Patente de red espacial
Este artículo revisará brevemente la historia de la evolución del transporte por tuberías de vacío y echará un vistazo al pasado y presente del Hyperloop.
El origen de la tecnología del vacío está claramente registrado en la Historia Experimental de Torricelli de 1643: Llena un tubo largo sellado con mercurio y colócalo boca abajo en un tanque de mercurio. Puedes encontrar la diferencia entre la presión atmosférica y el vacío. La diferencia de presión puede levantar una columna de mercurio de 760 mm. El primer caso de aplicación de la tecnología del vacío fue el experimento del hemisferio de Magdeburgo en 1654: se combinaron dos hemisferios en una esfera con un diámetro de 119 cm, se utilizó una bomba de vacío para evacuar el gas interno y luego ocho caballos de cada lado pudieron no separarlo.
Magdeburg Halbkun
Se puede decir que estos dos famosos experimentos aprovecharon el principio de que existe una enorme diferencia de presión entre la atmósfera y el vacío[1], que también es una prueba de que esta diferencia de presión puede producir fuerza mecánica. Las generaciones posteriores también se inspiraron en la idea del transporte de mercancías.
En 1799, un ingeniero mecánico e inventor británico llamado George Mayhurst solicitó una patente para una bomba de ventilador accionada por aire comprimido. Al año siguiente, patentó un motor "impulsado por el viento" que utilizaría aire comprimido para impulsar un automóvil. Al mismo tiempo, propuso un plan de servicio para los vehículos propulsados por viento, sugiriendo que se instalen estaciones de bombeo a lo largo de la ruta de conducción para reponer continuamente su energía, lo que puede entenderse como similar a la relación entre los vehículos eléctricos y las pilas de carga.
Ferrocarril Atmosférico
Ferrocarril Atmosférico
Basándose en ideas anteriores, Medhurst propuso la idea de una ruta de correo al vacío en 1810, creyendo que este método utilizaría presión de aire a El método de transporte de cartas y mercancías por tuberías es más rápido y eficiente que la entrega puerta a puerta por parte de los carteros. Yendo un paso más allá, empezó a vislumbrar la posibilidad de utilizar tubos más grandes para transportar trenes.
En 1812, publicó por primera vez el artículo "Cálculos teóricos de ferrocarriles atmosféricos", demostrando la viabilidad, el efecto y las ventajas de instalar tuberías con un diámetro de varios metros sobre las vías del tren para transportar rápidamente mercancías y pasajeros a través de diferencias de presión del aire. Además, imaginó otra forma de ferrocarril atmosférico, un largo tubo colocado debajo de las vías. Hay un dispositivo conectado al tren en la tubería. El dispositivo se mueve debido a la diferencia de presión, lo que hace que el tren se mueva. La fuente de energía del tren no es la parte delantera del vagón, sino los tubos debajo de la carrocería.
Poco antes de su muerte, en septiembre de 1827, publicó el libro "El nuevo sistema de transporte interior", en el que elogiaba mucho la propulsión neumática y creía que este método podía utilizarse incluso sin caballos u otros animales que proporcionaran energía. Puede alcanzar una velocidad de 96 kilómetros por hora.
El ferrocarril atmosférico utiliza la presión del aire para mover la carrocería del vagón a lo largo de la vía en lugar de utilizar la parte delantera del vagón como potencia.
Sin embargo, por una razón u otra, el ferrocarril atmosférico no se implementó con éxito y la idea fue gradualmente archivada. No fue hasta 2018 que un ingeniero estadounidense de 89 años, Max Schleger, lo hizo realidad: instaló un camino en su viñedo con un PVC de 30 cm de diámetro entre ellos. Al exterior del tubo se conecta una bomba para extraer aire del tubo o inyectar aire en el tubo.
El ferrocarril atmosférico de Max Schriger
Bajo la influencia de la diferencia de presión del aire, el "vagón de empuje" en la tubería impulsará el tren conectado a él a través de imanes. Los resultados operativos del modelo, que tiene un sexto del tamaño de un sistema ferroviario estándar, muestran que puede superar fácilmente pendientes pronunciadas que los trenes tradicionales no pueden superar, operar con menos ruido, no tener líneas aéreas de transmisión y las bombas pueden ser accionadas por energía renovable.
Marx Schliger utilizó un modelo de ferrocarril atmosférico para demostrar que un modelo de tren sería impulsado por la presión del aire cuando se sopla aire hacia adentro desde un extremo de la tubería.
Más de un siglo después de la muerte de Medhurst, la investigación teórica sobre el transporte por tuberías de vacío se profundizó y mejoró gradualmente. Además, este modo de transporte también ganó importancia en la floreciente literatura de ciencia ficción. Las ideas contenidas en esos trabajos parecen avanzadas, pero en realidad están por detrás de la investigación teórica de los científicos en la línea de tiempo, y todos tienen sus propios prototipos teóricos.
Del 65438 al 0888, el hijo de Julio Verne, Michel Verne, se inspiró en el ferrocarril atmosférico y publicó un cuento ultracorto "El expreso del futuro". La novela imagina un oleoducto de acero tendido en el fondo del Océano Atlántico, con una longitud de más de 4.800 kilómetros, un diámetro de aproximadamente 1,5 metros y un peso de más de 13.000 toneladas, que conecta Europa y América del Norte. La tubería está envuelta por tres capas de malla de hierro y la superficie exterior está recubierta con resina para evitar el movimiento del agua de mar.
Impulsado por una fuerte corriente de aire, la velocidad del tren en el tubo alcanza los 1.800 kilómetros por hora. Desde Boston se puede llegar a Liverpool en dos horas y cuarenta minutos. Las ventajas de este sistema son obvias: la superficie interior de la tubería está finamente pulida, lo que puede suprimir el nerviosismo de los pasajeros; el flujo de aire puede ajustar y equilibrar la temperatura en la tubería según las diferentes estaciones, dejando de lado los problemas de gravedad; pérdida, la construcción y operación del sistema El costo es bajo, por lo que el precio del boleto es increíblemente bajo.
Creado por el artista A. J. Johnson para "Future Express"
Los ferrocarriles atmosféricos necesitan superar la resistencia del aire y la fricción entre ruedas y carriles, y el límite de velocidad teórico es bajo.
Además, incluso si el vehículo puede alcanzar una velocidad muy alta, el ruido aerodinámico y la vibración en ese momento serán muy fuertes y el consumo de energía también aumentará considerablemente. Por lo tanto, con el desarrollo de la ciencia, la investigación teórica se está desarrollando gradualmente hacia la eliminación de la fricción y la resistencia del aire.
En 1904, Robert H. Goddard, el padre de la tecnología de cohetes moderna, propuso la idea de un tren de vacío (vactrain), que fue el primer sistema moderno de transporte por tuberías de vacío. En ese momento, era estudiante de primer año en el Instituto Politécnico de Worcester. Imaginó trenes deslizándose a través de tubos de vacío. Para acelerar y desacelerar un tren por medios no magnéticos y evitar la fricción, es necesario aplicar presión de fluido entre partes relativamente móviles, como ruedas y rieles. El método consiste en utilizar una boquilla para rociar líquido a alta presión y alta temperatura, que inmediatamente se convierte en vapor a alta presión después de la pulverización, suspendiendo así la carrocería del automóvil en la pista.
Básicamente, se puede pensar que el tren circula sobre una película líquida a alta presión. En 1906, Goddard perfeccionó esta idea en el cuento "Alta velocidad y ida y vuelta". Tres años más tarde, Scientific American publicó una reseña de este trabajo bajo el título "Los límites del transporte rápido".
Diagrama esquemático de la patente del tren de vacío de Goddard
Se puede decir que la visión de Goddard es una transición del ferrocarril atmosférico al hiperbucle. En comparación con los ferrocarriles atmosféricos, las tuberías de los trenes de vacío están en estado de vacío y los trenes ya no utilizan diferencias de presión para proporcionar energía. Por primera vez se pensó en reducir la resistencia del aire y evitar la fricción entre el tren y la vía. En comparación con Hyperloop, Vactrain tiene una forma muy parecida, pero en términos de medios de levitación y trenes en movimiento, la mayoría de las soluciones de Hyperloop utilizan tecnología de levitación magnética y Vactrain utiliza gas a alta presión.
En 1955, el maestro polaco de ciencia ficción Stanislav Lem publicó "Nubes de Magallanes". Esta novela está ambientada en la sangrienta utopía capitalista del siglo 32, donde los humanos han colonizado todo el sistema solar e intentan realizar viajes interestelares. En la novela, Lem describe un tren de vacío intercontinental llamado "Organowiec", que puede viajar a velocidades superiores a 1.666 kilómetros por hora en tubos de vacío transparentes. Obviamente, esto está influenciado por la vacuna.
La portada de Mercenarios
En 1962, el escritor estadounidense de ciencia ficción Mike Reynolds publicó su cuento "Profit Pursuit", que incluso situaba el transporte por tuberías de vacío como un lugar crucial.
En la novela se ha conseguido la paz. Para evitar la posibilidad de una destrucción mundial, el gobierno estipula que en las batallas sólo se podrán utilizar armas diseñadas antes del siglo XX, y todas las batallas serán televisadas para entretenimiento del público. Las grandes empresas utilizan mercenarios para resolver disputas comerciales. En la industria del transporte, las empresas continentales de aerodeslizadores tienen el monopolio. La recién creada empresa de transporte por tuberías de vacío puede reducir en gran medida los costos de transporte y brindar mejores servicios a los consumidores, rompiendo así el monopolio, pero primero debe ir a la guerra con la primera.
Por supuesto, no sólo las armas, sino también los medios de transporte en la novela son ideas que existían antes del siglo XX. El concepto de aerodeslizador se remonta a 1716, cuando el científico sueco Emmanuel Sviden Berg mencionó la palabra "levitación" mientras estudiaba los efectos superficiales de los vehículos. A principios del siglo XIX, alguien se dio cuenta de que bombear aire comprimido al fondo de un barco podía reducir la resistencia a la navegación y aumentar la velocidad. El concepto de transporte por tuberías de vacío se remonta a la idea de Medhurst de una línea postal de vacío en 1810. Por lo tanto, ya sea en las novelas o en la historia real, el transporte por tuberías de vacío es de hecho más nuevo que los aerodeslizadores.
Si las investigaciones anteriores se limitaban principalmente a cálculos teóricos, en la década de 1970, Robert M. Salter, un fanático del transporte por tuberías por vacío, comenzó a considerar cuestiones operativas prácticas. En aquel momento, imaginó un sistema de tuberías de vacío "Planetran" ubicado en formaciones rocosas sólidas a cientos de metros bajo tierra. El sistema atravesaría las principales ciudades del noreste de Estados Unidos, con nueve estaciones en ocho estados.
En ese momento, el Shinkansen de Japón había estado en funcionamiento durante casi 10 años y la investigación sobre trenes maglev estaba en pleno apogeo en todo el mundo, pero después de todo, la tecnología aún no estaba madura. Entonces, en lugar de aplicar la tecnología de levitación magnética a su idea, propuso utilizar neumáticos de acero. El tren se acelera mediante una fuerza electromagnética y la desaceleración se logra comprimiendo el aire fino en el frente, lo que hace que el tren acelere en los tubos adyacentes. Puede considerarse como una versión fusión del ferrocarril atmosférico y el tren de vacío.
Lo más encomiable de este sistema es su asombrosa capacidad de ahorro de energía. Como "sistema de alto ahorro de energía", cuando un tren reduce la velocidad, devuelve la mayor parte de su energía al sistema para que la utilicen los vehículos en tubos adyacentes cuando aceleran. Además, durante el funcionamiento de los trenes ordinarios, la resistencia del aire representa más del 70% de la resistencia total. Sin embargo, la resistencia del aire en la cavidad interior del tubo de vacío se reducirá considerablemente y, naturalmente, se reducirá el consumo de energía. De esta forma, el coste energético consumido por cada pasajero es inferior a 1 dólar estadounidense, y el coste medio de todo el trayecto puede alcanzar velocidades de 4.800 kilómetros por hora y tarda sólo 21 minutos desde la costa este hasta la costa oeste de Estados Unidos.
Salter cree que este sistema ayudará a reducir el daño a la atmósfera causado por aviones y vehículos terrestres, y tendrá enormes beneficios medioambientales y económicos. Como resultado, calificó a Planetran como el "siguiente paso lógico" para Estados Unidos. Sin embargo, se estimó que su costo de construcción ascendía a 1 billón de dólares, por lo que el gobierno no adoptó el plan.
Con el avance de la tecnología de levitación magnética, los defensores de los trenes de tubos de vacío también se dan cuenta de que este puede ser uno de los factores clave de su éxito. En noviembre de 1991, Gerard K O'Neill presentó una solicitud de patente proponiendo la idea del "vuelo magnético": trenes en tubos que circulan por una vía única en lugar de la tradicional vía doble. Se instalan imanes permanentes en la vía y el tren equipado con imanes variables se suspende en la vía bajo la acción de una fuerza electromagnética. Calculó que si se bombeara aire de los tubos, el tren podría alcanzar una velocidad de 4.000 kilómetros por hora.
En el siglo XXI, la tecnología para obtener vacío ha madurado y se han puesto en uso trenes maglev de alta velocidad en China, Shanghai y Yamanashi. Parece que todo está listo para Hyperloop. En 2013, al sentir que el progreso en el proyecto ferroviario de alta velocidad en el norte de California era lento, el fundador de Tesla y SpaceX, Elon Musk, publicó un libro blanco de 57 páginas proponiendo planes para construir un sistema ferroviario de alta velocidad en Los Ángeles y San Francisco. de construir un hipercircuito de 560 kilómetros de largo entre señores feudales y ciudades.
En este sistema, la cabina de transporte circula en un tubo de vacío a una velocidad de 1220 km/h, y la energía para la cabina de suspensión proviene de energía solar u otras fuentes de energía renovables. Curiosamente, Musk imagina un enfoque de suspensión neumática similar al propuesto por Goddard. Se puede ver que el Hyperloop se deriva casi por completo de la concepción teórica de científicos anteriores.
Desde entonces, muchas empresas e instituciones de investigación científica han entrado en el campo de I+D de Hyperloop, incluida la Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China, el Laboratorio Nacional Clave de Potencia de Tracción de la Universidad Jiaotong del Suroeste, la Universidad Jiaotong de Beijing, la Universidad Xijing y otras. instituciones domésticas. Pero todos utilizan levitación magnética. Respecto a la velocidad máxima que más preocupa a todos, algunos organismos también dan datos de 6.500 kilómetros por hora. Aún se desconoce si se podrá realizar.
Es cierto que el Hyperloop parece estar muy cerca del nivel tecnológico actual de la humanidad, pero de hecho todavía hay muchas cuestiones clave que deben estudiarse y resolverse -
Es precisamente por lo anterior y más En cuanto a los problemas no mencionados, el Hyperloop aún se encuentra en la etapa de prueba del modelo y está lejos de llegar a la etapa de prueba tripulada. Afortunadamente, es completamente factible en teoría y hay más científicos en todo el mundo trabajando en ello que antes, por lo que todavía hay esperanzas de que pueda convertirse en realidad.
Cabe mencionar que en el proceso de estudio de los trenes de tubos de vacío, los científicos también han imaginado la posibilidad de acelerar los aviones de esta manera. Porque si se aumenta la carga útil de un cohete tradicional, éste debe hacerse más grande y contener más propulsores químicos. El transporte por tuberías de vacío no sólo es rápido, sino que también ahorra energía. Si se utiliza para acelerar el avión, el tamaño del avión puede ser más pequeño o se puede aumentar la carga.
En 2001, James Powell, uno de los inventores del maglev superconductor (la tecnología básica de los trenes maglev modernos) en la década de 1960 e investigador del Laboratorio Nacional de Brookhaven en Estados Unidos, propuso un ambicioso interestelar El StarTram El programa es un sistema de lanzamiento espacial de levitación magnética.
Como sugiere el nombre, el sistema consiste en colocar una nave levitada magnéticamente en un tubo de vacío curvo que se extiende hacia el cielo. La longitud de la tubería del sistema de primera generación es de 130 km y la altura de salida es de 3 a 7 km. Los mejores lugares son los Andes en Chile o el campo de misiles White Sands en el sur de Nuevo México. Después de acelerar, la nave espacial puede salir corriendo del tubo y escapar de la atmósfera terrestre a una velocidad de 14.300 a 31.500 km/h, lo que es muy cercano a la velocidad del segundo universo.
El Star Train sale cada hora y puede transportar más de 70 toneladas de carga por lanzamiento. A juzgar por el coste de lanzamiento por kilogramo, el sistema sólo cuesta entre 20 y 50 dólares estadounidenses. Ya sabes, incluso Space Exploration Technology Company solo puede decir que el precio ha bajado de los 4.600 dólares originales a 20.000 dólares y 1.400 dólares. Desde la perspectiva del costo de construcción, el sistema de primera generación requiere entre 20 y 40 mil millones de dólares estadounidenses, lo que es mucho menos que los 654,38+09,6 mil millones de dólares gastados por el transbordador espacial en el ciclo de 30 años, e incluso menos que los EE.UU. 643 mil millones de dólares de gasto militar de Estados Unidos en 2065.438+08.
El equipo de investigación planea que el tren interestelar de primera generación transporte principalmente satélites y otras cargas y esté terminado en la década de 2020. El oleoducto del sistema de segunda generación tiene una longitud de entre 1.000 y 1.500 kilómetros y una altura de salida de 22 kilómetros. Transporta a un millón de turistas espaciales cada año por sólo 5.000 dólares el billete. Está previsto que esté terminado en la década de 1930.
Por supuesto, además de los problemas existentes del Hyperloop, el Star Train también enfrenta muchos problemas de ingeniería, como la construcción de tuberías, el control de suspensión de los aviones en la tubería, etc. Pero tan pronto como se propuso el Star Train, los Laboratorios Nacionales Sandia lo verificaron en términos de viabilidad. También hay estudios teóricos relacionados y pruebas modelo. Si el tren interestelar puede realizarse, podría llevar a la humanidad a una nueva era espacial.
【1】El vacío absoluto no se puede obtener por medios técnicos humanos. El vacío definido por los círculos académicos es un estado relativo, que puede denominarse vacío cuando la presión es inferior a la presión atmosférica, cubriendo un amplio rango desde una presión atmosférica (aproximadamente 105 Pa) hasta el vacío absoluto de la nada (0 Pa).
[2] Medición de la rarefacción de gases.
Este artículo se publicó por primera vez en el segundo número de la revista "Science Fiction World" en 2020. El título original era "Del subsuelo al espacio: la historia evolutiva del transporte por tuberías de vacío".