Nhanh hơn máy bay? (Alex Needham, CC BY)

Loại tàu sử dụng lực nam châm để nổi lên không khí bên trên đường ray nghe có vẻ giống như trong bộ phim Trở về Tương lai (Back to the Future), nhưng khái niệm đệm từ, hay từ nổi (magnetic levitation-maglev) đã xuất hiện rất nhiều năm trước. Tàu Maglev sử dụng công nghệ này đã được phát triển ban đầu vào những năm 60 và từ đó đến nay có rất nhiều các phương pháp khác nhau được phát triển để bỏ đi bộ phận bánh xe chạm đất của tàu.

Tàu Maglev giải quyết được hai hạn chế của loại tàu thông thường. Thứ nhất, sự tiếp xúc cơ khí giữa bánh xe và đường ray của loại tàu thông thường sẽ làm chúng chậm lại. Bởi vì một chiếc bánh xe tàu hỏa điển hình nặng khoảng một tấn, nên khi nó liên tục va chạm vào đường ray với tốc độ cao, thì cần phải bảo trì đường ray thường xuyên để duy trì nó ở mức tiêu chuẩn cần thiết.

Thứ hai, tàu thông thường lái và hãm phanh thông qua sự tiếp xúc cơ khí và do đó cần phải lắp đặt động cơ phản lực trên tàu. Điều này không thành vấn đề với vận tốc lên đến 400 km/h, ngang với vận tốc của dự án đường sắt cao tốc HS2 ở Anh, nhưng quy luật của khí động lực học làm cho việc tăng tốc nhanh hơn thế nữa sẽ rất khó khăn. Nguồn năng lượng cần thiết sẽ tăng cấp số nhân với vận tốc của phương tiện. Lấy ví dụ, chạy với vận tốc 400 km/h thay vì 300 km/h sẽ cần gần gấp 2,5 lần sức đẩy phản lực, nên với vận tốc rất cao thì sức đẩy phản lực cần có là bất khả thi.

Một chuyến hành trình 30 km chỉ trong vòng vài phút.

‘Ảo thuật’ của tàu Maglev

Tất cả công nghệ Maglev đều sử dụng một loại hình nam châm nào đó. Nó có thể là nam châm vĩnh cửu, nam châm điện từ hoặc nam châm sử dụng cuộn dây siêu dẫn. Con tàu sẽ trôi nổi bên trên từ trường, được hỗ trợ và chỉ dẫn nhờ vào các tương tác xảy ra giữa nam châm và các nhân tố khác trên mặt đất, như là đường ray tàu hỏa bằng sắt, một nhân tố dẫn điện trên đường ray hoặc một nam châm khác. Việc loại bỏ sự tiếp xúc cơ giới trực tiếp với đường ray sẽ giúp chúng đạt được vận tốc cao hơn.

Mặc dù có rất nhiều loại khái niệm khác nhau về Maglev, nhưng có hai loại phổ biến. Loại đầu tiên là Hệ thống Điện từ (Electro-Magnetic System-EMS), với một nam châm điện sản sinh ra một loại lực hấp dẫn với đường ray bằng sắt. Loại thứ hai gọi là Hệ thống Điện động (Electro Dynamic System -EDS), trong đó sử dụng một nam châm cực mạnh. Con tàu sẽ tương tác với một lõi hoặc phiến aluminum trong thành phần cấu tạo của thanh đường ray. Khi nam châm di chuyển dọc theo đường ray, một lực đẩy được tạo ra, và phương tiện sẽ nâng lên cách đường ray khoảng vài centimet, nhưng chỉ khi nó di chuyển với một tốc độ đáng kể, nên vẫn cần bánh xe khi di chuyển với tốc độ thấp.

Tất nhiên việc lái và hãm phanh các phương tiện Maglev vẫn là rất cần thiết, và điều này cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng hiệu ứng nam châm. Để đạt vận tốc cao, lõi sẽ được lắp vào đường ray và chúng sẽ được sử dụng để tạo ra một từ trường di chuyển giúp kéo phương tiện dọc theo bằng những nam châm của chúng. Do đó không còn cần thiết phải mang các thiết bị năng lượng nặng lên trên tàu. Thay vào đó, thiết bị sẽ được gắn vào đường ray, làm cho con tàu nhẹ hơn và có khả năng di chuyển nhanh hơn rất nhiều.

Tàu Điện từ Maglev ở Thượng Hải chạy với vận tốc thông thường là 430 km/h, và ở mẫu thử nghiệm của Công ty Đường sắt Trung tâm Nhật Bản hệ thống Maglev Điện từ có thể chạy với vận tốc hơn 500 km/h. Có những công nghệ Maglev có thể đẩy tốc độ lên đến khoảng hơn 600 km/h.

Tàu MLX01 thon mượt là một trong những mẫu thiết kế Maglev mới nhất của Nhật Bản. (Takashi H, CC BY-NC-SA)

Một điều khá thú vị là vào những năm 60 người ta tin rằng ngưỡng 200-250 km/h là giới hạn cho tàu truyền thống, nhưng giờ đây chúng ta đã đạt được vận tốc thông thường hơn 300 km/h, và 400 km/h là điều hoàn toàn khả thi. Sự tiếp xúc cơ giới giữa bánh xe và đường ray vẫn còn, nhưng cũng có thể sử dụng hệ thống phản lực kiểu Maglev cho tàu hỏa thông thường, dù rằng chúng không có nam châm.

Thực tế đắt đỏ

Việc đẩy tàu lên đến vận tốc hơn 1.000 km/h là điều không hề đơn giản như lý thuyết. Thậm chí tàu Maglev cũng phải đấu tranh với khí động lực học. Đây là lý do tại sao trong hai khái niệm tàu Hyperloop (1.500 km/h) và tàu “Siêu Maglev” của Trung Quốc (2.900 km/h), doanh nhân người Mỹ Elon Musk lại đề xuất chạy trên một ống dẫn được nâng lên bán phần để giảm thiểu lực cản.  Do đó việc đạt được những vận tốc cao như vậy sẽ phụ thuộc vào khả năng thiết lập và duy trì một đường dẫn sắp thẳng hàng cực kỳ chuẩn xác, trong một ống dẫn áp suất thấp dài hàng trăm kilomet. Đây là lúc nó trở nên cực kỳ khó khăn, đồng thời cũng rất đắt đỏ.

Tuy vậy, một số đề xuất công nghệ cao này lại có các tuyên bố bạo dạn về mức chi phí. Trên thực tế, người cung cấp dịch vụ chuyên chở sẽ cảm thấy cực kỳ hào hứng với một viễn cảnh giảm thiểu chi phí hệ thống từ 30% đến 50%, nhưng thông thường những người đề xuất các khái niệm mới này tính toán khả năng tiết kiệm chi phí thậm chí còn lớn hơn. Lấy ví dụ, Musk tính toán ra 90% chi phí giảm thiểu so với hệ thống đường sắt cao tốc, mặc dù cần phải có một cơ sở hạ tầng khá công phu. Đáng tiếc thay, điều này sẽ biến một ý tưởng khá thú vị thành một cái gì đó không tưởng và có thể lại chỉ là một cảnh khác trong phim Trở về Tương lai.

Roger Goodall nhận tài trợ từ Hội đồng Kỹ sư Công nghệ & Khoa học Cơ bản Vương Quốc Anh (gọi tắt là EPSRC). Ông liên kết với một nhóm các tổ chức kỹ sư chuyên nghiệp như Viện Kỹ sư Cơ giới, Viện Kỹ thuật và Công nghệ, Viện Kỹ thuật Hoàng gia. Bài này được đăng bản gốc trên trang The Conversation. Đọc bài gốc tại đây.