Hàng chục năm thử nghiệm tại Miyazaki và Yamanashi đã tạo nên đoàn tàu 12 toa chở 700 hành khách, với tốc độ đạt đạt 500 km/h.

Tuy nhiên, phát triển Maglev là bài toán kinh tế không kém phần kỹ thuật. Trong khi đường sắt tốc độ cao truyền thống như TGV của Pháp chỉ tốn khoảng 2 triệu USD/km, tuyến Maglev Nhật Bản tiêu tốn lên tới 77 triệu USD/km, đắt hơn từ 10 đến 50 lần. Riêng tuyến Tokyo – Nagoya có tổng vốn khoảng 13,7 tỷ USD, với 86% chiều dài đi qua đường hầm, khiến chi phí xây dựng và vận hành đội lên đáng kể. Khi tàu chạy trong hầm kín ở 500 km/h, không khí bị nén lại, tạo thêm lực cản và tiêu tốn năng lượng cao hơn 30% so với hệ thống Shinkansen hiện nay, dù vẫn tiết kiệm hơn nhiều so với máy bay.

Vì thế, trong tương lai gần, công nghệ Maglev có thể chỉ phù hợp cho một số dự án đặc biệt. Mặc dù sở hữu tốc độ và độ tinh vi vượt trội, chi phí khổng lồ khiến lợi ích thời gian tiết kiệm được không đủ bù đắp. Dẫu vậy, Nhật Bản vẫn kiên định với tầm nhìn tiên phong, thể hiện năng lực kỹ thuật xuất sắc và khát vọng xây dựng tương lai giao thông bền vững, siêu tốc độ.

Để xem các tin bài khác về “Tàu tốc độ cao”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained