מנועים קוויים

מנועים קווים – למה הם משמשים וכיצד הם פועלים.

המנועים המקובלים בכלי הרכב מניעים ציר היוצר תנועה סיבובית. מנועי הבעירה הפנימית מניעים בוכנות הנעות ישר לפנים ולאחור, אך תנועה זו מתורגמת בעזרת גלגל תנופה וציר לתנועה סיבובית.  מנועי חשמל מניעים צירים סיבוביים על ידי פעולות מחזוריות של דחייה ומשיכה מגנטיים בין חלק קבוע – “סטטור” לבין חלק נע – “רוטור”. גלגלי כלי הרכב, הנעים על תשתית קבועה, מתרגמים את התנועה הסיבובית לתנועה קוית, וכך כלי הרכב נעים קדימה. ניתן לדמות את המרת התנועה הסיבובית לתנועה קוית לפריסתו של שטיח דמיוני מגולגל, היוצרת תנועה קוית. קיימים אמצעי תחבורה ההופכים תנועת מנועים סיבובית לתנועה קוית של תשתית המניעה מטענים או אנשים – כאלה הם המעליות, הרכבלים למיניהם, רכבות הרים המונעות על ידי כבלים, מדרכות ומדרגות נעות, או סרטים נעים המשולבים בפסי ייצור.

המנועים הקוויים מציגים תפיסה שונה לגמרי מהמנועים הסיבוביים, והם אינם עושים שימוש בתנועה סיבובית כלל. יש המדמים את המנועים הקוויים למנועי חשמל שנפרסו, כך שהחלק הקבוע – “הסטטור” הוא חלק מהתשתית והחלק הנע – “הרוטור” מתקדם מעליו, על ידי תנועות דחיפה קצובות והרמוניות. דימוי אחר הוא השוואה לגלי ים המניעים גולשים – הגל אינו זרם מים הדוחף את הגולש מאחור וגם אינו משב רוח המניע מפרש, הגולש רוכב על הגל כשתנועות העלייה והירידה המתואמות שיוצר הגל במי הים מתורגמות על ידי הגולש להתקדמות ישרה.

המנועים הקווים המוכרים הם מנועים העושים שימוש בכוחות משיכה ודחייה מגנטיים, כך שהכוח המניע את גל התנועה יכול להימצא בתשתית כשהרכב הנע עליה סביל. מכיוון שנעשה שימוש בדחייה מגנטית, מרבית המנועים הקווים מנצלים את הכוח המגנטי להרמת הרכב והקטנת החיכוך בין המסלול המנחה הקבוע לחלק הנע. ה-“ריחוף” של הרכב כתוצאה מהדחייה המגנטית מכונה “ריחוף מגנטי” – “Magnetic Levitation”.

באמצעים ביתיים ניתן לחוש ולחוות “ריחוף מגנטי” של “רכב” על “מסלול מנחה”. קירוב של שני קטבים מנוגדים של מגנטים גורם למשיכה מגנטית וניסיון לקרב קטבים זהים גורם לדחייה מגנטית. באמצעות דבק דו-צדדי או נייר דבק ניתן להצמיד שורת מגנטים למשטח קשיח ישר בזה אחר זה כאשר כל הקטבים שלהם פונים לאותו כיוון, ועל ידי כך ליצור “מסלול מנחה”. כדי ש-“רכב” ירחף מעל המסלול המנחה נדרש להדביק מספר מגנטים למשטח אחר, כמו קרטון או פיסת עץ לבוד, כאשר כיוון הקוטביות שלהם יהיה כזה הדוחה את הקוטביות של ה-“מסלול המנחה”. אם ה-“רכב” יונח מעל ה-“מסלול המנחה” כשאמצעים מכניים, כמו מסגרת, ישמרו על ה-“רכב” כשהוא ישר, הוא ירחף מעל המסלול המנחה בגובה נמוך, התלוי בעוצמת המגנטים. דחיפה עדינה ל-“רכב” המרחף תהדוף אותו בקלות ותמחיש את ה-“ריחוף המגנטי”.

ניסויים שונים בריחוף מגנטי נעשו במחצית הראשונה של המאה התשע עשרה בתקופתו של מיכאל פאראדיי, אך המנוע הקווי פותח רק במאה העשרים. קיימת טענה בריטית לפיה פרופסור להנדסת חשמל בקולג’ המלכותי בלונדון, בשם אריק לייתווייט, המציא את המנוע הקווי ובנה מנגנון שמטרתו להניע באמצעותו רכבת נוסעים. הגרמנים טוענים מנגד כי הפטנט הראשון על רכבת ריחוף מגנטי על ידי מנוע קווי נרשם בגרמניה בתקופת מלחמת העולם השנייה, ביוני 1941. בשנות השבעים של המאה העשרים פרופסור לייתווייט הבריטי, בעזרת תלמידים וחברים למקצוע, שילבו את המנוע הקווי עם טכנולוגיות מתעשיית הרחפות במטרה לבנות מודל ניסיוני של רכבת מהירה הפועלת על מנוע קווי. המחקר דרש משאבים נכבדים והוא מומן על ידי ממשלת אנגליה, עד שקיצוצים בתקציב שינו סדרי עדיפויות והמחקר הופסק. מה שלא ניתן לקחת מהאנגלים הוא את היותם חלוצים בבניית מערכת ההנעה הקוית המסחרית האוטומטית הראשונה. מערכת זו פעלה בברמינגהם, אנגליה, בשנים 1984 – 1995, זה היה קו קצר שנע הלוך וחזור במהירות נמוכה באמצעות מנוע קווי וריחוף מגנטי והעביר נוסעים משדה התעופה הבינלאומי של בירמינגהם לתחנת רכבת סמוכה. מסלול הקו היה קצר ואורכו היה כ – 600 מטרים בלבד. לאחר 11 שנות פעילות, המערכת התיישנה, אמינותה התדרדרה והיא לא חודשה, אלא הוחלפה על ידי קרוניות כבלים.

אחד האתגרים המפורסמים בפיתוח מנועים קווים וריחוף מגנטי הוא שכלול רכבת מהירה הידועה בכינוי “Maglev” – קיצור של “Magnetic Levitation”. רכבת זו צפה בעזרת הכוח המגנטי על כרית אויר ולכן יכולה לפתח מהירות המתקרבת ל – 600 קמ”ש. פיתוח רכבות הריחוף המגנטי בעולם מבוצע היום על ידי מספר מצומצם של מדינות עשירות ומתרכז בגרמניה, יפן, סין וארצות הברית.

ידועים שלושה סוגי טכנולוגיות עיקריים לרכבות ריחוף מגנטי:

הנעה אלקטרומגנטית – במערכת טכנולוגית זו מרכז הכובד של מערכת ההנעה נמצא בתשתית ולכן משקלם היחסי של הרכבות נמוך. השדות המגנטיים בפנים ומחוץ לרכבת נמוכים יחסית למערכות דומות, והמערכת מסוגלת להניע רכבות במהירויות גבוהות כאשר הן מרחפות במרחק של כסנטימטר מהבסיס. חסרונותיה של מערכת זו, הן מחיר יקר הנובע מכך שטבעם של אלקטרומגנטיים אינו יציב ולכן המערכת דורשת תיקונים על ידי בקרת מחשב. מערכת מסוג זה הגיעה לבשלות טכנולוגית.

הנעה אלקטרו-דינמית – מערכת טכנולוגית זו דורשת מוליכי על רבי עוצמה על הרכבת. סלילים מגנטיים המורכבים על הרכבת יוצרים את ההנעה על ידי דחייה מגנטית של מגנטים נגדיים הנמצאים על המסילה בדומה להנעה של מנוע חשמלי רגיל שנפרס. רכבות אלו מגיעות למהירויות שיא וקיבולת גבוהה. מערכת מסוג זה עדיין אינה בשלה טכנולוגית ומחירה גבוה. אחד מחסרונותיה שהיא יוצרת שדות מגנטיים חזקים על הרכבת, מונעת גישה לרכבת לנוסעים עם קוצבי לב ועלולה להזיק לאמצעי מדיה מגנטית הנמצאים בסביבתה כמו דיסקטים של מחשב ואף כרטיסי אשראי. בטכנולוגיה זו הזרם החשמלי היוצר את השדות המגנטיים גובר עם המהירות ולכן במהירויות נמוכות אין בכוחו להגביה את הרכבת ונדרשים גלגלי תמך.

מגנטים קבועים – מערכת טכנולוגית זו עושה שימוש במגנטים קבועים ולכן היא אמינה יחסית ואינה דורשת זרם להפעלת המגנטים. ההשראה המגנטית נוצרת וגוברת עם מהירות התנועה והיא מרימה את הרכבת. הכוח המגנטי חזק דיו להרים את הרכבת למצב ריחוף החל ממהירות נמוכה יחסית של 5 קמ”ש, אך המערכת זקוקה לגלגלי תמך למהירויות נמוכות ולמצב עצירה. למערכת כזו אין אב-טיפוס מסחרי בקנה מידה החורג מדגמי מעבדה.

בטכנולוגיה האלקטרומגנטית המנוע הקווי משמש הן להנעה והן להגבהת הרכבת, והיא מרחפת גם במצב של עמידה ואינה דורשת גלגלים. לעומתה הטכנולוגיות האלקטרו-דינמיות ושיטת המגנטים הקבועים משמשות רק להגבהה מגנטית  והן דורשות מערכת הנעה משלימה – שיכולה להתבצע על ידי מנוע קווי, מנוע סילון או מנוע אחר.

מהנדסים יפנים פועלים במימון ממשלתי ופרטי לפיתוח רכבת ריחוף מגנטי משנות השבעים של המאה העשרים במסלול ניסוי המופעל למרגלות הר פוג’י, אך עד עתה לא נבנתה ביפן רכבת ריחוף מגנטי שימושית. היפנים “נאלצים להסתפק” ב-“שינקאנסאן” – “רכבת הקליע” המחברת את טוקיו לאוסקה ופועלת למעלה מארבעים שנים במהירות הקרובה ל – 400 קמ”ש. יחד עם זאת הטכנולוגיות היפניות התקדמו בהדרגה באופן מרשים – הם הפגינו הפעלת רכבות ריחוף מגנטי באמצעות סוגי מנועים קווים שונים, מהירות נסיעה העולה על 550 קמ”ש ומעבר של שתי רכבות ריחוף מגנטי זו לצד זו במהירות יחסית העולה על 1,000 קמ”ש. רכבות הריחוף המגנטי בשדה הניסוי ביפן גמאו באופן מצטבר למעלה מ – 300,000 קילומטרים והסיעו במהלך השנים עשרות אלפי בני אדם.

המדינה בה פועלת רכבת ריחוף מגנטי היא סין, בה פועלת רכבת מסוג זה בין מרכז שנחאי לשדה התעופה פודונג. רכבת זו נבנתה על ידי חברה גרמנית והיא חולפת על מסלול של כ – 32 קילומטרים בפרק זמן של כ – 7 דקות, כשמהירות השיא שלה 430 קמ”ש. בסין מתוכנן קו רכבת ריחוף מגנטי שיאריך את הקו הקיים משנחאי להאנגצו ואורכו 160 קילומטרים.

הפרסום שניתן לפיתוח היקר של רכבות ה-“ריחוף המגנטי” הדחיק לקרן זווית את השימושים הפוטנציאליים הנוספים של המנועים הקוויים – הם יכולים להניע ביעילות מסילות של פסי ייצור, הם יכולים להניע קרוניות או רכבות עירוניות, או מעליות ייעודיות לשימושים טכנולוגיים וצבאיים. מהלכי מחקר ופיתוח אחרים ניסו להשתמש במהירות הגבוהה שיוצרים המנועים הקווים כאמצעי לשיגור חלליות. מלבד הקו הקצר שפעל בבירמינגהם, אנגליה, בעיר אייצ’י שביפן פועל החל ממרץ 2005 קו הרכבת המסחרית העירונית הראשונה בעולם הפועל באמצעות ריחוף מגנטי במהירות נסיעה של כ – 100 קמ”ש. לקו יש 9 תחנות ואורך מסלולו כ – 9 קילומטרים.

לתחבורה הנעה על מנוע קווי באמצעות ריחוף מגנטי יתרונות רבים – התנועה חלקה, יחסית מדויקת, חוסכת אנרגיה, בעלת עוצמה, מהירות ותאוצה גבוהים. בהתחשב בכך שהתנועה על המנוע הקווי נוצרת ללא תנועה מכנית של מכלולים נחסכות הוצאות גבוהות הנגרמות על ידי הבלאי השגרתי הגבוה של החלקים הנעים ברכבות ובפסים. רכבות הריחוף המגנטי מגיעות למהירות המתחרה בתחבורה האווירית, כשהן פולטות כשישית מכמות הפחמן דו חמצני שפולט מטוס נוסעים לנוסע. יתרון נוסף הוא הבטיחות – בהתחשב בדייקנות ובעובדה שהתנועה על מסילת המנוע הקווי מונעת על ידי התשתית ניתן לתזמן נסיעה מדויקת של מספר רכבות או קרוניות הנעות זו אחר זו במרחקים יחסית קצרים מבלי לחשוש שיפגשו, כשם שקרוניות המחוברות לרכבל לא ישיגו זו את זו. חסידי רכבות הריחוף המגנטי טוענים כי הן שקטות, אך בשאלה זו קיימים חילוקי דעות בכל הנוגע לרכבות המהירות, כאשר נטען כי רכבות אלו יוצרות רעש הדומה לזה של מטוס סילון.

החסרון העיקרי של המנוע הקווי הוא מחיר הייצור הגבוה והעובדה שהוא מגביל את כלי הרכב לתשתית מיוחדת. למרות שחברה גרמנית בנתה רכבת ריחוף מגנטי הפועלת בסין, גרמניה מהססת לקדם את הטכנולוגיה בשווקים. גם היפנים שהפגינו הישגים בשנות מחקר ממושכות טרם אישרו הקמת רכבת ריחוף מגנטי מסחרית פעילה, והם עדיין מבקשים לאשש את המסקנות בדבר העמידות והאמינות של הרכבת בטווח הארוך, לבחון את ההצדקה הכלכלית ולהמשיך לשפר את הטכנולוגיות.

Leave a Reply