Wie funktionieren eigentlich Magnetschwebebahnen?
Obwohl eine deutsche Erfindung, sind Magnetschwebebahnen hierzulande keine zu finden. Wir schauen uns die Technik dennoch genauer an.
In China haben sich Magnetschwebebahnen bereits bestens bewährt.
Foto: PantherMedia / Angelika Bentin
Sie schweben anstatt zu Rollen und erreichen so hohe Geschwindigkeiten. Sie sind leise, effizient und könnten eine Alternative zum traditionellen Schienen- und Luftverkehr darstellen. Die Magnetschwebebahn ist eine deutsche Erfindung. Mit dem Transrapid, entwickelt von Siemens und ThyssenKrupp, sowie der M-Bahn des inzwischen nur noch als Markenname bestehenden Unternehmens AEG gab es zwei vielversprechende Systeme: eines für den Fernverkehr, das andere für den regionalen Transport. Beide hätten das Verkehrswesen revolutionieren können.
Trotzdem fand die Technologie weder in Deutschland noch in anderen industrialisierten Ländern genügend Anklang. Außer in Asien. Japan und vor allem China machen vor, was mit einer Magnetschwebebahn alles möglich. Wir blicken auf die Technik und verraten Ihnen, wie Magnetschwebebahnen funktionieren.
Inhaltsverzeichnis
Das Grundprinzip einer Magnetschwebebahn
Die Magnetschwebetechnik ist eine Transporttechnologie, die es Zügen ermöglicht, ohne direkten Kontakt zur führenden Schiene zu schweben. Dies wird durch die Nutzung von Magnetismus und Elektromagnetismus erreicht, was Reibung reduziert und hohe Geschwindigkeiten sowie ruhige Fahrten ermöglicht. Zu den Elementen einer Magnetschwebebahn gehören:
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Magnetismus und Elektromagnetismus
Magnetismus ist eine physikalische Kraft, die von Magneten ausgeübt wird. Diese Magneten haben zwei Pole, die durch ein Magnetfeld verbunden sind. Gleiche Pole stoßen sich ab, während sich unterschiedliche Pole anziehen.
Beim Elektromagnetismus wird mittels elektrischen Stroms durch einen Draht ein Magnetfeld erzeugt. Wickelt man den Draht um eine Spule, entsteht ein Elektromagnet, der ein stärkeres Magnetfeld erzeugt und dessen Polarität und Stärke durch den Stromfluss gesteuert werden kann.
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Schweben und Levitation
Das Schweben des Zuges über kann durch zwei verschiedene Technologien erreicht werden:
Elektromagnetische Levitation (EMS):
- Bei der EMS werden Elektromagnete am Fahrzeugboden so gesteuert, dass sie das Fahrzeug in Richtung einer Schiene aus Eisen anziehen, jedoch gerade stark genug, um es in einem stabilen Abstand zur Schiene schweben zu lassen. Sensoren messen kontinuierlich den Abstand zur Schiene und passen die Magnetkraft an. Die Technologie erlaubt sehr geringe Schwebehöhen von wenigen Millimetern und ermöglicht eine enge Steuerung des Fahrzeugs. Die Magnetschwebebahn muss jedoch kontinuierlich überwacht und gesteuert werden, um eine stabile Position zu halten. Das erhöht den Energieverbrauch.
Elektrodynamische Levitation (EDS):
- Die EDS basiert auf der Induktion. Starke Magneten an der Magnetschwebebahn induzieren Wirbelströme in leitfähigen Schienen, die ein Magnetfeld erzeugen, das dem Magnetfeld des Zuges entgegenwirkt und ihn abstößt. Dadurch schwebt der Zug. Diese Technik ermöglicht höhere Schwebehöhen (einige Zentimeter), jedoch nur bei höheren Geschwindigkeiten, da die Induktion erst dann ausreichend stark ist. Die EDS-Technologie ist stabiler und benötigt keine permanente Überwachung, da die Magnetfelder von Natur aus stabilisierend wirken. Sie erfordert jedoch hohe Geschwindigkeiten für das Schweben und ist bei niedrigen Geschwindigkeiten deutlich weniger effizient.
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Antrieb und Steuerung
Auch für Antrieb und Steuerung gibt es zwei verschiedene Methoden:
Lineare Induktionsmotoren (LIM): LIMs arbeiten ähnlich wie rotierende Induktionsmotoren, jedoch auf einer geraden Strecke. Ein magnetisches Feld bewegt sich entlang der Schiene und induziert in den Leitern des Fahrzeugs Ströme, die ein eigenes Magnetfeld erzeugen, das wiederum mit dem Feld der Schiene interagiert und so das Fahrzeug vorwärts treibt. Durch die Steuerung des Wechselstroms, der durch Wicklungen fließt, kann die Geschwindigkeit der Magnetschwebebahn kontrolliert werden.
Lineare Synchronmotoren (LSM): LSMs nutzen synchronisierte Magnetfelder, die entlang der Strecke erzeugt werden, um das Fahrzeug anzutreiben. Die Magneten am Fahrzeug sind auf die Frequenz des erzeugten Magnetfeldes abgestimmt, sodass sie synchron mit dem Feld laufen und das Fahrzeug vorwärts ziehen. Die exakte Kontrolle der Frequenz des Magnetfelds ermöglicht eine präzise Steuerung der Geschwindigkeit und Position des Fahrzeugs. LSMs sind effizienter als LIMs und bieten eine höhere Leistungsfähigkeit, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten einer Magnetschwebebahn.
Magnetschwebebahnen: Verschiedene Arten
Magnetschwebebahnen nutzen neuartige Technologien, um Züge ohne direkten Kontakt zur Schiene schweben und sich fortbewegen zu lassen. Die beiden genannten Hauptsysteme sind das elektromagnetische Schwebesystem (EMS) und das elektrodynamische Schwebesystem (EDS), die in verschiedenen Projekten weltweit Anwendung finden.
Das bekannteste Beispiel für ein EMS-System ist der Transrapid, der in Deutschland entwickelt wurde. Bei diesem System wird die elektromagnetische Schwebetechnik verwendet, um den Zug stabil und präzise über der Schiene schweben zu lassen. Elektromagnete am Fahrzeugboden erzeugen ein Magnetfeld, das von der darunter liegenden Schiene aus Eisen angezogen wird. Zusätzlich wird die Führung des Zuges durch seitlich angebrachte Führungsmagnete gewährleistet, die den Zug in der Spur halten. Diese Technik macht den Transrapid zu einem äußerst stabilen und schnellen Transportmittel. Allerdings ist die EMS-Technologie energieintensiv, da die Magneten ständig aktiv sein müssen, um den Zug schweben zu lassen.
Im Gegensatz dazu arbeitet das EDS-System, wie es beispielsweise beim japanischen JR-Maglev eingesetzt wird, nach einem anderen Prinzip. Dieses System nutzt die elektrodynamische Levitation, bei der starke Magneten am Zug, oft Supraleiter-Magneten, ein Magnetfeld erzeugen, das mit dem der Schiene interagiert. Ein deutlicher Vorteil der EDS- gegenüber der EMS-Technologie ist die natürliche Stabilität des Systems, da das erzeugte Magnetfeld von selbst eine stabilisierende Wirkung hat.
Während EMS-Systeme wie der Transrapid durch ihre Präzision und Kontrolle bestechen, zeichnen sich EDS-Systeme wie der JR-Maglev durch ihre höhere Stabilität und Effizienz bei hohen Geschwindigkeiten aus. Die Wahl zwischen diesen beiden Technologien hängt letztlich von den spezifischen Anforderungen und Einsatzbedingungen für die Magnetschwebebahn ab.
Hier gibt es Magnetschwebebahnen
Die Magnetschwebe-Technologie hat in den vergangenen Jahrzehnten in verschiedenen Teilen der Welt, insbesondere aber in Asien Anwendung gefunden, wobei einige bemerkenswerte Projekte bereits in Betrieb sind. Ein prominentes Beispiel ist der Shanghai Maglev, der seit 2004 in China in Betrieb ist. Diese Bahn nutzt die elektromagnetische Schwebe- und Führungstechnik (EMS) und verbindet den internationalen Flughafen Shanghai Pudong mit der Stadt. Mit einer Höchstgeschwindigkeit von bis zu 430 km/h ist der Shanghai Maglev eine der schnellsten kommerziellen Eisenbahnverbindungen weltweit.
Ein weiteres Beispiel ist der japanische Chuo-Shinkansen, auch bekannt als JR-Maglev, der derzeit abschnittsweise zwischen Tokio und Nagoya gebaut wird. Diese Bahn setzt auf die elektrodynamische Levitation (EDS) und soll nach ihrer Fertigstellung Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h erreichen, wodurch die Reisezeit zwischen den beiden Städten erheblich verkürzt wird. Japan plant, diese Strecke bis 2045 nach Osaka zu verlängern, was den Chuo-Shinkansen zu einem der fortschrittlichsten Hochgeschwindigkeits-Transportsysteme der Welt machen soll.
Neben diesen bekannten Beispielen gibt es auch andere Magnetschwebebahnen, wie etwa die in Südkorea betriebene Incheon Airport Maglev, die ebenfalls auf EMS basiert und die von 2016 bis 2023 eine kurze Strecke zwischen dem internationalen Flughafen Incheon und nahegelegenen Zielen bediente. Diese Bahn war ein Beispiel für die Anwendung der Magnetschwebe-Technologie im städtischen Nahverkehr, wo sie auch zukünftig wieder als umweltfreundliche und geräuscharme Alternative zu herkömmlichen Transportsystemen eingesetzt werden könnte. Generell ist geplant, sie wieder in Betrieb zu nehmen.
Welche Pläne gibt es für die Zukunft?
Die Zukunftsaussichten der Magnetschwebe-Technologie sind grundsätzlich vielversprechend, da sie das Potenzial hat, den Hochgeschwindigkeits-Transport weiter voranzutreiben. Länder wie China und Japan investieren viel in die Forschung und den Ausbau dieser Technologie. In China gibt es Pläne für eine Magnetschwebebahn, die Peking und Shanghai verbinden soll, eine Strecke von über 1.200 Kilometern, die in weniger als drei Stunden zurückgelegt werden könnte – bislang nur in der Theorie. Auch in Europa und den USA werden immer wieder neue Projekte und Studien durchgeführt, die das Potenzial von Magnetschwebebahnen für die Verbindung von Großstädten oder als umweltfreundliche Alternative zum Flugverkehr untersuchen.
Zukünftige Entwicklungen könnten sich auf die Effizienz und Kosten der Technologie konzentrieren, um sie wirtschaftlich tragfähiger zu machen. Fortschritte in der Supraleitertechnologie könnten beispielsweise die Kosten für EDS-Systeme senken und deren Einsatzmöglichkeiten erweitern. Zudem könnten Entwicklungen in der Infrastruktur dazu führen, dass Magnetschwebebahnen nicht nur für Hochgeschwindigkeitsstrecken, sondern auch für den städtischen Nahverkehr oder den Gütertransport genutzt werden können.
Magnetschwebebahnen: Vorteile und Herausforderungen
Die Magnetschwebebahn-Technologie bietet viele Vorteile, die sie zu einer Alternative zu herkömmlichen Verkehrssystemen machen. Dem stehen gleichzeitig große Herausforderungen gegenüber, die eine breitere Anwendung bisher begrenzt haben.
Einer der größten Vorteile von Magnetschwebebahnen ist sicher die hohe Geschwindigkeit. Da sie ohne direkten Kontakt zur Schiene fahren, entfallen mechanische Reibungseffekte, die die Geschwindigkeit begrenzen. Der Shanghai Maglev oder der Chuo-Shinkansen in Japan erreichen Geschwindigkeiten von über 400 km/h beziehungsweise 500 km/h. Damit könnten Magnetschwebebahnen bis zur Mittelstrecke eine Alternative zum Flugzeug werden.
Geringer Energieverbrauch
Ein weiterer Vorteil ist die Energieeffizienz. Magnetschwebebahnen, insbesondere EDS-Züge, haben durch den fehlenden mechanischen Kontakt und die reduzierte Luftwiderstandsfläche einen geringen Energieverbrauch. Zudem wird ein Teil der Energie während des Bremsvorgangs zurückgewonnen. Positiv wirkt sich zudem die geringe Lärmbelastung aus. Da Magnetschwebebahnen nicht auf Schienen rollen, entfallen typische Geräusche, die durch den Kontakt zwischen Rad und Schiene entstehen. Das ist besonders in städtischen Gebieten von Vorteil, wo Lärmbelastung ein großes Problem ist.
Zusätzlich zeichnen sich Magnetschwebebahnen durch ihre geringe Wartungsintensität aus. Da es keine mechanische Abnutzung durch Reibung gibt, sind die Wartungsanforderungen im Vergleich zu traditionellen Zugsystemen geringer.
Hohe Baukosten als Herausforderung
Trotz dieser Vorteile gibt es technische und wirtschaftliche Herausforderungen, die die Verbreitung der Magnetschwebebahn-Technologie bisher eingeschränkt haben. Eine der größten sind die hohen Baukosten. Der Aufbau der notwendigen Infrastruktur, einschließlich spezieller Schienen und Bahnhöfe, ist extrem teuer. Diese Kosten werden durch die speziellen Anforderungen an die Trasse sowie die Notwendigkeit, sehr gerade und ebene Strecken zu bauen, weiter erhöht.
Neben den Baukosten stellen die Anforderungen an die Infrastruktur eine weitere Hürde dar. Magnetschwebebahnen benötigen spezielle Strecken, die nicht mit Eisenbahnen kompatibel sind. Sie können daher nicht einfach in bestehende Schienennetze integriert werden. Darüber hinaus erfordert die Technologie spezialisierte Wartungs- und Betriebsstrukturen, die nicht einfach von konventionellen Bahnbetreibern übernommen werden können.
Ein weiteres Hindernis sind die wirtschaftlichen Unsicherheiten und die Frage der Rentabilität. Da die Technologie noch relativ neu und die Infrastrukturen begrenzt sind, bleibt der wirtschaftliche Nutzen von Magnetschwebebahnen in vielen Fällen unklar. Während sie in dicht besiedelten und wirtschaftlich starken Regionen rentabel sein können, ist es fraglich, ob das in weniger entwickelten oder geringer besiedelten Gebieten ebenfalls der Fall ist.
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