Najżwawsze pociągi mkną po… niekoniecznie szynach. Kolej na szybkość
Alternatywą, w pełnym rozrachunku wcale nie wolniejszą niż lotnictwo, są pociągi dużych prędkości. Stacje kolejowe znajdują się zwykle w centrum miasta lub w jego pobliżu i nie trzeba na nie przyjeżdżać na dwie godziny przed odjazdem.
W Azji najszybciej
Infrastruktura szybkiej kolei dobrze rozwinięta jest w Europie i w Azji (1), a najszybsze pociągi świata kursują regularnie między największymi miastami, takimi jak Szanghaj i Pekin czy Paryż, Londyn i Strasburg.
W 2015 r. japoński pociąg maglev serii L0 pobił światowy rekord prędkości pociągu pasażerskiego, osiągając prędkość 603 km/h (2). Pociąg na poduszce magnetycznej japońskich linii kolejowych CJR osiągnął ten wynik na testowym odcinku w Yamanashi, na zachód od Tokio. Teraz Japończycy pracują nad budową pierwszego komercyjnego odcinka superszybkiej kolei, pomiędzy Tokio a Nagoją, o długości prawie trzystu kilometrów. Ma zostać otwarty w 2027 roku. Po ukończeniu prac seria L0 będzie się poruszać z maksymalną prędkością 500 km/h, dzięki czemu podróż ze stacji Shinagawa w Tokio do Osaki - ok. 500 km - zajmie godzinę i siedem minut.
Japonia pokazała światu koncepcję nowych szybkich kolei już w 1964 r. i nadal jest światowym liderem w tej dziedzinie, nieustannie przesuwając granice prędkości, przepustowości i bezpieczeństwa na swoich liniach Shinkansen. Większość Shinkansenów porusza się obecnie z maksymalną prędkością 300 km/h, zaś pociągi E5 Bullet Trains należące do Japan Railways East, osiągają prędkość 320 km/h na linii Tohoku Shinkansen, która biegnie na północ z Tokio do Shin Aomori. Każdy pociąg ma 731 miejsc siedzących i 32 indukcyjne silniki elektryczne o imponującej mocy 12900 koni mechanicznych.
Pociągi E5, zbudowane z lekkiego stopu aluminium, mają m.in. "aktywne zawieszenie", które pozwala im pokonywać łuki przy większych prędkościach. Długi nos wagonów prowadzących został zaprojektowany tak, aby ograniczyć huki dźwiękowe, które powstają, gdy pociągi wjeżdżają do tuneli z dużą prędkością.
Chiny mają największą na świecie sieć kolei dużych prędkości. Znajduje się tam obecnie ponad dwie trzecie wszystkich szybkich kolei na świecie, a ich sieci liczą ok. 40 tysięcy km. Trasa z Pekinu do Guangzhou, ma 2300 km. W Chinach jest też najwyżej położona kolej dużych prędkości (linia do Tybetu, na wysokości 5000 m n.p.m.). W trakcie prac przygotowawczych jest pociąg, który ma pobić wszelkie rekordy - maglev, który może, według tamtejszych mediów, osiągnąć prędkość 620 km/h.
Wracając na szyny - Fuuxing Hao to sieć szybkich chińskich pociągów kursujących po konwencjonalnych torach kolejowych. Te szybkie pociągi mają swoje własne nazwy, np. kodowo oznaczony jako CR400AF jest znany pod nazwą Niebieski/Czerwony Delfin. Pociąg ten jest jednym z najszybszych konwencjonalnych pociągów na świecie, który jest w regularnym użyciu i użytkowaniu komercyjnym. Jego prędkość maksymalna wynosi około 350 km/h, zaś podczas testów osiągnął prędkość 430 km/h. Inna chińska konstrukcja - CRH380A Hexie (zwany również Harmony), może rozwijać maksymalną prędkość 377 km/h w ruchu komercyjnym, zaś podczas testów przekroczyła 480 km/h.
W 2009 r. pociągi na trasie szybkiej kolei chińskiej łączącej miasta Wuhan z Guangzhou pobiły światowy rekord średniej prędkości na całej trasie - 312,5 km/h na odcinku o długości 968 kilometrów. Dwa lata później jednak zdecydowano się zmniejszyć prędkość najszybszych pociągów w Chinach do maksymalnie 300 km/h. Decyzja ta została podjęta po katastrofie superszybkiej kolei. 23. lipca 2011 roku w pobliżu Wenzhou, w prowincji Zhejiang doszło do zderzenia dwóch mknących z wielką prędkością składów. W katastrofie zginęło czterdzieści osób, a 195 zostało rannych.
Chociaż południowokoreański HEMU-430X w marcu 2013 r. osiągnął 421,4 km/h, to wciąż jest to mniej, niż liczyli projektanci tego pociągu. Korea Południowa to obecnie czwarty kraj na świecie (po Francji, Japonii i Chinach), który stworzył pociąg jadący z prędkością ponad 420 km/h.
Innym rekordzistą w klasie superszybkich pociągów na szynach jest włoski pociąg Frecciarossa 1000 (znany również jako ETR 400), który jeździ m.in. do Mediolanu, Florencji, Rzymu i Wenecji. Choć Włochy ograniczają prędkość swoich pociągów do 300 km/h, Frecciarossa 1000 w 2016 r. osiągnęła podobno maksymalną prędkość 393,8 km/h. Także w słynącej z TGV sąsiedniej Francji zdołano rozpędzić po-ciągi po torach do wielkich, przekraczających 500 km/h prędkości, ale tam również rutynowo na trasach jeździ się nieco wolniej. Do Francji jeszcze wrócimy.
Niemieckie początki, japońskie przyspieszenie, francuski rekord
Kolej dużych prędkości (HSR) to rodzaj systemu kolejowego, który przewozi znacznie szybciej niż tradycyjna kolej, wykorzystując zintegrowany system wyspecjalizowanego taboru i wydzielonych torów.
Chociaż nie ma jednego standardu obowiązującego na całym świecie, linie zbudowane do prędkości powyżej 250 km/h lub linie zmodernizowane powyżej 200 km/h są powszechnie uważane za linie dużych prędkości. Pociągi dużych prędkości poruszają się głównie po torach o standardowym rozstawie szyn, spawanych w sposób ciągły.
Kolej dużych prędkości jest obecnie najszybszą i najbardziej wydajną naziemną metodą transportu komercyjnego, jednak, ze względu na wymagania dotyczące dużych łuków torów, łagodnego nachylenia i oddzielenia torów, budowa kolei dużych prędkości jest bardziej kosztowna niż kolej konwencjonalna.
Historia szybkiej kolei jest dłuższa, niż wielu się wydaje. Początek swój koleje dużych prędkości miały w Niemczech w 1899 r., kiedy pruskie koleje państwowe zelektryfikowały 72 km linii kolejowej, będącej własnością wojska, pomiędzy Marienfelde a Zossen. Na linii zastosowano prąd trójfazowy o napięciu 10 kilowoltów i częstotliwości 45 Hz. Firma Van der Zypen&Charlier z Deutz w Kolonii zbudowała dwa wagony kolejowe, jeden wyposażony w urządzenia elektryczne firmy Siemens-Halske, drugi w urządzenia firmy Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft (AEG), które testowano na linii Marienfelde–Zossen w latach 1902 i 1903. 23 października 1903 roku osiągnięto prędkość 206,7 km/h, a 27 października wagon wyposażony w AEG osiągnął prędkość 210,2 km/h.
Niemiecka linia dużych prędkości została wprowadzona we Włoszech w 1938 roku na trasie Bolonia - Neapol za pomocą elektryczno-wieloczłonowego pociągu ETR 200, zaprojektowanego do prędkości 200 km/h. W tym samym roku w Wielkiej Brytanii parowóz Mallard opływowym kształcie ustanowił oficjalny światowy rekord prędkości dla parowozów, osiągając 202,58 km/h.
Na początku lat 50. Francuskie Koleje Państwowe dostały nowe, potężne lokomotywy elektryczne CC 7100 i rozpoczęły badania nad jazdą z większymi prędkościami. W 1954 roku lokomotywa CC 7121 ciągnąca pełny pociąg osiągnęła rekordową prędkość 243 km/h podczas testu na standardowym torze. W następnym roku dwie specjalnie wyregulowane lokomotywy elektryczne, CC 7107 i prototyp BB 9004, pobiły wcześniejsze rekordy prędkości, osiągając odpowiednio 320 km/h i 331 km/h, również na torze standardowym. Po raz pierwszy przekroczono prędkość 300 km/h.
W 1957 r. inżynierowie z japońskiej prywatnej firmy Odakyu Electric Railway w regionie Wielkiego Tokio wprowadzili na rynek elektryczny zespół trakcyjny SE serii Odakyu 3000. Wcześniej koleje japońskie generalnie używały wąskich torów, jednak dla dużych prędkości zdecydowano się na zmianę na standardowy, czyli taki, jaki znamy w większości krajów, rozstaw szyn. Dla nowej usługi, nazwanej Shinkansen (co oznacza "nową magistralę kolejową"), ułożono spawane szyny między Tokio a Osaką, i przygotowano nowy tabor, zaprojektowany do prędkości 250 km/h.
Po wstępnych testach wykonalności plan został przyspieszony, a budowa pierwszego odcinka linii rozpoczęła się 20 kwietnia 1959 r. W 1963 r. na nowym torze podczas jazd próbnych osiągnięto prędkość 256 km/h. Pięć lat po rozpoczęciu budowy, w październiku 1964 r., tuż przed igrzyskami olimpijskimi, uruchomiono pierwszą nowoczesną linię kolejową dużych prędkości, Tōkaidō Shinkansen, łączącą wspomniane miasta na odcinku o długości 320 km. Shinkansen zyskał międzynarodowy rozgłos i uznanie, a sam pociąg nazwano "bullet train" (ang. "pociąg pocisk"). Pierwsze pociągi Shinkansen serii 0, zbudowane przez Kawasaki Heavy Industries, dystans 515 km pokonały w 3 godziny 10 minut, osiągając maksymalną prędkość 210 km/h i utrzymując średnią prędkość 162,8 km/h z postojami w Nagoi i Kioto.
Od momentu wprowadzenia system Shinkansen jest stale doskonalony, nie tylko poprzez zwiększanie prędkości linii. Wyprodukowano ponad tuzin modeli pociągów (3), które rozwiązują różne problemy, takie jak hałas w tunelu, wibracje, opór aerodynamiczny, mniejsza liczba pasażerów ("mini- Shinkansen"), bezpieczeństwo w przypadku trzęsień ziemi i tajfunów, droga hamowania, problemy związane ze śniegiem i zużycie energii (nowsze pociągi są dwa razy bardziej energooszczędne niż pierwsze, mimo większych prędkości).
W 1966 roku, pod wrażeniem wieści z Dalekiego Wschodu, francuski minister infrastruktury Edgard Pisani dał Francuskim Kolejom Państwowym dwanaście miesięcy na zwiększenie prędkości do 200 km/h. Wybrano linię Paryż–Tuluza z planem rozwijania prędkości na trasie do 200 km/h. W następnym roku, w maju 1967, TEE Le Capitole zainaugurowała regularne przewozy na tej trasie, wykorzystując specjalnie przystosowane lokomotywy SNCF klasy BB 9200, ciągnące klasyczne wagony UIC. Na odcinku 713 km średnia prędkość wynosiła 119 km/h. W tym samym czasie prototyp Aérotrain 02 osiągnął 345 km/h na torze eksperymentalnym. W 1969 roku na tym samym torze osiągnął prędkość 422 km/h. 5 marca 1974 roku prototyp komercyjny Aérotrain I80HV, napędzany silnikiem odrzutowym, osiągnął prędkość 430 km/h.
Wagon napędzany silnikiem Diesla został zmodyfikowany za pomocą turbiny gazowej i nazwany TGV (Turbotrain Grande Vitesse). Osiągnął on 230 km/h w 1967 roku i posłużył jako podstawa dla przyszłego Turbotrain i rozwiązania, które zdobyło później rozgłos jako TGV. W 1969 roku podpisano umowę z firmą Alstom na budowę dwóch prototypów szybkich pociągów z turbinami gazowymi, nazwanych TGV 001 (4). Prototyp składał się z zestawu pięciu wagonów oraz wagonu motorowego na każdym końcu, napędzanych dwoma silnikami gazowo-turbinowymi. W 1970 roku na linii Paryż–Cherbourg rozpoczął eksploatację Turbotrain firmy DETMT, który poruszał się z prędkością 160 km/h, choć został zaprojektowany do jazdy z prędkością 200 km/h. W 1971roku projekt C03, znany obecnie jako TGV Sud-Est, zakładał budowę nowej linii dużej prędkości między Paryżem a Lyonem, z nowymi wielosilnikowymi pociągami poruszającymi się z prędkością 260 km/h.
Kryzys naftowy w 1973 r. spowodował znaczny wzrost cen ropy naftowej. Opracowano elektryczny wagon kolejowy o nazwie Zébulon, przeznaczony do testów przy bardzo dużych prędkościach, osiągający prędkość 306 km/h. Wykorzystano go do opracowania pantografów zdolnych wytrzymać prędkość ponad 300 km/h. Po intensywnych testach gazowo-turbinowego prototypu TGV 001 i elektrycznego Zébulon, w 1977 roku SNCF złożyło grupie Alstom-Francorail-MTE zamówienie na 87 składów TGV Sud-Est. Zastosowano w nich koncepcję TGV 001, z trwale sprzężonym zespołem ośmiu wagonów, ciągniętych przez dwa wagony o napędzie elektrycznym, po jednym na każdym końcu.
Po wprowadzeniu TGV na niektórych trasach ruch lotniczy na tych trasach zmniejszył się, a w niektórych przypadkach zanikł. TGV ustanowił publicznie ogłaszane rekordy prędkości w 1981 r. - 380 km/h (240 mph), w 1990 r. - 515 km/h, a następnie w 2007 r. - 574,8 km/h (obowiązujący rekord prędkości pojazdu szynowego), ustanowiony przez pociąg TGV V150 3, choć były to prędkości testowe, a nie prędkości eksploatacyjne pociągu.
Magnetyzm kolei na poduszce
Pierwszy publicznie dostępny maglev udostępniony został w brytyjskim mieście Birmingham w 1984 r. Na trasie o długości 600 metrów rozwijał prędkość 42 km/h. Drugą w świecie linią komercyjną kolei magnetycznej był berliński M-Bahn (Magnetbahn), istniejący w latach 1989-1991.
W 1993 r. niemiecki pociąg na poduszce magnetycznej TR-07 osiągnął 450km/h (z załogą na pokładzie), zaś kolejny model TR-08 osiąga dziesięć lat później 501 km/h (również z załogą). W tym samym 2003 r., w Szanghaju oddana zostaje do użytku najdłuższa na świecie trasa kolei magnetycznej Transrapid (5), zbudowana przez niemieckie przedsiębiorstwo Transrapid International. Długość trasy pomiędzy portem lotniczym a centrum miasta wynosi około 30 km, pokonywana jest w 7 minut i 20 sekund. Pociąg rozwija maksymalną prędkość 431 km/h. Zasługuje na wyróżnienie jako pierwsza normalnie (a nie jako np. ciekawostka lub poligon testowy) pracująca linia kolei magnetycznej. Drugą istniejącą linią kolei magnetycznej jest japońska Linimo w prefekturze Aichi, niedaleko Nagoi. Linia została zbudowana głównie na potrzeby wystawy Expo 2005, obecnie służy lokalnej społeczności. Długość trasy wynosi około 8900 m.
W ramach rozpoczętego w październiku 2016 r. chińskiego projektu szybkiej kolei maglev w 2019 r. opracowano prototyp pociągu magnetyczno-lewitacyjnego o projektowanej prędkości maksymalnej 600 km/h, a w czerwcu 2020 r. przeprowadzono udaną jazdę próbną.
Na Uniwersytecie Southwest Jiaotong w Chengdu opracowano system, w którym zastosowano wysokotemperaturowe nadprzewodzące magnesy, nad którymi pracowano wcześniej od dwu dekad. Prototyp został zademonstrowany w styczniu 2021 r. na torze testowym o długości 165 m. Zaprezentowany latem 2021 r. nowy chiński pociąg maglev jest w stanie, jak podały media państwowe, osiągnąć maksymalną prędkość 600 km/h. Ma to być najszybszy transportowy pojazd naziemny użytkowany komercyjnie na świecie. Szacuje się, że dzięki możliwości osiągania prędkości powyżej 600 km/h, podróż pociągiem z Pekinu do Szanghaju, czyli na odległość ponad 1200 km, zajęłaby zaledwie 2,5 godziny. Podróż samolotem zajmuje porównywalną ilość czasu, a koleją dużych prędkości typu już użytkowanego - 5,5 godziny. Według Dinga Sansana, głównego inżyniera projektu, pociąg może zabierać do 10 wagonów, z których każdy może pomieścić ponad stu pasażerów. Jego zdaniem, pociąg stanowi najlepsze rozwiązanie dla podróży w promieniu 1500 km.
Kraje od Japonii po Niemcy również planują budowę użytkowej sieci maglev, chociaż przeszkodą w szybkim rozwoju są wysokie koszty i niekompatybilność z obecną infrastrukturą torową. Na przykład w Japonii po dziesiątkach lat badań i udanych próbach wspomnianej serii L0 na 43-kilometrowym torze testowym, firma JR Central buduje obecnie linię Maglev Shinkansen, znaną jako Chūō Shinkansen. Linia ma mieć nadal tradycyjne tory a pociągi będą wyposażone w koła. To na wypadek awarii zasilania. W normalnej eksploatacji koła mają być podnoszone do góry po osiągnięciu określonej prędkości, w której zaczyna działać efekt lewitacji magnetycznej. Do 2037 roku połączy Tokio i Osakę, a odcinek z Tokio do Nagoi ma być gotowy do użytku w 2027 roku. Średnia prędkość ma wynosić 505 km/h.
Z Hyperloop uszło powietrze
W sierpniu 2013 r. znany z kosmicznej firmy SpaceX oraz projektu samochodu elektrycznego Tesla, przedsiębiorca i wizjoner, Elon Musk ogłosił pomysł i ogólny projekt superszybkiej kolei, która miałaby przewozić pasażerów (w oryginalnej koncepcji pomiędzy Los Angeles a San Francisco) z prędkością większą niż pasażerskie odrzutowce. Koncept ten, nazwany został Hyperloop i reklamowany był jako kolejna genialna wizja Elona Muska. Jednak tak naprawdę pomysł na szybką kolej próżniową ma ponad 200 lat i jego pierwszym autorem nie jest szef Tesli.
We współczesnych czasach jeszcze przed Muskiem głosił tę ideę i to pod nazwą właśnie Hyperloop, George Medhurst, amerykański miliarder. Do dziś powstały trzy odcinki testowe, przeprowadzono jeden test z dwojgiem ludzi w kapsule i… to na razie tyle.
Jak tłumaczył sam Musk, jego pomysł zrodził się z rozczarowania projektem szybkiej kolei, która miała połączyć największe kalifornijskie miasta, oddalone od siebie o ok. 700 km, umożliwiając przemieszczenie się z jednego do drugiego w czasie ok. 2,5 godziny.
Kolej poduszkowa według jego propozycji zrobić to miała w pół godziny. Hiperloop miałby wykorzystywać dwie duże rury, ustawione na palisadzie wysokości kilku metrów. Ruch kapsuł, mieszczących do trzydziestu osób lub po dwa samochody miałby się odbywać na zasadzie pneumatycznej. Powietrze z przodu byłoby zasysane, co tworzyłoby podciśnienie, i pompowane do przestrzeni za pojazdem, tworząc z kolei nadciśnienie pchające wagon (6). Zdaniem Muska można w ten sposób osiągnąć prędkość prawie 1300 km/h. Energia miałaby pochodzić z paneli rozmieszczonych na całej długości "magistrali" pneumatycznej.
W wielu krajach, w tym także w Polsce podjęto projekty wstępnie testujące te koncepcje i zmierzające do skonstruowania działającej kolei pneumatycznej w skali 1:1. Niestety realizacja tego projektu w praktyce okazała się trudna. Koszty budowy takiego systemu okazały się ogromne, choćby z tego powodu, że utrzymanie częściowej próżni (100 Pa) w systemie dłuższym niż kilometr, to zadanie ponad współczesne możliwości techniczne.
Dwie najbardziej znane postacie, zainteresowane rozwojem tej koncepcji, to oczywiście wspomniany Elon Musk i Richard Branson z grupy Virgin. Ten pierwszy ostatecznie przekierował zainteresowanie na budowę podmiejskich tuneli na potrzeby ruchu samochodowego. W 2021 roku założona za jego sprawą firma The Boring Company otworzyła swój pierwszy tunel pod Las Vegas. Jeździły nim tesle wożące ludzi do i z Centrum Kongresowego w Las Vegas, podczas targów CES (Consumer Electronics Show). Ten drugi zaś kilka miesięcy temu ogłosił, że czas na zmianę planów. Firma Virgin Hyperloop zdecydowała się na zwolnienie ponad setki pracowników, po tym jak zarząd podjął decyzję o porzuceniu pomysłu przygotowywania systemu do użytku pasażerskiego. Jak doniósł "The Financial Times", aktualnie priorytetem jest zaprojektowanie technologii typu Hyperloop do transportu towarów. Zmiana podejścia nie jest dużym zaskoczeniem. Wielokrotnie już przesuwano termin, w którym pierwsze sieci Hyperloop, nie tylko autorstwa firmy Bransona, będą oddane do użytku. Tymczasem transport towarów powinien być znacznie łatwiejszy do urzeczywistnienia niż przewozy pasażerskie. Prawdopodobnie jedna z pierwszych komercyjnych nitek transportowych połączy Rijad z Jeddah w Arabii Saudyjskiej.
Polski Hyperloop miał docelowo połączyć Warszawę z Centralnym Portem Komunikacyjnym i Łodzią. Zespół z Politechniki Warszawskiej uczestniczył w konkursie na kapsułę Hyperloop organizowanym przez Elona Muska. W Nowej Sarzynie w ostatnich latach miała rozpocząć się budowa toru testowego o długości 750 m. Pomyślne testy prototypów otwierać miały drogę do pilotażowych wdrożeń technologii, planowanych na lata 2022-2024. Jednak na razie nic nie wiadomo ani o prototypach bolidów, ani o ukończeniu toru testowego.
Informacje powyższe nie oznaczają oczywiście, że idea Hyperloop ostatecznie upadła. Być może, gdy sprawdzi się jako środek do transportu towarów, wróci w dojrzalszym kształcie do świata przewozów pasażerskich. Kto jednak liczy na te pierwotnie obiecywane 1200 km/h, ten musi uzbroić się w cierpliwość, dużo cierpliwości.
Mirosław Usidus
