III) Les avantages de ce train

Lepot Alex
Morel Winny
Undi Maxime
Le train sur rail magnétique
Année Scolaire 2006-2007
Sommaire
I) Quelques Notions
II) Le principe de fonctionnement du train
sur rail magnétique
III) Les avantages de ce train
IV) Actualité et Avenir
V) Annexe
VI) Lexique des notions
Introduction
Depuis le tout premier chemin de fer, peu de choses ont changées en
termes de concepts techniques de base : les trains sont toujours soutenus,
guidés et propulsés par les roues.
Mais un nouveau système de trains pourrait bien révolutionner les
transports ferroviaires : ce sont les trains à lévitation magnétique, qui sont
soutenus, propulsés et guidés par la seule force électromagnétique.
Ce nouveau concept présente de nombreux avantages grâce à sa
technologie révolutionnaire dite de " non contact ". Mais concrètement, que
peuvent apporter les trains magnétiques dans le domaine ferroviaire?
Nous allons développer notre étude autour des principaux sujets qui
touchent à ce domaine, au fonctionnement, aux avantages, et à l'avenir de
ces trains nouvelle génération.
Nous définirons dans un premier temps quelques notions de base
essentielles, puis nous présenterons le fonctionnement des différents
systèmes actuels. Ensuite, nous comparerons les trains magnétiques aux
trains traditionnels afin d'en discerner les avantages. Enfin, nous ferons une
petite conclusion après avoir présenté l'actualité de cette technologie ainsi
que son avenir.
I) Quelques notions :
LE MAGNETISME
Un champ magnétique peut être créé par un aimant...
Mais aussi par un courant électrique car tout courant électrique crée autour de lui un
champ magnétique. Un fil traversé par un courant produit un champ magnétique.
L'électroaimant fonctionne selon le même principe : il comprend un nombre " n "
d'enroulements de fil de cuivre appelés spires. Plus il y a de spires, plus l'électroaimant
est puissant. De plus, plus le courant qui traverse la bobine est intense, plus le champ
magnétique créé est puissant. On peut augmenter considérablement le champ
magnétique en introduisant un noyau de fer à l'intérieur de la bobine.
LA SUPRACONDUCTIVITE
La supraconductivité est un phénomène qui se produit à de très basses températures et
au cours duquel un métal perd toute résistance électrique (R=0) (voir graph. 1).
Dans ces conditions, les courants électriques traversent donc les métaux sans aucune
perte d'énergie.
Aux températures naturelles sur terre, les métaux opposent une certaine résistance au
flux des électrons, due à la vibration des atomes (ce qui provoque une perte d'énergie
par effet Joule). Mais à mesure que la température diminue, ces atomes vibrent de
moins en moins et la résistance baisse lentement jusqu'à la température critique
spécifique à chaque matériau à laquelle elle tombe à zéro. Un courant peut ainsi circuler
indéfiniment dans un circuit, du moment que ce circuit reste à une température
inférieure à la température de transition, c'est à dire la température en dessous de
laquelle le matériau devient supraconducteur.
La plupart des températures de transition se situent entre 1 et 10 Kelvins au-dessus du
zéro absolu ( -273 a -263 °C ). Mais il existe des matériaux ayant des températures de
transition plus élevées (voir graph. 2 et 3).
Ce phénomène permet aussi d'amplifier la force des champs magnétiques grâce au
phénomène de diamagnétisme et d'obtenir une lévitation comme dans l'expérience
suivante :
Expérience de Meissner :
LA LEVITATION MAGNETIQUE
Comme nous l'avons vu précédemment, une bobine traversée par un courant électrique
produit autour d'elle un champ magnétique.
Ce champ peut être de deux sens différents en fonction du sens du courant qui le
traverse.
Deux pôles de même sens s'attirent.
Deux pôles de sens contraire se repoussent.
(Ne pas confondre sens avec signe).
Afin de mettre en évidence ces champs magnétiques, nous avons réalisé l'expérience
suivante :
Pour trouver le nombre de spire total à faire autour du cylindre nous avons utilisé la
formule suivante :
Nous voulions calculez N donc nous avons obtenu la formule suivante :
Au résultat final nous avons obtenu 650 spires
On peut remarquer que les quatre bobines chauffent avec l’experience. La chaleur
dégagée lors de l'expérience rend compte de la perte considérable d'énergie qui se
produit, d'où l'intérêt de la supraconductivité.
II) Le principe de fonctionnement du train sur rail
magnétique
LEVITATION ET GUIDAGE POUR LA SUSTENTATION MAGNETIQUE
Le principe le plus utilisé pour faire " voler " ces trains est le système de sustentation.
Le train n'est pas poussé, mais attiré vers le haut par des bobines situées sous la voie (en
rouge) qui attirent les bobines situées sur le train (en bleu),et réciproquement, car elles
sont de même sens. Le train lévite alors environ 1 cm au-dessus de la voie.
Le guidage du train parallèlement à la voie se fait encore par des forces
électromagnétiques, sans contact.
Les bobines de guidage de la voie sont situées sur les côtés de celles-ci, en face des
bobines de guidage du train.
Voici un exemple de train à sustentation magnétique : Le Transrapid.
LEVITATION ET GUIDAGE POUR LA SUSTENTATION MAGNETIQUE
L'autre principe utilisé est la lévitation magnétique.
Cette fois ci, le train est repoussé par la voie vers le haut grâce à des bobines situées sur
la voie et sous le train. Ces bobines sont de sens contraires, donc, elles se repoussent.
Contrairement au système de sustentation, le guidage est assuré par les mêmes bobines
que celles qui assurent la lévitation.
Ces bobines sont en fait en forme de 8 et ne sont pas alimentées en électricité. C'est le
passage des aimants supraconducteurs du train (faits d'un alliage de nobium et de titane
refroidis à -269°C par de l'hélium liquide) qui créé en elles un courant électrique, selon
le principe d'induction électromagnétique.
Tandis que la partie inférieure de la bobine située sous la voie assure, comme nous
l'avons vu, la lévitation par répulsion, la partie supérieure de la bobine, située sur les
côtés de la voie, assure le guidage, également par répulsion.
Avec ce système, pour des raisons de consommation, et surtout parce que le train doit
déjà être en mouvement pour voler, la propulsion se fait par des roues d'avions pour des
vitesses inférieures à 100 km/h.
Voici un exemple de train à lévitation magnétique : Le maglev japonais :
Grâce à ces jeux de bobines, les trains sont maintenant soulevés et guidés. Des
ordinateurs reliés à des capteurs situés sur le train calculent automatiquement l'intensité
de courant nécessaire à la sustentation et au guidage.
PROPULSION
Comme nous l'avons vu dans l'introduction, depuis l'invention du train au début du
XIXème siècle, les véhicules ont toujours été propulsés par des roues en contact avec les
rails. La propulsion se faisait alors par une force mécanique exercée par le moteur sur
les roues.
Pour les trains magnétiques, la propulsion s'exerce sans contact du train avec la voie,
par une force électromagnétique : c'est la technologie de non-contact.
La propulsion est assurée par un jeu d'attraction et de répulsion.
Les bobines du train restent du même signe et ce sont les bobines de la voie qui changent
de signe afin que le train progresse le long de celle-ci.
Le moteur est en fait constitué comme un moteur électromagnétique classique dont on
aurait étiré le stator sous la voie de guidage.
Au lieu d'un champ magnétique rotatif, le courant génère une onde magnétique qui se
déplace parallèlement à la voie, attirant ainsi le train.
ALIMENTATION
Afin d'éviter les pertes d'énergie, et d'augmenter la sécurité (comme nous le verrons
plus loin), la voie est répartie en sections qui propulsent le train à tour de rôle.

Pour le transrapid : elle se fait par des générateurs répartis en sections sous la
voie et transmises par des cables à 20k volts.
le train n'est pas alimenté pour le déplacement (propulsion + lévitation +
guidage).
 Pour le maglev, elle se fait de 2 manières :
- Pour le guidage et la lévitaton par un générateur électrique situé dans le train
pour alimenter les bobines supraconductrices, mais surtout le maintenir à 269°C. Ces bobines situées dans le train jouant le rôle d'aimant supraconducteurs
induisent un courant dans les bobines de la voie en forme de 8 (principe
d'induction).
- Pour la lévitation, elle se fait de la même manière que pour le transrapid, mais
l'alimentation est plus puissante (38 MV alternatif triphasé) du fait du poids du
train plus important et de la lévitation a 10cm au lieu d'1cm (à cause des risques
sismique au Japon).
FREINAGE
Une fois le train lancé, il faut pouvoir l'arrêter efficacement, étant donnée sa très grande
vitesse. Ce freinage se fait encore sans contact.
Dans le cas du système de sustentation, le freinage se fait par ralentissement des ondes
magnétiques qui tirent le train.
Dans le cas du système de lévitation, le freinage s'effectue par des aérofreins (en jaune)
situés sur le train.
III) Les avantages de ce train
Dans cette partie, pour discerner les avantages des trains magnétiques par rapport au
trains classiques, nous avons décidé de comparer le meilleur des trains magnétiques
actuels, le Transrapid, avec le meilleur système de train traditionnel représenté ici par
l'I.C.E (Inter.City.Express), l'équivalant allemand du TGV français.
le Transrapid
l'I.C.E
Notre étude comparative va porter sur les principaux domaines dans lesquels les trains
peuvent influer sur notre vie et notre société :


les performances
 la sécurité
 la consommation
 les coûts
L'influence sur l'urbanisme et l'environnement
(sauf remarque, les caractéristiques du Maglev sont assimilables à celles du Transrapid).
LES PERFORMANCES
LA VITESSE :
Nous remarquons ici que la vitesse de croisière du Transrapid est beaucoup plus élevée
que celle de l'I.C.E grâce à la marge de manoeuvre que lui laisse sa vitesse maximale qui
n'atteint ici "que" 500 km/h (car des tests restent encore à réaliser), alors que son
concurrent sur rail est limité par les frottements et par le phénomène de décollage qui
devient très dangereux autour de 450 km/h.
L'ACCÉLÉRATION :
Encore une fois, le Transrapid est plus performant. Cette supériorité est due à l'absence
de frottement et à son faible poids. Cet avantage se révèle très utile sur de courtes
distances.
ASCENSION :
Encore une fois grâce à la technologie de non contact et à son faible poids, le Transrapid
remporte la manche. Cet avantage dans la montagne est loin d'être négligeable au
moment de calculer les tracés des futures voies.
VIRAGES :
Un autre domaine où le Transrapid sort vainqueur est celui des virages, qui peuvent être
négociés en quelques centaines de mètres pour un train à lévitation magnétique contre
plusieurs kilomètres pour un train traditionnel.
FREINAGE :
Le Transrapid freine mieux que l'ICE et que tout les autres trains grâce au système
décrit précédemment.
LA SECURITE
Dans le domaine de la sécurité, le Transrapid est imbattable. Si le risque zéro n'existe
pas, ce train l'approche fortement. En effet, sa structure qui enveloppe la voie rend
impossible les déraillements.
L'autre risque possible, à part le déraillement, est la collision. Mais ce danger est écarté
car, selon les lois de la physique, le courant produit par les générateurs (Energy Supply)
ne peut pas circuler dans le circuit dans deux sens différents.
LA CONSOMMATION
La répartition des générateurs électriques le long de la voie (voir schéma ci-dessus),
permet d'éviter une trop grande perte d'énergie alors que pour les trains électriques
classiques, l'énergie circule le long de câbles, subissant ainsi de fortes pertes.
Les avantages vus jusqu'ici (non-contact et faible poids) donnent encore l'avantage au
Transrapid. L'économie d'énergie augmente même de façon exponentielle par rapport à
la vitesse.
De façon plus générale, on remarque ici que le Transrapid est très peu gourmand en
énergie par rapport aux moyens de transport les plus populaires.
LES COÛTS
INVESTISSEMENT :
Sur ce graphique représentant les coûts initiaux par double kilomètre de voie, on
remarque que le Transrapid et l'I.C.E sont à égalité. Cependant, le Transrapid ayant
besoin de moins de kilomètres de voie en raison de ses meilleures performances en
montagne et de ses virages mieux négociés, l'avantage lui revient.
ENTRETIEN :
Au niveau des coûts d'entretien, grâce à la technologie de non-contact qui annule l'usure
due aux frottements, le Transrapid surclasse encore son adversaire. En effet, ces coûts
sont divisés par trois par rapport à un train classique comme l'I.C.E.
INFLUENCE SUR L'HOMME ET SON ENVIRONNEMENT :
LE BRUIT :
On remarque ici que le Transrapid est nettement moins bruyant que tout ses
concurrents quelle que soit sa vitesse (Le Transrapid peut aussi servir de train
urbain).Cet avantage réduit aussi les coûts de structures antibruit.
OCCUPATION AU SOL :
Sur ce graphique représentant les m²/m de voie occupés au sol par les deux trains, on
remarque que pour une voie au sol, ce taux est comparable. Toutefois, dès que l'on passe
sur une voie surélevée pour le Transrapid (structure bien trop coûteuse et imposante
pour un train classique), celui ci prend, encore une fois, un net avantage. Il lui est en
effet ainsi plus facile, pour un coût légèrement supérieur, de s'adapter aux villes et aux
reliefs (et non le contraire, comme à Tours et dans de nombreuses grandes villes
européennes), tout en préservant les milieux qu'il traverse de grands bouleversements
(écosystèmes coupés en deux, disparition d'habitats naturels et d'espèces sensibles…)
tout en permettant l'agriculture. A noter cependant que la voie du Maglev est beaucoup
plus imposante (1) que celle du Transrapid (2).
(1)
(2)
CHAMP MAGNETIQUE :
Les champs magnétiques et les ondes qui nous entourent sont un sujet de plus en plus
inquiétant en raison du développement des nouvelles technologies. Ce graphique nous
rassure en nous montrant à quel point le champ magnétique produit par le Transrapid
est faible par rapport à d'autres objets usuels. Il est toutefois important de souligner
qu'il n'en est pas de même pour le Maglev japonais dont le champ magnétique peut
représenter un danger (à l'étude).
POLLUTION :
La pollution étant directement liée à la consommation d'énergie, il est normal que le
Transrapid ait ici aussi l'avantage sur l'I.C.E qui était déjà très bien placé en la matière
par rapport aux autres moyens de transport.
TURBULENCE :
La forme du Transrapid a pu profiter de toutes les avancées technologiques des trains,
des avions et du sport automobile en matière d'aérodynamisme. Il n'y a qu'une légère
rafale sur 2 mètres à 380 km/h.
CONFORT :
Grâce à la technologie de non contact et aux voies surélevées qui annulent les effets du
relief, un voyage en Transrapid est très confortable. L'absence de moteur dans le train,
en plus de réduire les vibrations, libère un espace appréciable à l'intérieur.
IV) Actualité et avenir
ACTUALITE
Aujourd'hui, de nombreux projets sont étudiés pour une exploitation commerciale du
Transrapid partout dans le monde, notamment en Allemagne, à Munich et sur une ligne
Berlin-Hambourg (très avancée), aux Pays-Bas, aux Etats-Unis, et à Shanghai.
Le projet du Maglev japonais, moins avantageux, et que les japonais se refusent à
exporter, n'a d'avenir promis qu'au Japon où il est tout de même bien adapté aux
conditions locales (risques naturels).
Alors que d'autres tentatives ont échoué, comme en Corée, où le train n'avançait qu'a 40
km/h, un projet s'annonce comme le futur concurrent du Transrapid : Le Swissmetro.
Développé en Suisse uniquement sur une portion d'essai de 20 km, il semble réalisable et
permettrait des performances plus élevées que le Transrapid grâce à un réseau
entièrement souterrain de tunnels dans lesquels serait réalisé un vide d'air partiel,
permettant d'approcher le mur du son ( mach 1 = 1200 km/h). La propulsion se ferait
par moteurs électriques linéaires classiques (3) tandis que la sustentation et le guidage
seraient magnétiques (4 et 7). L'autre nouveauté de ce projet est le transfert d'énergie
sans contact (1).
L'AVENIR
Les performances des trains magnétiques donnent des idées à de nombreux industriels.
Mais les projets proposés sont peu sérieux, comme AVT (Etats-Unis), qui propose de
faire tourner un train perpétuellement dans un tunnel dans lequel serait réalisé un vide
d'air presque total et auquel on accèderait par des navettes.
Malgré tout, les développements en cours des recherches effectuées permettront, en
même temps que de faire décoller les trains en leur promettant un bel avenir,
d'appliquer cette technologie pour les décollages d'avions, notamment dans des
conditions difficiles (haute montagne, porte avions…), pour transporter rapidement des
hommes et du matériel de secours en montagne, ainsi que dans le monde du cinéma.
Reponse a la problématique
Aux vues de leurs performances et de leurs nombreux avantages sur les trains
traditionnels, les trains magnétiques ont tout pour être l'un des moyens de transport de
demain, malgré les progrès des trains à grande vitesse électriques (voir photo 1 p.26). En
plus d'apporter de nouveaux avantages au domaine ferroviaire comme de meilleures
performances, une sécurité presque infaillible, une réduction des coûts et un meilleur
respect de l'homme et de son environnement, ils révolutionnent ce domaine collé au sol
depuis près de deux siècles en lui ouvrant de nouveaux horizons. Les pays de l' O.P.E.P,
qui ont tout intérêt à ce que les grosses et puissantes locomotives diesels ne soient pas
remplacées, ainsi que les coûts colossaux que demanderaient la réalisation de lignes de
trains magnétiques non compatibles avec le reste du réseau sont les seuls obstacles qui
s'opposent encore à ce projet. Mais même dans un monde dirigé par l'argent, on peut
encore espérer que la vie et la protection de la nature ainsi que le développement
durable dont on parle beaucoup actuellement valent plus que quelques dollars.
Maintenant que les scientifiques ont réussi leur pari, l'avenir de ces trains " nouvelle
génération " repose désormais entre les mains des hommes politiques et des financiers...
En conclusion :
Aux vues de leurs performances et de leurs nombreux avantages sur les trains
traditionnels, les trains magnétiques ont tout pour être l'un des moyens de transport de
demain, malgré les progrès des trains à grande vitesse électriques (voir photo 1 dans
l’annexe). En plus d'apporter de nouveaux avantages au domaine ferroviaire comme de
meilleures performances, une sécurité presque infaillible, une réduction des coûts et un
meilleur respect de l'homme et de son environnement, ils révolutionnent ce domaine
collé au sol depuis près de deux siècles en lui ouvrant de nouveaux horizons. Les pays de
l' O.P.E.P ( Organisation des Pays Exportateurs de Pétrole), qui ont tout intérêt à ce
que les grosses et puissantes locomotives diesels ne soient pas remplacées, ainsi que les
coûts colossaux que demanderaient la réalisation de lignes de trains magnétiques non
compatibles avec le reste du réseau sont les seuls obstacles qui s'opposent encore à ce
projet. Mais même dans un monde dirigé par l'argent, on peut encore espérer que la vie
et la protection de la nature ainsi que le développement durable dont on parle beaucoup
actuellement valent plus que quelques dollars. Maintenant que les scientifiques ont
réussi leur pari, l'avenir de ces trains " nouvelle génération " repose désormais entre les
mains des hommes politiques et des financiers...
V) Annexe
graphique 1 : Résistance électrique en fonction de la température. (température de curie
= température critique)
Graphique 2 : Température critique des matériaux supraconducteurs.
Graphique 3 : Température critique de matériaux supraconducteurs en fonction de leur
année de découverte.
photo 1 :
L'AGV d'Alstom, l'un des futurs concurrents sur rails des trains magnétiques, de même
que le nouveau train développé par Talgo et Bombardier (Espagne). Ces trains
devraient atteindre rapidement 350 km/h de vitesse de croisière.
VI) Lexique des notions
BOBINE :
c'est un terme générique en électronique pour désigner un composant formé de un ou
plusieurs, voir une multitude de spires de fil autour d'un noyau. (Ce noyau peut être vide
ou, en un matériau favorisant l'induction magnétique genre ferrite, afin d'augmenter la
valeur d'inductance). C'est donc un dipôle auto inductif linéaire qui est caractérisé
principalement par son inductance, mais également par une résistance électrique (celle du
fil utilisé, a priori faible), mais principal responsable des pertes.
DIAMAGNETISME PARFAIT :
On emploie le terme de diamagnétisme parfait pour désigner le comportement des
supraconducteurs qui créent en leur sein des courants induits qui s'opposent à toutes
variations de champ magnétique. Cette propriété est utilisée pour produire la lévitation
magnétique des supraconducteurs.
EFFET JOULE :
c'est la manifestation thermique (chaleur) de la résistance électrique. Il se produit lors du
passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des
supraconducteurs qui nécessitent cependant des conditions particulières.
EFFET MEISSNER :
En 1933, Meissner et Ochsenfeld ont découvert une propriété supplémentaire des
supraconducteurs: l'effet Meissner. Ils ont montré que les supraconducteurs, pour une
température (T) inférieure à Tc (température critique), possèdent non seulement une
résistance électrique nulle mais également un comportement de diamagnétique parfait. En
d'autres termes, cela signifie qu'en dessous de Tc, les supraconducteurs sont imperméables
aux champs magnétiques. L'effet Meissner constitue la base du phénomène de lévitation
magnétique.
LEVITATION MAGNETIQUE :
ce principe permet de faire " flotter " un objet grâce au champ créé par deux aimants. La
lévitation est en fait un phénomène de répulsion : les deux aimants se repoussent.
MAGLEV :
Le Maglev (" Magnetic Levitation Train ") est le fruit de la combinaison de la technologie
des supraconducteurs avec celle des moteurs linéaires.
RESISTANCE ELECTRIQUE :
c'est une propriété physique qui désigne l'aptitude d'un conducteur à s'opposer au passage
du courant électrique. La résistance est responsable d'une dissipation d'énergie sous forme
de chaleur. Cette propriété porte le nom d'effet Joule. Cette production de chaleur est
parfois un effet souhaité (résistances de chauffage), parfois un effet néfaste (pertes joules).
SUPRACONDUCTEUR :
c'est un matériau qui, lorsqu'il est refroidi en dessous d'une température critique, présente
deux propriétés caractéristiques : une résistance nulle (le passage du courant électrique se
fait sans dissipation d'énergie : pas de perte d'énergie par effet Joule) et diamagnétisme
parfait.
SUPRACONDUCTIVITE :
c'est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans
résistance à condition que leur température soit inférieure à une certaine valeur appelée
température critique (Tc). Ils s'opposent également à tout champ magnétique externe. En
somme, ce phénomène électromagnétique est caractérisé par l'absence de résistance
électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du matériau (ce phénomène
de diamagnétisme parfait est appelé effet Meissner). La supraconductivité conventionnelle
intéresse des températures très basses proches du 0 Kelvin (soit -273°C).
SUSTENTATION MAGNETIQUE :
état d'un corps maintenu à faible distance au-dessus d'une surface et sans contact avec elle
grâce à un champ magnétique.
TEMPERATURE CRITIQUE :
En dessous d'une certaine température, appelée température critique Tc, certains
matériaux deviennent des supraconducteurs : leur résistivité (ou résistance) devient non
mesurable, elle est considérée comme nulle.