04-202 LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE
TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - TRANSPORTATION
INFRASTRUCTURE CONGRESS)
August 4th to 6th2010
São Paulo – Brasil
LEVITAÇÃO MAGNÉTICA: UMA QUEBRA DE PARADIGMA NO
TRANSPORTE DE MASSA DO SÉCULO XXI (MAGNETIC LEVITATION: A
PARADIGM SHIFT IN MASS TRANSPORTION OF THE XXI CENTURY)
RICHARD
STEPHAN
Dr.-Ing., LASUP/COPPE/POLI/UFRJ, 21945-970 Rio de Janeiro, BR, [email protected].
RESUMO
O artigo diferencia as promissoras técnicas de levitação magnética, mostrando seus nichos de
aplicação e suas vantagens em relação ao tradicional sistema roda-trilho. Concluí que as tecnologias
de levitação oferecem a solução para o transporte de massa do século XXI.
PALAVRAS-CHAVE: Levitação Magnética (MagLev), Levitação Eletromagnética, Levitação
Eletrodinâmica, Levitação Supercondutora, Tecnologia roda-trilho.
ABSTRACT
This paper highlights the difference among the magnetic levitation technologies, showing their
application niches and advantages in comparison with the traditional wheel and rail system. The
conclusion supports that the levitation technologies offer the solution to the mass transportion of the
XXI century.
KEY WORDS: Magnetic Levitation (MagLev), Electromagnetic
Superconducting Levitation, Wheel and rail technology.
Levitation,
Electrodynamic
Levitation,
04-202
ISSN 1983-3903
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 –
4o TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONGRESS) - ISSN 1983-3903
August 4th to 6th2010
São Paulo - Brasil
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE
TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - TRANSPORTATION
INFRASTRUCTURE CONGRESS)
August 4th to 6th2010
São Paulo – Brasil
INTRODUÇÃO
Este artigo apresenta os argumentos que justificam a convicção da equipe do Laboratório de
Aplicações de Supercondutores (LASUP) da UFRJ de que, no transporte de massa do século XXI,
as rodas serão substituídas por sistemas de levitação magnética (Figura 1). Ele está subdividido em
três partes: a primeira resume as técnicas de levitação mais promissoras, a segunda separa os nichos
de aplicação das técnicas de levitação e a terceira apresenta as vantagens em relação ao sistema
tradicional roda-trilho.
2010
Figura 1 - Passado e futuro dos sistemas de transporte de massa
TÉCNICAS DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA (MagLev)
As técnicas de levitação magnética promissoras para aplicações em transporte de massa podem ser
subdivididas em três grupos, descritos a seguir:
Levitação Eletrodinâmica (EDL)
Este tipo de levitação necessita do movimento de um campo magnético nas proximidades de um
material condutor. A proposta japonesa de trem de levitação, JR-MagLev (http://www.rtri.or.jp),
está calcada neste princípio. Existe uma linha dupla para demonstração e testes, de 18,4 km, em
Yamanashi, localidade entre Tóquio e Osaka, operando desde 1997. O recorde mundial de 582
km/h foi aí atingido em Dezembro de 2003. O Japão planeja prolongá-la para substituir o
Shinkansen (TAV roda-trilho), que liga estas duas cidades, mas a tecnologia ainda não foi
implantada comercialmente.
Se um material magnético realizar um movimento relativo a uma lâmina condutora (e.g., alumínio),
correntes parasitas serão induzidas no condutor. Estas correntes, por sua vez, gerarão um outro
campo magnético o qual, pela lei de Lenz, opor-se-á à variação do campo criado pelo material
04-202
ISSN 1983-3903
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 –
4o TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONGRESS) - ISSN 1983-3903
August 4th to 6th2010
São Paulo - Brasil
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE
TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - TRANSPORTATION
INFRASTRUCTURE CONGRESS)
August 4th to 6th2010
São Paulo – Brasil
magnético. A interação entre estes dois campos gerará uma força repulsiva no material magnético
(Rhodes; Mulhall, 1981). Esta força aumenta com a velocidade e é a responsável pela levitação O
sistema, se convenientemente ajustado, é naturalmente estável, mas necessita de rodas de apoio nas
baixas velocidades.
Levitação Eletromagnética (EML)
Este tipo de levitação tem na proposta alemã de trem de levitação, Transrapid
(http://www.transrapid.de), que está implantada comercialmente, desde 2003, em uma conexão de
30 km, em linha dupla, entre Pudong Shanghai International Airport e Shanghai Lujiazui, um
distrito financeiro, sua melhor vitrine (http://www.smtdc.com). A Alemanha também possui uma
linha singela de demonstração e teste, com 30km de extensão, em Emsland, operando há
aproximadamente 20 anos.
O fundamento físico básico, nesta aplicação, explora a força de atração que existe entre um eletroimã e um material ferromagnético. A estabilização, neste caso, só é possível com um sistema de
controle e regulador devidamente sintonizado (Sinha, 1987).
Levitação Supercondutora (SML)
Este tipo de levitação baseia-se na propriedade diamagnética dos supercondutores para exclusão do
campo magnético do interior dos supercondutores (efeito Meissner). No caso dos supercondutores
do tipo II, esta exclusão é parcial, o que diminui a força de levitação, mas conduz à estabilidade da
levitação em função do chamado efeito de “pinning” (Moon, 1994; Luiz, 1992). A propriedade de
ser estável, que representa o grande diferencial em relação aos métodos EDL e EML, só pôde ser
devidamente explorada a partir do final do século XX com o advento de novos materiais
magnéticos, como o Nd2Fe14B (NdFeB), e de pastilhas supercondutoras de alta temperatura crítica
(HTS), como o YBa2Cu3OX (YBCO). O Brasil, com o projeto MagLev-Cobra, financiado pela
FAPERJ, poderá ser o primeiro país do mundo a possuir uma linha de demonstração em escala-real
desta tecnologia.
NICHOS DE APLICAÇÃO DAS TECNOLOGIAS DE LEVITAÇÃO
Como ilustrado na Figura 2, a potência necessária para levitar um veículo baseado no método ELM
ou EDL é da ordem de 1,7kW/t (Schach et al., 2006). Em altas velocidades, este valor torna-se
comparativamente pequeno em relação à potência necessária para a tração, apontando para ligações
interurbanas, quando a alta velocidade tem um papel preponderante. Já no caso SML, a potência
necessária para levitação é praticamente zero, no entanto, a linha de imãs, necessária para promover
o efeito diamagnético, é mais cara que a infra-estrutura das opções ELM ou EDL. No transporte
urbano, predominam pequenas distâncias entre estações e baixas velocidades, abrindo-se aqui o
nicho de aplicações da tecnologia SML. Em vista disso, a proposta MagLev-Cobra de veículo de
levitação magnética para transporte urbano da UFRJ baseia-se na tecnologia SML. Para a ligação de
alta velocidade, as tecnologias ELM e EDL são as mais adequadas.
04-202
ISSN 1983-3903
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 –
4o TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONGRESS) - ISSN 1983-3903
August 4th to 6th2010
São Paulo - Brasil
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE
TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - TRANSPORTATION
INFRASTRUCTURE CONGRESS)
August 4th to 6th2010
São Paulo – Brasil
velocidade
tração
150 kW
levitação
SML
~0 kW
levitação
EDL, EML
500 kW
70 km/h
450 km/h
10.500 kW
~ 0 kW
500 kW
Figura 2 – Diferenciação de consumo nas tecnologias de levitação magnética
No caso específico brasileiro, para a ligação Rio-São Paulo-Campinas, a escolha ELM mostra-se a
mais indicada pois:
• existe interesse de cooperação da empresa alemã Transrapid,
• a tecnologia Transrapid está implantada comercialmente na China (aeroporto de Pudong),
• a China poderá participar com a sua experiência na operação do sistema Transrapid,
• o Brasil pode se valer do seu parque industrial elétrico, siderúrgico, aeronáutico e civil para
absorver esta tecnologia,
• existe uma base de conhecimento da tecnologia ELM no Brasil, centrada principalmente na UFRJ.
04-202
ISSN 1983-3903
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 –
4o TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONGRESS) - ISSN 1983-3903
August 4th to 6th2010
São Paulo - Brasil
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE
TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - TRANSPORTATION
INFRASTRUCTURE CONGRESS)
August 4th to 6th2010
São Paulo – Brasil
TECNOLOGIA MagLev X TECNOLOGIA Roda-Trilho
A tecnologia MagLev, tanto para transporte urbano quanto para transporte de alta velocidade,
apresenta as seguintes vantagens, comparativamente ao sistema roda-trilho de aço:
•
•
•
•
•
•
•
•
possibilidade de traçados mais íngrimes (10% contra 4%),
aceleração e desaceleração maiores (permitindo paradas com menor comprometimento do
tempo total de percurso),
curvas mais fechadas,
cargas distribuídas e não concentradas no ponto de contato roda-trilho,
menor emissão de ruído para uma dada velocidade,
traçados evitando áreas ambientalmente sensíveis e reduzindo comprimentos de túneis e
viadutos,
menor consumo de energia,
manutenção mais simples e barata.
Para o caso específico da alta velocidade, ainda pode-se acrescentar:
•
velocidades de cruzeiro maiores (450km/h contra 350 km/h).
Estas vantagens se refletem em custos de implantação e operação menores, além de menor tempo de
construção. Para transporte urbano, estima-se que o MagLev-Cobra gaste 1/3 do necessário para a
implantação de uma linha de Metrô subterrânea. Para alta velocidade, em topografias acidentadas,
como na região entre Rio e São Paulo, o TAV-MagLev, por necessitar de menor quantidade de
túneis e viadutos, pode se tornar até mais econômico (Stephan, 2009, 2010).
A tecnologia MagLev vem sendo pesquisada há mais de 40 anos na Alemanha e no Japão. No
entanto, em uso comercial, existem atualmente apenas duas linhas: a acima citada linha em
Shanghai e a linha conhecida como HSST (www.hsst.jp), inaugurada para a Expo´2005, Japão, num
trecho de aproximadamente 9 km, objetivando o transporte de baixa velocidade.
Já a tecnologia roda-trilho encontra-se largamente difundida.
Freqüentemente, apontam como desvantagem este fato do sistema MagLev estar implantado em
pouco lugares do mundo, comparativamente ao seu concorrente. Este argumento assemelha-se ao
dos empregadores que exigem experiência prévia dos candidatos, fechando a porta para a
oportunidade de absorver o novo e o criativo.
CONCLUSÃO
As técnicas de levitação magnética (MagLev) para transporte apresentam inúmeras vantagens de
implantação e operação, justificando o prognóstico apresentado de grande expansão no século XXI.
Se estamos pensando no futuro dos transportes de massa, não cabe privilegiar a tecnologia rodatrilho, uma vez que estaríamos trabalhando com uma tecnologia que chegou ao seu esgotamento,
04-202
ISSN 1983-3903
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 –
4o TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONGRESS) - ISSN 1983-3903
August 4th to 6th2010
São Paulo - Brasil
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE
TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - TRANSPORTATION
INFRASTRUCTURE CONGRESS)
August 4th to 6th2010
São Paulo – Brasil
aquilo que fica atrás da clara ruptura tecnológica, o que não tem perspectiva de futuro. Estamos
frente a algo parecido com o que ocorreu com as câmeras fotográficas quando se passou dos filmes
sensíveis à luz ao sistema digital, ou ainda, dos métodos de elaboração de texto, onde a máquina de
escrever elétrica, ainda que muito superior à tradicional máquina de datilografar mecânica, foi
substituída pelos editores de texto e impressoras jato de tinta ou laser.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao apoio da FAPERJ, CAPES e CNPq, bem como aos colegas do LASUP: Rubens de
Andrade Jr., Antônio Carlos Ferreira, Guilherme Gonçalves Sotelo, Ocione José Machado e Patricia
Coimbra, que estão conosco deste a gestação do MagLev-Cobra.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LUIZ, A.M. Aplicações de Supercondutividade, Edgard Blucher, 1992.
MOON, F.C. Superconducting Levitation, John Wiley, 1994.
RHODES, R.; MULHALL, B. Magnetic Levitation for Rail Transport, Oxford Press, 1981.
SCHACH,
R.;JEHLE,
P.;NAUMANN,
R.
Transrapid
und
Rad-ShineHochgeschwindigkeitsbahn: ein gesamtheitlicher Systemvergleich, Springer, 2006.
SINHA, P.K. Electromagnetic Suspension: dynamics & control, Peter Peregrinus Ltd., 1987.
STEPHAN, R. O futuro sem rodas. Jornal do Brasil. Rio de Janeiro, p.A30, 2009.
STEPHAN, R. Reflexões sobre o projeto trem-bala. Folha de São Paulo. São Paulo, p.A3, 2010.
04-202
ISSN 1983-3903
CONINFRA 2010 – 4o CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 –
4o TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONGRESS) - ISSN 1983-3903
August 4th to 6th2010
São Paulo - Brasil