RICHARD STEPHAN. Dr.-Ing., LASUP/COPPE/POLI/UFRJ, Rio de Janeiro, BR,

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ISSN 1983-3903

CONINFRA 2010 – 4o_{CONGRESSO DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 –} 4o_{TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONGRESS) - ISSN 1983-3903}

August 4th _{to 6}th₂₀₁₀ 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)

Dr.-Ing., LASUP/COPPE/POLI/UFRJ, 21945-970 Rio de Janeiro, BR, rms@ufrj.br.

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 Levitation, Electrodynamic Levitation,

Superconducting Levitation, Wheel and rail technology.

RICHARD STEPHAN

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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

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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 eletro-imã 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.

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velocidade tração levitação SML

levitação EDL, EML

70 km/h 150 kW ~0 kW 500 kW

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,

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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 roda-trilho, uma vez que estaríamos trabalhando com uma tecnologia que chegou ao seu esgotamento,

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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-Shine-Hochgeschwindigkeitsbahn: 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.