Definito da alcuni “così avanti da reinventare la metropolitana”. E’ più o meno quello che sta cercando di fare il buon Elon Musk quando ha fondato The Boring Company e Hyperloop. Creare un sistema di spostamento ultraveloce, che dovrebbe affiancare gli attuali sistemi di mobilitazione, ma che rischia di rendere obsoleto qualsiasi mezzo. Tra gallerie sotterranee, dove far passare bus a 240 km/h al costo di 1€ a biglietto, adibite allo spostamento pubblico, e treni incapsulati a levitazione magnetica, con l’obiettivo di raggiungere i 1200 km/h. La prima tratta permetterebbe di percorre i 600 km che separano San Francisco e Los Angeles. Inoltre, sarebbe prevista anche la tratta Sardegna-Corsica, con un tempo di percorrenza di soli 60 secondi! L’idea di base nacque nel 1870, nella metropolitana di New York. Ma come funziona esattamente questa nuova tecnologia?
L’infrastruttura è formata da un tunnel d’acciaio a bassa pressione, sollevato da terra grazie a dei piloni di cemento o scavati nel sottosuolo. Grazie a un sistema di levitazione magnetica, le capsule di alluminio (chiamate Pod) viaggiano all’interno dei tubi sospese sui binari. Sono spinte da un getto di aria compressa. Ogni capsula è alimentata da turbine eoliche interne e dall’energia solare raccolta dai pannelli fotovoltaici, posti sulla parte superiore del tubo. Al momento, al progetto lavorano tre aziende. La Hyperloop Transportation Technologies (HyperloopTT), fondata nel 2013 che opera in California, Hyperloop One, fondata a Los Angeles nel 2014, e la canadese TransPod, creata nel 2015.
Il primo test è stato condotto da Hyperloop One nel maggio 2016 in un’area desertica a nord di Las Vegas. La pista di prova è lunga 500 metri per un diametro di 3,3 metri. Nel corso della dimostrazione un carrello lungo tre metri è passato da zero a 187 chilometri orari in un secondo. Il test ha avuto implicazioni pratiche molto importanti. Sulla base dei risultati ottenuti, gli scienziati hanno affermato che in un tubo senza attrito si potrà spingere un treno di dimensioni reali fino alla velocità di 1.126 chilometri orari.
la levitazione magnetica
Tuttavia, parte del successo di questa azienda, la si deve ad un gruppo di giovani studenti italiani. Il sistema di sospensioni attive, creato da Ales Tech (fondata da 4 ragazzi della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa), è il sistema che permette l’interazione tra il modulo di levitazione e il resto del veicolo. Le problematiche legate alle tecnologie di levitazione sono note sin da quando, intorno agli anni ’60, venivano eseguiti i primi esperimenti. Ad esempio, i MagLev cinesi e ai bullet train giapponesi, registrano ottime prestazione tecniche, ma hanno un forte limite economico: di carattere energetico e infrastrutturale.
Tra le più quotate tecnologie di levitazione magnetiche, c’è il sistema Inductrack. Tuttavia, anche questo sistema non è esente da criticità. Prevede infatti l’utilizzo di un binario in alluminio, con alti costi in termini di materiali. È una tecnologia che non consente una levitazione da fermo, ma richiede un carrello per mezzo del quale accelerare e raggiungere così la velocità critica. Solo a questo punto intervengono i pattini magnetici. In fase di levitazione, inoltre, si generano dei forti attriti che portano il veicolo a frenare. È un circolo vizioso: la velocità diminuisce sotto il livello critico. Di conseguenza tornano a mancare le condizioni necessaria alla levitazione.
Questa consapevolezza ha portato Ales Tech a lavorare alla progettazione di una nuova tecnologia di levitazione magnetica: IRONLEV. Questo sistema si può estendere ad una serie di applicazioni commerciali già sul mercato. Prime fra tutte il settore ferroviario, perché si basa sull’utilizzo di un semplice binario in ferro. L’obiettivo? Far levitare i treni di nuova generazione su un’infrastruttura esistente. Abbattendo i costi dell’infrastruttura, è quindi una tecnologia sostenibile, ecologica, che sfrutta le proprietà fisiche intrinseche alla materia per garantire la levitazione senza la necessità di ricorrere a fonti di energia addizionali.
Il magnetismo
Il magnetismo è la branca della fisica che concerne il fenomeno per cui alcuni materiali sono in grado di attrarre il ferro, nonché trasmettere tale capacità ad altri materiali. Possiamo distinguere i materiali in diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. In particolare per fenomeni stazionari, ovvero non variabili nel tempo, si parla più specificatamente di magnetostatica. Per fenomeni dipendenti dal tempo, invece, i campi elettrici e magnetici si influenzano a vicenda ed è necessario ricorrere ad una descrizione unificata dei due campi ottenuta nel 1864 dallo scienziato J. C. Maxwell all’interno della teoria dell’elettromagnetismo classico.
La teoria dello scozzese si basa sull’unificazione di quattro equazioni che i campi magnetici ed elettronici devono soddisfare.
Prima Equazione
Nella prima legge, chiamata ‘Legge di Gauss per il campo Elettrico‘, Gauss mette in relazione una carica q racchiusa dentro una superficie chiusa, con il flusso ΦE del campo elettrico attraverso tale superficie. Se noi consideriamo più cariche q all’interno dell’aria, aggiungiamo la somma algebrica ∑q al numeratore. Inoltre, sappiamo che il flusso ΦE è uguale al prodotto del campo elettrico (uniforme su tutta la superficie e formando con la perpendicolare alla superficie un angolo costante θ), con l’aria della superficie e del coseno cosθ dell’angolo θ. Per arrivare alla formula finale, bisogna calcolare il campo in intervalli infinitesimali di superficie (ottenendo il prodotto scalare E̅ ∙ ds̅. Sommando tutti gli intervalli, si ottiene un integrale di superficie, ed una volta sostituito:
ε0 = 8,85 ⋅ 10-12 C2 / N m2
Seconda Equazione
Nella ‘Legge di Gauss per il campo magnetico‘, si sfrutta di nuovo il lavoro del fisico per dimostrare l’inesistenza dei monopoli magnetici. Poiché non esistono cariche magnetiche isolate, con linee di campo che tendono all’infinito, il flusso netto del campo magnetico attraverso una superficie chiusa è sempre nullo.
ΦB = 0
Eseguendo lo stesso ragionamento del campo elettrico, otteniamo:
Terza Equazione
Nella terza legge, Maxwell sfrutta le tesi corrobolate da Faraday e Lenz, che hanno analizzato il fenomeno dell’induzione elettromagnetica.
ε (fem) = -ΔΦB /Δt
Ora, consideriamo il circuito come tanti segmenti infinitesimi, ognuno costituito da un vettore dl orientato, e sostituiamo la forza elettro motrice con il rapporto fra il lavoro della forza elettrica per spostare la carica q lungo il percorso, e la carica stessa. Otteniamo:
ε=∮γ E⋅dl
Questo è un integrale di linea, è chiamato circuitazione.
Al secondo membro, se il flusso non varia uniformemente, dobbiamo considerare la sua variazione infinitesima, facendo tendere Δt a zero e calcolando il limite corrispondente. Sostituiamo la variazione Δ con il delta infinitesimale d, ottenendo la derivata di ΦB rispetto al tempo.
Il risultato, una volta ricostruita l’equazione, è pari a:
Quarta Equazione
Lo scozzese per la sua quarta equazione, prende in considerazione la ‘Legge di Ampère’, che lega il campo magnetico lungo una curva chiusa, alla corrente elettrica concatenata alla curva.
∑ (B‖ ∙ Δl) = µ0 ∙ I
Tuttavia, possiamo considerare la linea di azione del campo, non come una linea spezzata, ma una curva chiusa γ, suddividendo γ in segmenti infinitesimali orientati dl. In questo modo, se sommiamo tutti i contributi, otteniamo la circuitazione del campo magnetico. La formula diventa:
µ0 = 4π ∙ 10-7 T · m / A
I = corrente concatenata
