Kurşundan Hızlı Tren >> Sesten hızlı giden Hyperloop tren testleri başlıyor

Elektrikli otomobillerin öncüsü Tesla Motors ile ABD’nin uzay kapsüllerini ve yeniden kullanılabilen roketlerini geliştiren SpaceX şirketinin dahi CEO’su Elon Musk’ın bir hayali var: Sesten hızlı giden Hyperloop tren yapmak. Böylece Los Angeles-San Francisco arasını 30 dakikaya inecek. Peki bir tren sesten nasıl hızlı gidebilir ve buna ne gerek var?

İşe “Ne gerek var?” kısmıyla başlayalım. Pazartesi günü Popular Science Türkiye yazarı olarak davet edildiğim popüler bilim paneline katılmak üzere İstanbul’dan İzmir’e uçtum ve Ege Üniversitesi’ne gittim. Uçuş sadece 55 dakika sürdü ama uçak 15 dakika rötar yaptı.

 

 

Süpersonik tren uçaktan çabuk gidiyor

Chek-in işlemleri için havalimanına en az 1 saat önce gitmemiz gerektiğinden ve bunun için de İstanbul trafiğini hesaba katmak zorunda olduğumuzdan, gidiş-dönüş 8 saatimiz yollarda geçti; yani uçakla 55 dakika uçtuk ama yol 8 saat sürdü!

İşte bu yüzden sesten hızlı giden Hyperloop trenlere ihtiyacımız var. Çünkü böyle bir tren karada saatte 1237 km hızla gidecek, İzmir’e yavaşlama süresi dahil 1 saatte ulaşacak ve tek işimiz Kadıköy’den Haydarpaşa garına gitmek olacak.

Tren garına gitme süresini de hesaba katarsak İzmir’e yolculuk gidiş-dönüş maksimum 4 saat sürecek. Trafiğe takılmayacağız, yorulmayacağız ve vakit nakittir misali, zamandan kazanacağız.

 

Süpersonik kara taşımacılığı neden zor?

Bunu şöyle sorabiliriz: Neden arabalar sesten hızlı gitmiyor? Çünkü arabaların tekerlekleri var ve hızlandıkça sürtünme artıyor. Termodinamiğin ikinci yasası gereği, hızlanan araçlarda motorun benzin yakarak ürettiği enerjinin gittikçe daha az kısmı işe dönüşüyor; yani çok hızlı giden bir otomobili daha da hızlandırmak zorlaşıyor

Motorun ürettiği gücün büyük kısmı sürtünme nedeniyle ısınan tekerlekler yüzünden atık ısı olarak havaya karışıyor. Üstelik sürtünmeyi ortadan kaldıramıyoruz, çünkü tekerleklerin yol tutuşu açısından sürtünme şart. Elbette süpersonik araba yarışlarında olduğu gibi, özel tasarlanmış otomobillere jet motoru takabiliriz.

Ancak bunun bir bedeli var: Ses hızına yaklaşırken tekerleklerin üstünden geçtiği en ufak bir çakıl taşı bile süpersonik otomobilin devrilip parçalanmasına yol açabilir. Nitekim bu yarışlar genellikle Nevada çölündeki kurumuş göl yatağı Groom Lake’te yapılıyor ve kazayı önlemek için yarıştan önce yoldaki küçük taşlar tek tek elle temizleniyor.

 

Pratik değil

Çocuğunuzu ilkokula götürürken yanınızdan ses hızıyla giden bir araba geçmesini istemezsiniz. Öncelikle sessiz uçan süpersonik uçak yazımda belirttiğim gibi, bu büyük bir ses patlamasına yol açar. Sizi sağır eder ve evlerin camlarını kırar. Arabanın rüzgarı sizi birkaç metre uzağa savurur.

Ayrıca her çıkışın bir inişi olduğu gibi, her gidişin de bir duruşu var. Bu nedenle ne kadar hızlı gidiyorsanız virajı almak için o kadar geniş bir dönemece ihtiyacınız oluyor. Dar ve kalabalık şehir sokaklarında süpersonik hızlara ulaşmak ve direksiyonu kırmak mümkün değil. Buna benzer bir zorluk tankerler için de geçerli:

250 metrelik bir petrol tankeri denizde dümen kırdığı zaman sağa ya da sola dönmesi için en az 14 km mesafeye ihtiyaçları oluyor. Yoksa dümen kırsa bile önüne çıkan gemiye çarpıyor. Şimdi buna sesten hızlı giden aracınızla trafikte kırmızı ışık yanınca aniden durmanız gerektiğini ekleyin: Işığa gelmeden 20 km önce yavaşlamaya başlamanız gerekir; yoksa aracın ön camından roket gibi fırlayıp bir sonraki durağa uçarsınız.

İlgili yazı: Bill Gates’e göre dünyayı kurtaracak 3 temiz enerji

 

Süpersonik tren nasıl gidecek?

Artık bu sorunun cevabını vermeye hazırız: Hyperloop trenler içindeki hava neredeyse tümüyle boşaltılmış olan vakum tünellerde gidecek. Böylece sürtünme büyük ölçüde ortadan kalkacak ve elektrikli motorun sağladığı enerjinin yüzde 90’ı hızlanmaya yarayacak. Kısacası süpersonik hıza ulaşmak çok kolaylaşacak.

Süpersonik tren geliştiren Hyperloop Technologies; ülkeleri, şehirleri ve kıtaları petrol boru hattına benzeyen bu tür vakum tünellerle birbirine bağlamak istiyor. Ancak bu petrol boru hattı döşemekten daha pahalı bir iş.

Yine de sıkıntı yok. Kimse şehir hatlarında süpersonik tren çalıştırmayı düşünmüyor. Sesten hızlı giden ekspres trenler durağa gelmeden 30-40 km önce hız kesmek zorunda olacağı için sadece büyükşehirler arasında gidecekler ve ara duraklarda dur kalk yapmayacaklar.

 

En önemli detayı atladık

Ancak havası alınmış tünellerde gitmek sürtünmeyi önlemek için yeterli değil. Bir de trenlerin tekerleksiz olması gerekiyor. Hem sarsıntıyı önlemek, hem de trenin en küçük bir taşa çarpınca rayları yamultarak yoldan çıkmasını engellemek için bu şart. Süpersonik trenler tekerleksiz tren olmak zorunda.

Peki tekerleksiz tren nasıl gider? Manyetik hava yastıkları üzerinde! Aslında elinize mıknatıs aldıysanız bunu siz de biliyorsunuz. Mıknatıslar manyetik alan üretiyor ve her mıknatısın bir kuzey, bir de güney kutbu bulunuyor. Elektromanyetik kuvvete göre eş kutuplar birbirini itiyor ve zıt kutuplar birbirini çekiyor.

Bu durumda trenin altına tekerlek yerine elektromıknatıs takarız ve raylara da elektromıknatıs döşeriz. Ardından elektrik verince zıt kutuplar birbirini iter ve tren yerden 5-10 cm yükselir. İşte buna manyetik hava yastığı veya manyetik kaldıraç (maglev) teknolojisi diyoruz.

 

Süperiletken çağı

Ancak elektromıknatıslar çok elektrik tüketiyor ve elektriğe direnç gösteren metallerden yapıldıkları için aşırı ısınıyor. Bunu önlemek için süperiletkenler kullanmamız gerekiyor. Süperiletken metaller elektriğe hiç direnç göstermiyor. Böylece elektriğin yüzde 90’ını treni havaya yükselterek ileri iten manyetik alanlar üretmekte kullanabiliyoruz.

Yalnız oda sıcaklığında çalışan süperiletken yok. Bunun için metalleri -180 derece veya daha fazla soğutmamız gerekiyor. Dolayısıyla bu tür trenleri kullanmak için daha büyük elektrik santrallerine, sıvı azot gibi süper soğutulmuş gaz depolama ve pompalama sistemlerine ihtiyacımız oluyor.

Kısacası enerji tüketimi ve işletme maliyeti açısından süpersonik Hyperloop trenler sesten hızlı giden ünlü Concorde uçağından daha pahalıya geliyor. Yine de Hyperloop Technologies şirketi bu engelleri aşarak önümüzdeki 10 yılda Amerika’da ilk süpersonik tren hattını açmaya hazırlanıyor.

 

Fikir babası Elon Musk

Çünkü süpersonik tren kavramını 2013 Ağustos ayında yaptığı 57 sayfalık sunumda Elon Musk ortaya attı ve Hyperloop (hiper hızlı ring yapan tren hattı) terimini ilk kez o kullandı. Amacı San Francisco-Los Angeles arasını 30 dakikaya indirmekti

Bunun için Amerika’da elektrikli araçları destekleyen güneşli California eyaletini seçmesi çok normal. Bol güneş ışığı trenleri temiz güneş enerjisiyle çalıştırmayı sağlayacak ve elektrikli araçlara uygulanan vergi indirimiyle birlikte hem enerji tüketimini hem de hat maliyetlerini düşürecek.

İlgili yazı: Dünyanın ilk güneş enerjili spor arabası Immortus

 

Ancak Musk geç kaldı

Hyperloop teknolojisini Elon Musk ortaya attı, ama sahibi olduğu SpaceX şirketi bu konuda biraz geri kaldı. Süpersonik tren denemelerine SpaceX’ten önce, rakip şirket Hyperloop Technologies başlayacak. Amaçları bir-iki yıl içinde saatte 1297 km hıza ulaşmak.

1236 km/saatlik ses biraz hızlı ve ilk prototip olarak fena değil (Ses dalgaları havanın dalgalanmasıyla oluştuğu için, ses hızını deniz seviyesindeki hava basıncına göre hesaplıyoruz ve yazıdaki hızı bu şekilde buluyoruz).

 

Neden süpersonik uçaktan ucuz?

Hyperloop Technologies maliyetleri düşürmek için birkaç hile yapıyor. Şimdi bunlara kısaca değinelim ve süpersonik trenin pratikte nasıl mümkün olacağına bakalım.

Öncelikle trenler için güneş enerjisi santralleri kullanacaklar. Hatta tren hattını oluşturan vakum tüplerin üzerine güneş panelleri döşeyecekler. California güneşli memleket olduğu için bu kolay. Ayrıca treninin elektrikli motoru için mevcut teknolojilerden yararlanacaklar.

Nitekim manyetik yastık üzerinde giden trenler var. Örneğin Japonya’da bu tür bir deneysel tren hattı bulunuyor. Ancak bu trenler vakum tünelde değil, açık havada çalışıyor ve saatte 500 km ile sesten yavaş gidiyor. Yine de müthiş bir hızdan söz ediyoruz ve Hyperloop trenler elektrikli motor teknolojisini bu trenlerden alacak.

ilgili yazı: Güneş enerjili karayolları

 

Vakum tüneller nasıl çalışıyor?

Hyperloop trenler vakum tünellerin içinde gidecek dedik, ama bunu uzay boşluğu gibi düşünmeyin. Tümüyle havası alınmış tüp yapmak hem fiziksel olarak imkansız, hem de uzay boşluğu gibi neredeyse tümüyle boş olan bir tünel yapmak çok pahalı.

Çünkü kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre Evren sanal parçacıklarla dolu ve uzaydaki bütün atomları kontrol ederek mükemmel vakum oluşturmak mümkün değil.

Kısacası dünyadaki en güçlü hava boşaltma pompalarını kullansak bile uzay boşluğu kadar boş vakum yaratamayız. Yaratsak bile, 300 km’lik bir tüpün içinde vakum ortamını korumak çok pahalı olurdu. 🙂 Ancak süpersonik trenler için kısmen havası alınmış tüpler yapabiliriz.

 

Kısmi vakum tam vakumdan güvenli

Hyperloop tren hatları en az 1 milibarlık düşük basınçlı tüpler kullanacak; yani mühendisler tünele biraz hava basacaklar, ama yangın tehlikesini önlemek için oksijen yerine asal gaz kullanacaklar. Böylece tüp delinirse patlama riskini azalacak.

Çünkü tümüyle havası alınmış bir tüp delinirse büyük bir patlamayla havaya uçacaktır ve oksijen içeren bir tüp de oksijenin yanıcı olması nedeniyle patlama sırasında alev alabilir. Asal gaz, dışarıdaki hava ile içerideki hava arasındaki basınç farkını azaltarak düşük maliyetli ve güvenli tüpler yapmayı kolaylaştırıyor.

 

 

Elektrik tasarrufu

Bunun dışında, treni tümüyle manyetik hava yastığıyla yukarıya kaldırmak ve ileri etmek çok elektrik harcıyor. Elon Musk bu yüzden düşük basınçlı tünelde hem manyetik kaldıraç sistemini kullanan, hem de yere hava üfleyerek oluşturduğu hava yastıkları üzerinde hovercraft gibi yükselen “hibrit süpersonik trenler” tasarladı.

Bunun için de resimde gördüğünüz gibi trenin burnuna büyük bir fan ve hava kompresörü yerleştirmeyi düşündü. Tren bu kompresörü kullanarak yere hava üfleyecek ve manyetik kaldıraçlar üzerindeki yükü hafifletecek. Böylece yolcuların yanı sıra kargo konteynırları gibi ağır yükleri de kaldırıp ucuza taşıyacak.

 

Test rayları nereye döşeniyor?

Hyperloop Technologies, sistemi test etmek için Nevada’daki Apex Industrial Park’ı seçti. Nevada Valiliği Ekonomik Kalkınma Dairesi Direktörü Steve Hill’e göre bu terk edilmiş, ıssız arazi yüksek hız testleri için son derece güvenli:

“Hyperloop Technologies taşımacılıkta dünya görüşümüzü değiştirmeye odaklı ve Nevada eyaletinin bu testin ilk aşamasında rol alacak olmasından son derece memnunuz.”

İlglii yazı: Güneş ışığından elektrik üreten grafen boya

 

Açık hava testi

Şirket Hyperloop testleri için küçük bir elektrikli motor geliştirdi ve amacı bu motoru taşıyan kutunun manyetik kaldıraçlı raylar üzerinde sadece elektrik gücüyle gitmesini sağlamak.

Henüz Hyperloop için tam boy manyetik raylar ve elektrikli motorlar geliştirilmedi. Bu yüzden ilk testte kısmi vakum tüneller de kullanılmayacak. Buna karşın, deneme motoru 1 km uzunluğundaki elektromanyetik rayda saatte 540 km hıza erişecek!

 

Aerodinamik vagonlar

Kısmi vakum tünellerde hava direnci tümüyle ortadan kalkmıyor ve sürtünmeyi azaltmak gerekiyor. Bu yüzden Hyperloop’ta aerodinamik vagonlar kullanmak gerekiyor ve sürtünme optimizasyon testleri için şimdiden detaylı bir test takvimi çıkardılar:

2016-2018 arasında yapılacak denemelerde aerodinamik testlere ek olarak elektrikli motor, hava kompresörü, manyetik kaldıraç, vakum tüpler, vagonlar ve ray hatları test edilecek. Nitekim Hyperloop Technologies Başkanı Rob Lloyd, 2016’dan sonra 3 km uzunluğunda kısmi vakum tünel inşa edeceklerini ve Hyperloop vagonlarını bu tünelde test edeceklerini söyledi.

Hyperloop test sürüşü

 

Vagon mu? Hani tren yapacaklardı?

Hyperloop trenler aslında bir lokomotifin çektiği çok sayıda vagondan değil de her biri kendi motoruna sahip olan ve tünelde tek başına giden tek tek vagonlardan oluşuyor.

Çünkü yirmi vagonluk koca bir treni manyetik kaldıraçlı tek bir lokomotifle önden çekmek mümkün değil. Bunun için dev gibi bir lokomotif gerekirdi. Bu lokomotif sadece bir insan boyunda ve araba genişliğindeki vakum tüplere sığmazdı. Ayrıca vagonların yüksek hızlarda kopup savrulması riskine yol açardı.

 

Uçan tren

Şu anda Amerika’da Hyperloop tren işine girmek isteyen üç şirket var. Bunlardan biri Elon Musk’ın SpaceX şirketi ve yakında kendi denemelerine başlayacak. Diğeri ise Hyperloop Transportation Technologies.

Bu son şirket geçenlerde yaptığı duyuruda, 100 – 150 milyon dolar harcayarak Los Angeles’ta kendi manyetik ray hattını kuracağını söyledi. Aslında Hyperloop bir tür uçan tren. Uçak gibi düşük basınçlı ortamda, yolcular için basınçlı kabinle ve hiçbir yere dokunmadan gidiyor. Bu nedenle uçaklarla rekabet edecek.

 

Asıl rakipler kim?

Hyperloop Technologies şirketinin asıl rakibi süpersonik tren hattı kuran diğer firmalar değil. Asıl rakipler, Amerika’daki şehirleri birbirine bağlayan dizel motorlu tren hatları (Amtrak) ve havayolu şirketleri. Dizel motorlu trenler bizdeki trenler kadar yavaş gittiği için Atlantik ve Pasifik arasında 4314 km mesafe olan Amerika’da uçakların yerini alamamıştı.

Oysa Hyperloop trenler New York – Los Angeles arasını 2 saate indirecek ve havayollarının çıkarlarını bozacak. Ancak, bunu gerçekleştirmek için karada hızlı ve güvenli yolculuk sağlayan süpersonik vakum tüp hatlarının ucuza inşa edilmesi gerekiyor. Vakum tüplerde uçak kazalarına benzer kazaların yaşanmaması yolcuların güvenini kazanmak ve tabii ki hayatını korumak açısından çok önemli.

Rakamlarla ifade edecek olursak: Seri üretime geçildiğinde 8 km’lik vakum tüp inşaatı 100 milyon dolara mal oluyor. Los Angeles – San Francisco arası mesafe 644 km ve bu hattın maliyeti 8 milyar dolar. Ancak hızlı tren inşaatının maliyeti 67,6 milyar dolar. Kısacası Hyperloop gerçekten ucuz. Hele yolcu ve yük taşıma kapasitesi açısından uçaklarla karşılaştırırsak.

 

Hızlı trende geri kaldık

Kısacası biz maksimum 250 km/saatlik yüksek hızlı trene daha yeni geçiş yapar ve bu trenleri İstanbul-Ankara gibi az sayıda hatta kullanırken (ki Fransa ve Çin’de yüksek hızlı trenler ortalama 300-350 km/s hızla gidiyor), eloğlu sesten hızlı giden tren yapmaya hazırlanıyor.

Ancak kargo taşımacılığı maliyetlerini (örneğin pazarda ucuz ve taze domates satılması), trafik kazalarını, yakıt tüketimini ve çevre kirliliğini azaltmak için hızlı trenlerin yaygınlaşması gerekiyor.

 

Demiryolları yaygınlaşmalı

Örneğin, Türkiye’de yılda 500 binden fazla trafik kazası meydana geliyor ve bu kazalarda 110 bin kişi yaralanıyor veya hayatını kaybediyor (savaş gibi!)

Can kaybını önlemenin yolu, kaza riskini azaltan hızlı trenlerden geçiyor. Kazaların en büyük nedeni olan insan faktörünü ortadan kaldıran otomatik Hyperloop trenler ve 1 saatte 6000 yolcunun trene binebileceği hiper garlar en iyi çözüm.

Bakalım Hyperloop yarışını bu üç şirketten hangisi kazanacak? Umarım rekabet edeceğiz diye birbirlerini baltalamazlar. Gereksiz iç hat uçuşlarını ortadan kaldırmak için şirketlerin güç birliği etmesi gerek. Böylece biz de belki saydam alüminyumdan yapılan şeffaf tüplerde manzaranın tadını çıkarak süpersonik yolculuk yapabiliriz. 🙂

Süpersonik tren Hyperloop

Hyperloop sunumu 2015