Yeraltından uzaya, Hyperloop'un geçmişi ve şimdiki yaşamları
Görüntü kaynağı @Visual China
Wen | Liu Wenyuan
2013 yılında, "Demir Adam" Elon Musk'un çağrısı altında, Hyperloop (bir vakum borusu içinde çalışan bir ulaşım aracı) kavramı yaygın olarak bilinir hale geldi ve son yıllarda birçok ülkede hızla bilimsel araştırma ve sosyal tartışmalar için sıcak bir nokta haline geldi. Ama aslında, benzer fikirler iki yüz yıl kadar erken bir zamanda önerildi.
Bu makale, vakumlu boru hattı taşımacılığının evrim tarihini kısaca gözden geçirecek ve süper yüksek hızlı demiryolunun geçmişi ve bugünü hakkında bir fikir verecektir.
01 Basınç farkı güçtür
Vakum teknolojisinin başlangıcı, 1643'teki Torri Chali deneyinin tarihinde kesin bir kayıt var: Kapalı uzun bir tüpü cıva ile doldurun ve atmosfer ile vakum arasındaki basınç farkının olabileceğini bulmak için bir cıva tankında ters çevirin. 760 mm cıva sütununu kaldırın. Vakum teknolojisi uygulamasının ilk örneği, 1654'teki Magdeburg yarımküre deneyiydi: iki yarım küre, 119 cm çapında bir küre halinde birleştirildi ve iç gaz bir vakum pompası ile boşaltıldı ve ardından her iki tarafta 8 at kullanıldı. Uzaklaş.
Magdeburg Yarımküre Deneyi
Bu iki iyi bilinen deneyin hem atmosfer ile vakum arasında çok büyük bir basınç farkı prensibini kullandığı hem de bu basınç farkının mekanik kuvvet oluşturabileceğinin kanıtı olduğu söylenebilir. Sonraki nesiller de malların taşınması için ilham aldı.
1799'da, George Medhurst adlı bir İngiliz makine mühendisi ve mucit, basınçlı hava ile çalışan bir üfleyici pompa için patent başvurusunda bulundu. Ertesi yıl, arabaları sürmek için basınçlı hava kullanan "rüzgarla çalışan" bir motor için patent başvurusunda bulundu.Aynı zamanda, rüzgarla çalışan bir araba servis planı önerdi ve gücü sürekli olarak desteklemek için sürüş rotasında pompa istasyonları kurmayı önerdi. Elektrikli arabalar ve şarj yığınları arasındaki ilişkiye benzer.
Atmosferik demiryolu
Atmosferik demiryolu
Medhurst, önceki fikirlere dayanarak 1810'da bir vakumlu posta hattı fikrini önerdi ve bir boru hattındaki mektupları ve malları aktarmak için hava basıncını kullanmanın bu yönteminin, onu kapıdan kapıya teslim eden bir postacıdan daha hızlı ve daha verimli olduğuna inanıyordu. Dahası, trenleri taşımak için daha büyük boru hatları kullanma olasılığını hayal etmeye başladı.
1812'de ilk kez atmosferik demiryolları üzerine bir teorik hesaplama makalesi yayınladı; bu makale, bir basınç farkı ile malları ve yolcuları hızlı bir şekilde taşımak için rayların üzerine birkaç metre çapında bir boru kurmanın fizibilitesini, etkisini ve avantajlarını ortaya koydu. Ek olarak, rayların altına uzun bir boru döşemek olan başka bir atmosferik demiryolu şekli tasarladı.Boruda, trene bağlı cihazlar var Cihazlar, hava basıncı farkının sürüşü altında hareket ederek treni ve trenin güç kaynağını hareket ettiriyor. Arabanın önü değil, arabanın altındaki boru.
Eylül 1827'de, ölümünden kısa bir süre önce, bu yöntemin atlar veya diğer hayvanlar güç sağlamadan bile saatte 96 kilometre hıza ulaşabileceğine inanarak, pnömatik iticiyi çok öven "Yeni İç Nakliye Sistemi" kitabını yayınladı.
Atmosferik demiryolları, aracın ön tarafını güç olarak kullanmak yerine araç gövdesini ray boyunca hareket ettirmek için hava basıncını kullanır.
Ancak bunun gibi nedenlerden dolayı Taiyang Demiryolu başarılı bir şekilde uygulanamadı ve bu fikir yavaş yavaş rafa kaldırıldı. 2018 yılına kadar 89 yaşındaki Amerikalı bir mühendis Max Schrieger bunu gerçeğe dönüştürdü: Bağında, raylar arasına 30 cm çapında polivinil klorür boru ile bir parkur kurdu. Borudan hava çıkarmak veya boruya hava enjekte etmek için bir pompa bağlayın.
Max Schrieger'in atmosferik demiryolu
Hava basıncı farkının etkisi altında, boru hattındaki "itme arabası" kendisine mıknatısla bağlanan treni hareket ettirir. Standart bir demiryolu sisteminin yalnızca altıda biri büyüklüğünde olan bu modelin işleyişinin sonuçları, geleneksel trenlerin geçemediği dik yokuşları kolaylıkla aşabildiğini ve daha düşük çalışma gürültüsüne sahip olduğunu göstermektedir.Yenilenebilir enerji ile iletim hatları gerektirmez ve pompalar çalıştırılabilir.
Max Schrieger atmosferik demiryolu modelini gösterdi: borunun bir ucunda içeriye hava üfleyin ve trenin modeli hava basıncıyla çalıştırılacaktır.
2. Eski teoriden bilim kurguya, yeni teoriye
Medhurst'ün ölümünden bir yüzyıldan fazla bir süre sonra, vakumlu boru hattı taşımacılığının teorik araştırması giderek derinleşti ve gelişti. Dahası, bu ulaşım şekli yeni ortaya çıkan bilim kurgu literatüründe de parlıyor. Bu çalışmalardaki varsayımlar ileri düzeyde görünüyor, ancak aslında zaman çizelgesine bakılırsa, bilim adamlarının teorik araştırmalarının gerisinde kalıyorlar ve hepsinin kendi teorik prototipleri var.
1888'de Jules Vernein oğlu Michel Verne atmosferik demiryolundan ilham aldı ve süper kısa bir hikaye "Future Express" yayınladı. Roman, Atlantik Okyanusu'nun dibine, 4800 kilometre uzunluğunda, 1.5 metre çapında ve 13 milyon tondan fazla ağırlığa sahip olan ve Avrupa ile Kuzey Amerika'yı birbirine bağlayan bir çelik boru hattı döşendiğini hayal ediyor. Boru hattı üç katmanlı bir demir ağ ile sarılır ve dış yüzey, deniz suyu faaliyetlerinden korumak için reçine ile kaplanır.
Güçlü hava darbesi altında boru hattındaki tren saatte 1.800 kilometre hıza, Boston'dan ise 2 saat kırk dakikada Liverpool'a ulaşabiliyor. Bu sistemin avantajları açıktır: boru hattının iç yüzeyi, yolcuların gerginliğini sınırlama etkisine sahip olan ince cilalıdır; farklı mevsimlere göre, hava akışı boru hattındaki sıcaklığı ayarlayabilir ve dengeleyebilir; yerçekimi ve kayıp sorunlarının yanı sıra, sistem İnşaat ve işletme maliyetleri düşük, bu nedenle ücretler inanılmaz derecede düşük.
Sanatçı A. J. Johnson'ın "Future Express" için yaptığı çizim
Bununla birlikte, atmosferik demiryollarının tekerlekler ve raylar arasındaki hava direncini ve sürtünmeyi aşması gerekir, bu nedenle teorik hız tavanı düşüktür. Ayrıca araç çok yüksek bir hıza ulaşabilse bile o zaman aerodinamik gürültü ve aerodinamik titreşim çok büyük olacak ve enerji tüketimi de büyük ölçüde artacaktır. Bu nedenle bilimin gelişmesiyle birlikte teorik araştırmalar yavaş yavaş sürtünme ve hava direncinden kurtulma yönünde ilerliyor.
1904 yılında modern roket teknolojisinin babası Robert H. Goddard, modern anlamda ilk vakumlu boru hattı taşıma sistemi olan vaktrain fikrini ortaya attı. O sırada Amerika Birleşik Devletleri'nde Worcester Polytechnic Institute'da birinci sınıf öğrencisiydi. Trenin, vakumu koruyan bir boru hattında kayacağını öngörmüştü Treni hızlandırmak ve yavaşlatmak ve manyetik olmayan yollarla sürtünmeyi önlemek için, püskürtme memeleri ile tekerlekler ve raylar gibi nispeten hareketli parçalar arasına sıvı basıncı uygulanmalıdır. Yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıktaki sıvı boşaltılır ve sıvı püskürtüldükten hemen sonra yüksek basınçlı buhar haline gelir, böylece araç gövdesini yolda askıya alır.
Aslında tren, yüksek basınçlı bir sıvı film üzerinde hareket ediyormuş gibi görülebilir. 1906'da Goddard, bu fikri kısa öyküsü "Yüksek Hızlı Gidiş-Dönüş" te mükemmelleştirdi. Üç yıl sonra, "Scientific American" "Hızlı Trafiğin Sınırları" başlığı altında çalışmanın bir özetini yayınladı.
Goddard vactrain patentinde şematik diyagram
Goddard'ın vizyonunun atmosferik demiryolundan süper yüksek hızlı demiryoluna geçiş olduğu söylenebilir. Atmosferik demiryolu ile karşılaştırıldığında, vaktrain boru hattı vakum durumundadır ve tren artık güç sağlamak için hava basıncı farkını kullanmamaktadır ve ilk defa, tren ile ray arasındaki sürtünmeyi önlemek için hava direncinin azaltılması düşünülmektedir. Süper yüksek hızlı demiryolu ile karşılaştırıldığında, vaktrain biçimi ona çok yakındır, ancak treni askıya alma ve seyahat etme araçları açısından, süper yüksek hızlı demiryolu çözümlerinin çoğu manyetik kaldırma teknolojisini kullanır ve vaktrain yüksek basınçlı gaz kullanır.
1955'te Polonyalı bilim kurgu ustası Stanislav Lem "The Magellan Nebula" yı yayınladı. Bu roman, 32. yüzyılın komünist ütopyasına dayanmaktadır.İnsanlar, tüm güneş sistemini kolonileştirmeyi tamamlamış ve yıldızlararası yolculuğa çıkmaktadır. Romanda Lyme, şeffaf bir vakum borusunda saatte 1.666 kilometreden fazla bir hızla gidebilen "Organowiec" adlı kıtalararası bir vakum trenini anlatıyor. Bu açıkça vactrain tarafından etkilenir.
"The Mercenary" in kapağı
1962'de Amerikalı bilim kurgu yazarı Mike Reynolds, "Analogy" üzerine kısa bir hikaye "The Mercenary" yayınladı ve bu da vakum boru hattı taşımacılığını çok önemli bir konuma getirdi.
Romanda barış sağlanmıştır.Dünya'nın yok olma ihtimalini önlemek için hükümet, savaşlarda sadece 20. yüzyıldan önce tasarlanmış silahların kullanılabileceğini ve halkı eğlendirmek için tüm savaşların televizyonda yayınlanmasını şart koşmaktadır. Büyük şirketler, ticari anlaşmazlıkları çözmek için paralı kuvvetleri kullanır. Ulaşım endüstrisinde, Continental Hovercraft Company tekel konumunda. Yeni ortaya çıkan vakumlu boru hattı taşımacılığı şirketi, nakliye maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir ve tüketicilere daha iyi hizmetler sunarak tekeli kırabilir, ancak önce ilkiyle savaşması gerekir.
Elbette romanda sadece silahlar değil, hatta ulaşım araçları bile 20. yüzyıldan önce var olan varsayımlardır. Hovercraft kavramı, İsveçli bilim adamı Emmanuel Swedenborg'un araçların yüzey etkilerini incelerken "havaya yükselme" teriminden bahsettiği 1716 yılına kadar izlenebilir. 19. yüzyılın başlarında, bazı insanlar basınçlı havayı bir geminin dibine itmenin yelken direncini azaltabileceğini ve hızı artırabileceğini fark etti. Vakumlu boru hattı taşımacılığı kavramı, Medhurst'un 1810'daki vakumlu posta hattı konseptine kadar izlenebilir. Bu nedenle, hem romanlarda hem de gerçek tarihte, vakumlu boru hattı taşımacılığı hovercraft'tan gerçekten daha yenidir.
Önceki araştırma esas olarak teorik hesaplamalarla sınırlıysa, 1970'lerde vakumlu boru hattı taşımacılığının hayranı olan Robert M. Salt pratik operasyonel konuları ele almaya başladı. O zamanlar, Amerika Birleşik Devletleri'nin kuzeydoğusundaki büyük şehirlerden geçerek ve 8 eyalette 9 istasyon kurarak, yüzlerce metre yerin altında sağlam bir kaya oluşumunda bir vakum boru hattı sistemi "Planetran" hayal etmişti.
O zamanlar, Japon Shinkansen yaklaşık 10 yıldır faaliyetteydi ve maglev trenleri üzerine araştırmalar da dünyanın çeşitli ülkelerinde tüm hızıyla devam ediyordu, ancak teknoloji sonuçta olgunlaşmamıştı. Bu nedenle, manyetik kaldırma teknolojisini kendi vizyonuna uygulamadı, ancak çelik lastik kullanmayı önerdi. Tren hızlanmak için elektromanyetik kuvvet kullanır ve yavaşlama, ilerideki ince havayı sıkıştırarak ve bitişik borudaki trenin hızlanmasıyla sağlanır. Atmosferik demiryolu ve sanal trenlerin füzyon versiyonu olarak görülebilir.
Bu sistemle ilgili en övgüye değer şey, inanılmaz enerji tasarrufu yetenekleridir. Bir "yüksek enerji koruma sistemi" olarak, tren yavaşladığında, enerjinin çoğu, bitişik boru hattındaki araçlar hızlandığında kullanılmak üzere sisteme geri dönecektir. Ek olarak, hava direnci, sıradan trenler sırasında toplam direncin% 70'inden fazlasını oluşturur ve vakum kanalının iç boşluğundaki hava direnci büyük ölçüde azalacak ve enerji tüketimi doğal olarak azalacak ve yolcu başına enerji maliyetini yetersiz hale getirecektir. 1 ABD doları ve tüm yolculuğun ortalama hızı, Amerika Birleşik Devletleri'nin doğu kıyısından batı kıyısına sadece 21 dakikada saatte 4.800 kilometreye ulaşabilir.
Salter, bu sistemin uçak ve kara araçlarının atmosfere verdiği zararı azaltmaya yardımcı olacağına ve çok büyük çevresel ve ekonomik faydalara sahip olduğuna inanıyor. Bu nedenle Planetran'ı Amerika Birleşik Devletleri için "mantıklı bir sonraki adım" olarak adlandırdı. Bununla birlikte, inşaat maliyetinin 1 trilyon dolar kadar yüksek olduğu tahmin ediliyor, bu nedenle plan hükümet tarafından kabul edilmedi.
3. Süper yüksek hızlı demiryolu ortaya çıktı
Manyetik kaldırma teknolojisinin sürekli atılımıyla, vakumlu boru hattı trenlerinin savunucuları da bunun başarısı için kilit faktörlerden biri olabileceğini fark ettiler. Kasım 1991'de Gerald K. O'Neill, "manyetik uçuş" fikrini öneren bir patent başvurusunda bulundu: boru hattında bulunan tren, geleneksel iki ray yerine tek bir ray üzerinde çalışıyor. Ray üzerine kalıcı mıknatıslar yerleştirilmiş ve değişken mıknatıslarla donatılmış tren elektromanyetik kuvvetin etkisi altında ray üzerinde askıya alınmıştır. Borudan hava pompalanırsa trenin hızının saatte 4000 kilometreye ulaşabileceğini hesapladı.
Zaman 21. yüzyıla girdi ve vakum elde etme teknolojisi olgunlaştı ve yüksek hızlı maglev trenleri de Şangay, Çin ve Yamanashi, Japonya'da kullanıma girdi. Görünüşe göre Hyperloop için her şey hazır. Tesla ve SpaceX'in kurucusu Elon Musk, 2013 yılında Kuzey Kaliforniya yüksek hızlı tren projesinin yavaşlığını hisseden 57 sayfalık bir beyaz kağıt yayınlayarak Los Angeles ile San Francisco arasında 560 kilometrelik bir hiper döngü inşa etmeyi önerdi. Düşünceler.
Bu sistemde taşıma kabini vakum boru hattında saatte 1.220 kilometre hızla çalışır ve kabin süspansiyonu için gereken enerji güneş enerjisi veya diğer yenilenebilir enerji kaynaklarından gelir. İlginç bir şekilde Musk, Goddard'ın önerisine benzer bir pnömatik süspansiyon öngörüyor. Süper yüksek hızlı demiryolunun neredeyse tamamen önceki bilim adamlarının teorik fikirlerinden doğduğu görülebiliyor.
O zamandan beri, birçok şirket ve bilimsel araştırma kurumu, Çin Havacılık ve Uzay Bilimi ve Endüstrisi, Güneybatı Jiaotong Üniversitesi Çekiş Gücü Devlet Anahtar Laboratuvarı, Pekin Jiaotong Üniversitesi, Xijing Üniversitesi ve diğer yerel kurumlar dahil olmak üzere süper yüksek hızlı demiryolunun araştırma ve geliştirme kampına art arda girdi. Bununla birlikte, hepsi manyetik kaldırma kullanır. Herkesin en çok ilgilendiği en yüksek hızda, bazı kuruluşlar da 6.500 kilometre veri sağlıyor. Başarılıp ulaşılamayacağına gelince, hala bilinmemektedir.
Süper yüksek hızlı demiryolunun mevcut insan teknolojisi düzeyine çok yakın göründüğü doğrudur, ancak aslında üzerinde çalışılması ve çözülmesi gereken birçok önemli sorun vardır.
- Ultra yüksek hızlı çalışma koşulları altında araba yolu etkisi: Yüksek hızlı tren yolunun hareket mekanizması, araç sistemi dinamiklerinin özüdür, ancak yüksek sıcaklıkta süper iletken maglev araçları üzerine yapılan mevcut deneysel araştırmalar esas olarak yarı statik veya düşük hız aralığında yoğunlaşmıştır ve deneysel verilerin daha fazlasını desteklemek zordur. Maglev araçlarının yüksek hızlarda (600 km / s'nin üzerinde) havaya kaldırılması ve direksiyon dengesi üzerine çalışma.
- Aerodinamik: Vakum kanalındaki ince havanın neden olduğu aerodinamik direnç, tren çalışmasına karşı ana dirençtir. Bu kadar düşük basınçlı ve yüksek hızlı hava akışı için, mevcut simülasyonların doğru bir şekilde simüle edilmesi zordur.
- Boru hatlarının güvenilir bir şekilde kapatılması ve verimli bir şekilde vakumlanması: Bir yandan, birkaç metre çapında ve yüzlerce kilometre uzunluğunda bir boru hattında uzun vadeli bir vakum sağlamak, boru hattının yapısı ve sıkılığı için son derece yüksek gereksinimler gerektirir. Öte yandan, bu kadar geniş bir alanda havanın hızlı bir şekilde çekilmesi ve vakum derecesinin hassas bir şekilde sürdürülmesi, vakum ekipmanı için daha büyük zorluklar ortaya çıkarır.
- Isı dağılımı problemi: Düşük basınçlı bir ortamda, zeminde önemli bir rol oynayan konveksiyonla ısı transfer yöntemi neredeyse hiç çalışmaz ve iletim ve radyasyon ana ısı yayma yöntemleri haline gelecektir. Sistemdeki ısıl dengeyi sağlamak için araç yüzeyinin düşük hava basıncı altında ısınma özelliklerinin ve elektrikli ekipmanların ısı yayma mekanizmasının incelenmesi göz ardı edilemeyecek bir konu.
- Kapalı boru hatlarında iletişim ve kurtarma problemleri: Öncelikle, radyo sinyallerinin vakum ortamında yayılması henüz incelenmemiştir. İkincisi, boru hattı vakum durumundadır ve sızdırmazlık etkisi iyidir ve dışarıdan zarar görmesi kolay değildir.Acil bir durum varsa, hızlı bir şekilde nasıl kurtarılacağı da dikkate değer bir sorundur ve acil çözümdür.
Hyperloop'un insanlı test aşamasına ulaşmaktan çok uzakta, model test aşamasında olması, yukarıda bahsedilen ve daha çok belirtilmeyen sorunlardan dolayıdır. Neyse ki, teoride tamamen uygulanabilir ve dünyanın her yerinde öncekinden daha fazla bilim insanı var, bu yüzden gerçek olması için umut var.
4. Uzaya uçun
Vakumlu boru hattı trenlerini inceleme sürecinde, bilim adamlarının bu yöntemi uçağı hızlandırmak için kullanma olasılığını da hayal ettiklerini belirtmek gerekir. Bunun nedeni, geleneksel roketlerin yüklerini arttırması durumunda, daha büyük yapılması ve daha fazla kimyasal itici gazın yerleştirilmesi gerekmesidir. Vakumlu boru hattı nakliyesi sadece hızlı olmakla kalmaz, aynı zamanda enerji tasarrufu sağlar.Uçağı hızlandırmak için kullanılırsa, uçağın hacmi daha küçük olabilir veya yük artırılabilir.
2001 yılında, 1960'larda süper iletken manyetik kaldırma (modern manyetik kaldırma trenlerinin temel teknolojisi) mucitlerinden biri olan ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda bir araştırmacı olan James Powell, iddialı StarTram programını, yani manyetik kaldırma uzayını önerdi. Sistemi başlatın.
Adından da anlaşılacağı gibi, sistem manyetik kaldırma uzay aracının gökyüzüne uzanan kavisli bir vakum borusuna yerleştirilmesini gerektiriyor. Birinci nesil sistemin boru hattı uzunluğu 130 kilometre, çıkış yüksekliği ise 3-7 kilometredir. En iyi yerler, güney New Mexico'daki Şili And Dağları veya White Sands Füze Menzili'dir. Hızlanmanın ardından uzay aracı boru hattından saatte 14.300 ~ 31.500 kilometre hızla fırlayabilir ve dünyanın atmosferinden kaçabilir. Bu, ikinci evrenin hızına çok yakın.
Gezegenler arası tren her saat başlatılır ve her fırlatma 70 tondan fazla kargo taşıyabilir. Kilogram başına başlatma maliyetinden, sistem yalnızca 20 ila 50 ABD dolarına mal oluyor. SpaceX bile yalnızca orijinal 4,600 ABD Dolarından 20,000 ABD Dolarına, 1,400 ABD Dolarına düştüğünü söyleyebilir. İnşaat maliyetleri açısından, birinci nesil sistem, uzay mekiğinin 30 yıllık döngüsünde harcanan 196 milyar ABD dolarından çok daha düşük olan 20-40 milyar ABD dolarına ihtiyaç duyuyor. 2018'de 643 milyar ABD doları olan ABD askeri harcamasından bile daha önemsiz.
Araştırma ekibi, ilk nesil gezegenler arası trenin esas olarak uydu gibi malları taşıyacağını ve 1920'lerde tamamlanacağını planlıyor. İkinci nesil sistemin boru hattı uzunluğu 1.000 ila 1.500 kilometre ve çıkış yüksekliği 22 kilometre, her yıl bir milyon uzay turisti taşıyor ve her biletin maliyeti sadece 5.000 dolar. 1930'larda tamamlanması planlanıyor.
Kuşkusuz, yıldızlararası tren yalnızca süper yüksek hızlı demiryolunun mevcut problemleriyle yüzleşmek zorunda değil, aynı zamanda boru hattının kurulması, uçağın boru hattındaki süspansiyon kontrolü gibi birçok zor mühendislik problemini de ekliyor. Ancak yıldızlararası tren önerildiği anda fizibilite açısından Sandia Ulusal Laboratuvarı tarafından doğrulandı ve ilgili teorik çalışmalar ve model testleri var. Yıldızlararası tren gerçekleşebilirse, insanlığı yeni bir uzay uçuşu çağına getirebilir.
İnsan teknolojisi mutlak bir boşluğa ulaşamaz. Akademi tarafından tanımlanan vakum, atmosferik basınçtan daha düşük olduğunda vakum olarak adlandırılabilecek, atmosferik basınçtan (yaklaşık 105Pa), hiçlikteki mutlak vakuma (0Pa) kadar geniş bir aralığı kapsayan göreceli bir durumdur.
Gazın inceliğinin bir ölçüsü.
[Bu makale ilk olarak 2020 yılında Science Fiction World'ün ikinci sayısında "Yeraltından Uzaya: Vakum Boru Hattı Taşımacılığının Evrimi" başlığıyla yayınlandı]
