Łódź: Studenci zaprojektowali kapsułę o prędkości dźwięku

– Koncepcja powstała w głowie Elona Muska, założyciela SpaceX i Tesla Motors. Inspiracją były plany stworzenia szybkiego połączenia między San Francisco i Los Angeles – mówi odpowiedzialny w zespole za PR Amadeusz Bathelt. Pierwszy artykuł opisujący pomysł został opublikowany w 2013 r. – Musk rozczarował się zaproponowanymi przez państwo dużymi kosztami budowy kolei między San Francisco i Los Angeles, zaproponował więc alternatywny środek transportu. W jego ocenie koszty budowy systemu Hyperloop byłyby niższe od kolei, choć bywało to kwestionowane – dodaje członek ekipy projektowej Mateusz Stajuda.

Główna innowacja to poruszanie się opływowej kapsuły w specjalnej „tubie”, w której ciśnienie powietrza byłoby sztucznie obniżone. Chodzi o zmniejszenie oporu powietrza. Kapsuła będzie lewitowała nad podłożem, co wraz z opływowym kształtem umożliwi pobieranie mniejszej ilości energii podczas ruchu. – Energia przeznaczona do wypompowywania powietrza będzie pochodziła z umieszczonych na górze paneli solarnych (z wyjątkiem odcinków, na których tor będzie musiał zostać poprowadzony w tunelu, czyli tam, gdzie nachylenie terenu przekroczy 5%). Jeśli zostanie on wybudowany, prawdopodobnie będzie poprowadzony wzdłuż jednej z autostrad – kontynuuje A. Bathelt.

Różne koncepcje lewitacji wykorzystują aerodynamikę (jak w pierwotnym projekcie Muska) lub system silników magnetycznych. – Wybraliśmy ten drugi sposób, ponieważ lewitacja magnetyczna ma znacznie większy potencjał i jest bardziej efektywna, jeśli chodzi o koszt – uzasadnia M. Stajuda. Lewitacja magnetyczna jest ponadto lepiej sterowalna, umożliwia więc zachowanie większej dokładności, niezbędnej przy małych prześwitach. Pozwala na to możliwość kontrolowania prądu płynącego do elektromagnesów. Dzięki temu można z większą pewnością stwierdzić, że kapsuła nie obetrze się o tor, a to najważniejsze, jeśli chodzi o kwestie bezpieczeństwa. Elektromagnesy będą odgrywały główną rolę także przy zatrzymywaniu pojazdu. Odpowiedni kąt wychylenia magnesów wygeneruje siłę, która zatrzyma kapsułę. Podczas normalnej eksploatacji pojazd będzie rozpędzany za pomocą elektromagnetycznych silników liniowych, rozmieszczonych w wyznaczonych miejscach w tunelu.

Sam system lewitacji magnetycznej został opracowany przez firmę Arx Pax. Specjalnie zaprojektowane silniki magnetyczne wywołują wirowe prądy w podłożu, które musi być odpowiednio przewodzące, ale nie musi być zbudowane z materiału magnetycznego ani przewodzić prądu, co pozwala znacznie obniżyć koszty w stosunku do np. kolei magnetycznej. – Producent napędów (są one opatentowane, więc dysponuje nimi tylko on) sugeruje, by były to trzy warstwy metalu (miedź między dwiema warstwami aluminium) – uzupełnia A. Bathelt. Ich grubości powinny różnić się w zależności od masy kapsuły i mocy silnika. Może być to także pojedyncza warstwa aluminium, jednak o większej grubości.

– Podczas postoju, podobnie jak przy przejazdach technicznych, kapsuła będzie opierała się na własnych kołach, nie będzie to jednak główny sposób jej poruszania się – dodaje Wojciech Kuberski z sekcji technicznej.


  fot. http://hyperlooptech.com

Źródłem prądu będą baterie wyprodukowane przez firmę Tesla. – Należy tak dobrać ich liczbę i parametry, aby zmieściły się w kapsule, a jednocześnie pozwalały przejechać cały tor. Dodajmy, że powstały już silniki do prototypu pojazdu w skali 1:12 – kontynuuje A. Bathelt. Prototyp w skali 1:2 będzie z kolei mógł być testowany w czerwcu przez zwycięzców obecnego etapu konkursu.

Aby dodatkowo zmniejszyć opór powietrza, zastosowano kompresor, który poprzez sprężanie zasysa powietrze sprzed kapsuły i przepompowuje za kapsułę. – Dzięki temu unikamy „efektu strzykawki” - kapsuła nie działa jak tłok i nie pcha powietrza w tunelu przed sobą. To pomysł inżynierów Tesli, my tylko próbujemy go zoptymalizować – informuje W. Kuberski.

Docelowa prędkość eksploatacyjna będzie równa prędkości dźwięku. – Po jej przekroczeniu mielibyśmy do czynienia z bardzo niekorzystnymi zjawiskami aerodynamicznymi, między innymi z falą uderzeniową – argumentuje M. Stajuda. Prędkość maksymalna nie będzie rozwijana na całej trasie: w niektórych miejscach będą musiały znaleźć się dość wąskie zakręty, co wymusi zwolnienie. Przy dużych prędkościach wywołałoby to mocne przeciążenia oraz siły odśrodkowe i nie pozwoliło na komfortowe podróżowanie. Duża część toru będzie jednak pozwalała na poruszanie się z prędkością okołodźwiękową. Nie ma jeszcze dokładnych szacunków skali zużycia energii, jednak – według przewidywań pomysłodawców systemu Hyperloop oraz łódzkiego zespołu – ze względu na zredukowane opory powietrza i siłę tarcia powinien być to bardzo energooszczędny środek transportu.

Niewątpliwą innowacją będzie także sposób urządzenia przestrzeni pasażerskiej. Znajdą się w niej miejsca dla 28 osób. Ze względów bezpieczeństwa podróżni będą musieli siedzieć przez cały czas podróży. Nie będzie to jednak zbyt długi czas – wspomnianą trasę między San Francisco a Los Angeles kapsuła pokonałaby w ok. pół godziny. Pasażerowie będą mieli do dyspozycji nie tylko klasyczne ekrany multimedialne – ekranami będą także ściany boczne, na których, aby zapobiec uczuciu klaustrofobii, będzie wyświetlany mniej więcej w czasie rzeczywistym krajobraz na zewnątrz tuby. – Trasa ta powinna zostać wcześniej nagrana, np. przy pomocy drona. Poza tym chcemy, by wnętrze było możliwie podobne do samolotu. Pozwoli to zminimalizować lęk podróżnych przed czymś, czego nie znają, dać im poczucie bezpieczeństwa i przekonać do podróży – mówi A. Bathelt.

System przeciwpożarowy na pokładzie będzie przypominał ten znany z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Będzie on gasił pożary przy pomocy deszczu azotu, odbierając mu tlen. – Poza tym chcemy ograniczyć ryzyko powstania pożaru w przestrzeni pasażerskiej do minimum poprzez zakaz zabierania na pokład materiałów łatwopalnych – dodaje W. Kuberski. Natomiast w sekcji baterii, narażonej na pożary z powodu generowanego ciepła, młodzi konstruktorzy przewidzieli użycie systemu zaproponowanego przez Teslę – ognioszczelnych przegród, które zapobiegną zapaleniu się ognia dalszych ogniw, jeśli jedno z nich ulegnie zapłonowi. Dodatkowo zakłada się istnienie systemu obniżania ciśnienia w komory baterii, co przy bardzo niskich ciśnieniach panujących w tunelu ma umożliwić zgaszenie pożaru w zarodku.

Zawody są organizowane przez Elona Muska. Jedenastoosobowy (projekt przygotowały dwie studentki i dziewięciu studentów) HyperLodz Team jest jedyną drużyną z Polski, która dostała się do finałów. Pozostałe zespoły reprezentują inne państwa Europy, Afrykę i USA. – Stwierdziliśmy, że warto zaryzykować. Jesteśmy ambitnymi studentami, mamy otwarte głowy, dlatego uznaliśmy, że konkurs organizowany przez wizjonera jest czymś idealnie dla nas – tłumaczą swoją motywację członkowie łódzkiej ekipy. Jak wspomina A. Bathelt, dla przygotowania projektu musieli poświęcić głównie czas, którego mieli niewiele: dopiero pod koniec listopada dowiedzieli się o awansie do finału. – W kwestiach technicznych mogliśmy liczyć na wsparcie Instytutu Maszyn Przepływowych, a w promocji projektu wsparły nas władze uczelni. Natomiast głównym źródłem finansowania są wpłaty od użytkowników portalu PolakPotrafi. W ten sposób zebraliśmy ok. 80% wszystkich środków – informuje.

Konkurs odbędzie się w dniach 29-30 stycznia na Uniwersytecie Technicznym A&T między Austin a Houston w stanie Teksas. Pierwszy etap polegał na wysłaniu koncepcji pierwotnej i zaprezentowania jej w postaci 30 slajdów. – Przedstawimy koncepcję oraz stworzoną przez siebie makietę. Etap, w którym będą prezentowane prototypy, odbędzie się w czerwcu, lecz nie jesteśmy pewni, czy weźmiemy w nim udział – zarówno ze względów finansowych, jak i logistycznych – deklaruje A. Bathelt.

Czy doczekamy dnia, w którym podobne kapsuły uzyskają status taki, jak dziś np. pociągi dużych prędkości lub samoloty? W ocenie projektantów Hyperloop jako środek transportu ma sens ekonomiczny przy odpowiednio dużej liczbie chętnych pasażerów – a więc tylko pomiędzy wielkimi metropoliami. – A o to łatwiej w USA czy Chinach, niż w Europie, gdzie musiałoby to być połączenie między stolicami państw. Innym utrudnieniem w przypadku Starego Kontynentu byłoby ukształtowanie terenu. Zanim pierwsze komercyjne linie będą mogły zostać uruchomione, będzie musiało minąć wiele lat – przewiduje W. Kuberski. Należy zwrócić uwagę, że zarówno kapsuła, jak i tunel będą bardzo zaawansowanymi konstrukcjami. Do tego dochodzą kwestie polityczne, związane z zapewnieniem finansowania.