Le train à sustentation magnétique

Différentes sustentations

Le principe de la lévitation magnétique est d'arriver par des forces magnétiques créées par des aimants afin de compenser le poids du mobile. Cette compensation de la gravité permet la lévitation c'est à dire l'élévation et le maintient d’un objet au-dessus du sol sans l’intervention d’un quelconque appui.

Pour compenser la gravité, il existe aujourd’hui deux principes pour la lévitation magnétique :

• La sustentation électrodynamique : utilisant la supraconductivité (ex : Le Maglev au Japon).
• La sustentation électromagnétique : utilisant des électroaimants (ex : Le Transrapid en Chine).

Sustentation électrodynamique :

Les trains utilisant le système électrodynamique utilisent l'effet Meissner pour léviter, c'est à dire l'utilisation de supracondcteur et d'aimant.

Supraconductivité

La supraconductivité est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans résistance et une annulation du champ magnétique à condition que leur température soit inférieure à une certaine valeur appelée température critique (Tc). Le plus souvent ces températures sont très basses (proche du zéro absolue).Tel le Schéma ci-dessous.

Pour que ce phénomène appelé effet meissner se produise, il faut que :

1. Le supraconducteur est une certaine température appelée Tc (propre à chaque matériau) proche du 0°K (-273,15°C);
2. Le supraconducteur soit proche d’un aimant;
3. Le supraconducteur doit être en mouvement dans un champ magnétique.

La disposition du train sur les rails est dite en « U » (comme ci-dessous). Cette méthode permettant une meilleure stabilité ainsi que plus de sécurité.
Le tain à sustentation électrodynamique est constitué comme ceci :

Sustentation électromagnétique :

Dans le cas d'un système électromagnétique,  la lévitation est générée par des électroaimants régulés par ordinateur.

Un électroaimant est composé d’une bobine (ou solénoïde) enroulée sous forme de spires. De même qu'un aimant il possède un pôle sud et un pôle nord mais n'a pas le même fonctionnement. Ainsi lorsque le courant passe dans la bobine il produit un champs magnétique, comparable a celui d'un aimant. Par contre, en l’absence de courant, la bobine reste inactive, et ne produit plus de champs magnétique. On remarque aussi que le sens du champs magnétique dépend du sens du courant (inversion des pôles lors de l'inversion de l'intensité).

L’avantage de l’électroaimant, en comparaison à l’aimant permanent, est la possibilité de contrôler l’activation de l’aimantation (le champs magnétique étant créé uniquement lors du passage d'un courant dans le solénoïde).

De plus, la modification de la tension et de l’intensité dans la bobine permet d'ajuster la force magnétique de l’électroaimant.

Le train à sustentation électromagnétique est disposé de cette façon sur le rail :

Un système électronique de contrôle vérifie constamment que le train lévite bien en toute stabilité. De même il vérifie que le train se situe au centre de la voie de guidage. Par exemple si le train se déport vers la gauche dans un virage, on enverra plus de courant dans les bobines de droite pour augmenter la force de répulsion du côté droit et remettre le train au centre de la voie et ainsi de suite.

La propulsion du Maglev n'est pas composée d'un moteur classique comme pour celui du TGV mais d'un moteur synchrone à stator long, la motricité est donc entrainée par la force magnétique, et n’utilise donc aucun contact. La propulsion du Transrapid est donc dû qu’au magnétisme.

Le déplacement se fait grâce aux électroaimants situés sur le train. Sur les rails les électroaimants sont alternés comme ceci : un nord, un sud, un nord… Un électroaimant nord du train est repoussé par un pôle nord sur les rails, et est attiré vers l’avant par un pôle sud.

Il est ensuite nécessaire de déplacer les champs magnétiques car sinon l'électroaimants nord du train, qui avait été attiré par un pôle sud du rail, serait par la suite devant un pôle nord et il serait repoussé vers l’arrière.

Les champs magnétiques se déplacent par l’alternance du sens du courant dans les électroaimants. Le pôle nord devient un pôle sud et le pôle sud un pôle nord sur le rail. Ceci permettant la propulsion du train.

Ainsi on modifie l’emplacement des champs magnétiques, comme sur la figure ci-dessous : le champs magnétique sortant du plan du schéma correspond à un pôle nord et un champs magnétique entrant dans le plan du schéma correspond à un pôle sud.

Pour accélérer, on augmente la fréquence (T sur le graphe) et donc on diminue la durée entre deux inversement de pôle. Les bobines changent alors plus rapidement de pôle, et les électroaimants sont plus vite attirés vers le pôle suivant.

Avantages et inconvénients

Avantages

• Le train à sustentation magnétique atteint des vitesses très élevées grâce à l'élimination des frottements (la vitesse de croisière actuelle pour le transrapid chinois est de 430 km/h et la vitesse de croisière théorique possible est d'environ 550 km/h) ;
• Fait étonnant aux vues de sa vitesse, le train magnétique est l'un des transports les plus sûrs (7 fois plus sûr que l'avion) ;
• L'élimination des frottements permet de réduire très fortement l'usure des pièces composant le train . En fait il n'y a pas d'usure due au roulement, et au freinage comme sur un train classique . Cela permet de réaliser des économies sur la maintenance et d'avoir une fiabilité accrue (moins d'accident dû à l'usure) et donc d'être plus compétitif vis à vis de l'avion où du TGV ;
• L'un des grands avantages du train magnétique est son accélération, c'est à dire sa capacité a atteindre les 300 km/h le plus rapidement possible, faisant ainsi gagner du temps aux usagers ;
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• Il consomme d'ailleurs moins d'énergie qu'un train de type TGV puisqu'il n'y a que les frottements de l'air qui affecte le train. Ainsi son accélération est réalisée sur une plus courte distance . En effet, l'accélération est la phase qui consomme le plus d'énergie durant un trajet ;
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• Exemple d'énergie consommée par siège. Pour une distance de 300km avec 3 arrêt intermédiaire en fonction de la vitesse:

  Vitesse	Consommation en Wh/km/siège	Consommation en L de gazole/100km
  200 km/h	32 Wh/km	1,1 l gasoline/100 km
  300 km/h	47 Wh/km	1,6 l gasoline/100 km
  400 km/h	66 Wh/km	2,2 l gasoline/100 km

• De plus pour réduire la consommation d'énergie, seul la partie où le train se situe est alimentée;
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• Il permet de monter des pentes ayant une inclinaison plus forte (10%) que pour un train traditionnel (4%), ce qui permet de ne pas avoir à endommager le relief par endroits ;
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• Le risque de déraillement est presque nul ;
• Le train à sustentation magnétique a la capacité de gérer des virages serrés : pour un même virage le train à sustentation parcourra, par exemple, 1950m à 300 km/h alors qu'un train traditionnel mettra 3200m ;
• Il génère une nuisance sonore moins élevée qu’un train traditionnel.
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Inconvénients

• Le prix de construction des voies est très important ;
  L’exemple du transrapid Chinois illustre bien cet aspect. En effet, le coût total de l’investissement a été de 1,2 milliard d’euros. Le kilomètre de voie du Maglev est trois fois plus cher que celui d’une ligne TGV, qui est d’environ 5 millions d’euros.
• Incompatibilité avec les réseaux traditionnels. La jonction entre une ligne de train à sustentation magnétique et une ligne pour train traditionnel n’est pas possible. Cela rajoute donc un coup élevée car il faut recréer un réseau entier pour l'implantation d'un train à sustentation magnétique ;
• L’utilisation des supraconducteurs dans certains projets peut poser des problèmes. Les supraconducteurs peuvent agir sur tous les outils magnétiques se trouvant à bord du train, comme les cartes de crédits, ou les stimulateurs cardiaques…
• Le transport de marchandises n'est pas adaptée avec ces types de train car ils sont peu adapté pour des frets excessivement lourds.
• Puisque le supraconducteur doit être en mouvement dans un champ magnétique dans le cas du train à sustentation électrodynamique (maglev) il est nécessaire que le train atteigne 100km/h pour rentrer en lévitation.

Les projets

En Chine

La liaison de l'aéroport Transrapid à Shanghai a commencé son service commercial en Janvier 2004. Le Transrapid de Shanghai est le premier système commercial à sustentation magnétique à grande vitesse.
Il se déplace sur un rail de guidage de 30 kilomètres de long à double voie, de Long Yang Road Station à l’aéroport international Pudong de Shanghai, avec une vitesse d'exploitation de 430 km/h. Le trajet a une durée d'un peu moins de huit minutes.
En Décembre 2009, plus de 23 millions de passagers ont déjà voyagé sur le Transrapid à Shanghai.
Des négociations sont actuellement en cours entre les chinois et l'industrie allemande des Transrapid pour une extension jusqu'à l'ancien aéroport de Shanghai, Hongqiao (34 km), suivie par une nouvelle phase de prolongement de la ligne à la ville de Hangzhou. Cela fait une distance totale de 200 km. La réalisation de ce projet global signifierait l'achèvement du premier projet Transrapid à longue distance en Chine. L'image suivante montre le tracé du projet :

En Allemagne

L'Allemagne avait eu comme projet de construire une ligne de train Transrapid en reliant la ville de Munich avec son aéroport en moins de 10 minutes pour une distance de 37 km. Ce projet, élaboré par le groupe ThyssenKrupp-Siemens, a été abandonnée en mars 2008 à cause du prix qui a manifestement explosé passant d'un budget initial prévu aux alentours de 1,85 milliards de dollars à un prix estimé entre 3,2 et 3,5 milliards de dollars . D’autant plus que le gouvernement devait couvrir la moitié des frais de production.
Le problème étant que cet abandon de projet n’améliore pas l’image de marque de la société allemande et du Transrapid. Son image a aussi été abimée après un accident en 2006: 23 personnes avaient trouvé la mort lors d'un trajet sur une ligne d'essai en Allemagne.

Au Japon

Le train à lévitation électromagnétique devrait voir le jour, au Japon entre Tokyo et Nagoya d’ici 2025. Le projet prévoit une ligne pouvant transporter des passagers à plus de 500km/h.
La compagnie japonaise JR Tokai a en effet annoncé qu'elle allait investir 32 milliards pour la construction de cette ligne. Le temps de parcours entre les deux villes sera alors diviser par deux par rapport au temps que met actuellement le train à grande vitesse Tokaido Shinkansen. Il ne faudra alors plus qu'une heure pour parcourir les 550 kilomètres entre Tokyo et Osaka. Il pourrait à terme remplacer cet actuel train à grande vitesse qui se déplace qu'à 300 km/h.

En Suisse

Le Swissmetro relierait les villes et des aéroports suisses, et ce rapidement et de façon efficace. Les stations de Swissmetro se situeraient directement sous les grandes gares ou à leur proximité immédiate afin de pouvoir changer de train sans problème (voir photo ci-dessus). Aux heures de pointe, le Swissmetro circulerait toutes les six minutes à une vitesse de 500 km/h.
Le Swissmetro circulera dans deux tunnels à une voie afin de garantir une sécurité optimale. Les tunnels se situeraient dans une profondeur de 50 à 100 mètres de la surface et auraient un diamètre d’environ 6,5 mètres. Tous les 15 km on installerait des pompes aspiratoires qui créeraient un vide partiel dans les tunnels. Ce vide sert à réduire la résistance de l’air et permet à Swissmetro de circuler à une vitesse supérieure tout en réduisant la consommation d’énergie .Le trajet Zurich – Berne ne durerait plus que 12 minutes et celui de Genève à St Gallen moins d’une heure. Malheureusement il n’existe actuellement ni le financement ni la volonté politique pour la réalisation d’un projet de cette envergure.

Le projet "Ultime"

Il pourrait y avoir une réalisation très futuriste qui résoudrait les problèmes de transports pour les longs trajet.Il sagit du train supersonique sous-marin. Il pourrait être achevé à l'horizon 2050. Circulant sous vide par sustentation magnétique à 6437 kilomètres heure, dans un tunnel suspendu entre 45 et 91 mètres sous la surface de l'océan mais ancré sur le fond de l'Atlantique nord. Le coût global de ce projet pour relier New York à Londres est estimé entre 88 milliards et 175 milliards de dollars (60 à 119,3 milliards d'euros), soit 25 à 50 millions de dollars (17 à 34 millions d'euros) par mille construit.

Conclusion : les perspectives de l’avenir

Etant donné que l'évolution de la vitesse des trains traditionnels sera de plus en plus difficile et coûteuse, on peut voir dans le train à sustentation le mode du transport de l'avenir.
Même si cette solution présente des atouts écologiques et des gains de temps, la mise en service de ces types d’application nécessite est extrêmement onéreuse.
Ce moyen reste donc, pour un future proche, une solution très spécifique et locale : ces trains de type Maglev ne peuvent pas être insérées dans la structure ferroviaire actuelle des pays d’Europe occidentale comme la France. En revanche, dans les zones, comme la Chine ou l'Australie, où il n'y a pas de système ferroviaire dense, le Maglev sera potentiellement le meilleur choix.
Ainsi, l’implantation de ces nouveaux trains en avance sur leur temps, qui par leurs nombreux avantages pourraient séduire les politiques tout en restant une application très chère, ne pourra se réalisée qu’au cas par cas dans des pays riches et développés qui auront des besoins spécifiques dans le souci d’un avenir durable.