Brasil da otro paso hacia el desarrollo de un tren de levitación magnética (maglev). Estos vehículos futuristas, todavía raros en el mundo, se desplazan silenciosamente, sin emisión directa de contaminantes ‒funcionan con energía eléctrica‒, flotando a escasos centímetros de la vía. Hacia finales de año, investigadores de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) tienen previsto dar inicio a una nueva fase de pruebas del primer vehículo experimental a escala real del mundo equipado con la tecnología de levitación magnética superconductora (SML). El vagón, de 4,3 metros (m) de largo por 2 m de ancho y con capacidad para 20 pasajeros, recorrerá una vía elevada de 200 m que unirá los Centros de Tecnología 1 y 2 de la UFRJ en Ilha do Fundão, en la capital fluminense.
Tan solo Japón, China y Corea del Sur cuentan con vehículos maglev operativos. También hay investigaciones en curso en este campo en Alemania, Estados Unidos, Francia, Inglaterra, Rusia e Italia. El sistema SML es una de las tres tecnologías maglev prometedoras para el transporte masivo. Las otras dos, la levitación electrodinámica y electromagnética, son más antiguas.
El proyecto MagLev Cobra, como ha sido denominado el vehículo brasileño, es dirigido por docentes del Instituto Alberto Luiz Coimbra de Posgrado e Investigaciones en Ingeniería (Coppe) de la UFRJ en colaboración con la Escuela Politécnica y el Instituto de Física de la misma universidad. Los estudios se iniciaron en 1998 (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 157) y cuentan con el respaldo de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Río de Janeiro (Faperj), el Banco Nacional de Desarrollo Económico y Social (BNDES) y la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep). Fruto de este trabajo, el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) ya ha otorgado tres patentes.
Un primer prototipo del vehículo, fabricado en forma artesanal, funcionó experimentalmente entre 2015 y 2020 en la misma vía de 200 m. “Veinte mil personas han sido transportadas en este lapso”, relata el ingeniero electricista Richard Magdalena Stephan, del Programa de Ingeniería Eléctrica del Coppe y coordinador del desarrollo del MagLev Cobra. Los resultados del primer año de pruebas fueron objeto de un artículo publicado en 2016 en la revista científica IEEE Transactions on Applied Superconductivity.
La nueva versión del tren fluminense ha sido fabricada por la empresa Aerom, con sede en Rio Grande do Sul. “Es fruto de una producción industrial. Si fuera necesario fabricar un segundo vehículo idéntico podremos hacerlo. Con el anterior sería imposible”, explica el ingeniero. El vehículo incluye nuevas prestaciones, tales como el funcionamiento autónomo, sin conductor, un sistema automático de apertura y cierre de puertas y un mejor aislamiento térmico y acústico.
La nueva versión del vehículo del Coppe ha sido de producción industrial; detalle de la cabina de pasajeros (a la derecha, ahiba) y el criostato (a la derecha, abajo), el dispositivo que substituye a las ruedas del trenRafael Adorjján
Levitación estable
La tecnología de levitación superconductora que utiliza el MagLev Cobra aprovecha las propiedades de materiales que solamente empezaron a fabricarse a finales del siglo XX. Los trenes llevan un material cerámico compuesto por óxido de itrio, bario y cobre, y los rieles son imanes de tierras raras ‒aleaciones de neodimio, hierro y boro‒, explican Stephan y sus colegas en un artículo publicado en la revista Electronics, en 2020. La cerámica del tren, refrigerada con nitrógeno líquido a 196 grados Celsius (ºC) bajo cero, se vuelve superconductora y repele el campo magnético que producen los imanes. El diamagnetismo ‒la tendencia a repeler el campo magnético‒ genera una fuerza entre el superconductor y el imán, que es la que hace que el tren levite.
En lugar de cada una de las ruedas de un tren convencional, hay un criostato, un dispositivo térmico en forma de caja rectangular que enfría la cerámica. “La repulsión entre los materiales superconductores de alta temperatura [HTS] y los imanes de tierras raras genera una fuerza de levitación estable, que no se rompe fácilmente”, explica el profesor del Coppe. En consecuencia, un convoy de vehículos maglev con tecnología SML es capaz de mantener la estabilidad incluso cuando afronta curvas cerradas.
El MagLev Cobra, que en su versión final estará compuesto por vagones articulados, flotará a 1 cm de la vía. Su tracción correrá por cuenta de un motor eléctrico de inducción lineal instalado en el centro de la vía, de un extremo al otro. Una parte de él, la armadura, se instalará en el tren; la otra, un rotor de un motor eléctrico rectificado, se inserta a lo largo de toda la vía, alineado con la armadura: los motores eléctricos normalmente están dispuestos en forma circular alrededor de un eje y funcionan en forma rotativa. Un sistema de alimentación le suministra la energía al motor, que funciona a través de un contacto deslizante entre la armadura y el rotor. Como el sistema de levitación no genera fricción, la tracción solamente debe contrarrestar el rozamiento que se produce con el aire, que a bajas velocidades decrece. Por lo tanto, el consumo de energía es bajo. La energía necesaria para abastecer al MagLev Cobra será generada por paneles solares.
La nueva fase de pruebas del vehículo durará al menos un año. Luego de ello, el equipo de la UFRJ tiene previsto construir una vía mayor, de 1 km de extensión, con curvas de 50 m de radio y pendientes de hasta un 15 %. En ella, el vehículo podrá alcanzar una velocidad de 70 Km/hora: el prototipo actual se desplazará a un máximo de 12 km/h. “Luego de estos ensayos y si todo sale óptimamente, estaremos listos para su explotación comercial”, anticipa Stephan. El vehículo circulará sobre una vía elevada continua. “Si lo hiciera a nivel del suelo, tendría que ir por una vía segregada”, dice el investigador.
Para el ingeniero civil Rômulo Dante Orrico Filho, quien fue subsecretario municipal de Transportes de Río de Janeiro y es docente del programa de Ingeniería de Transportes del Coppe, y no participa en el proyecto, el MagLev Cobra ofrece ventajas significativas que justificarían su apoyo e inversión pública para implementarlo.
“El costo operativo, que abarca el gasto en el suministro de energía y mantenimiento, es inferior al de los vehículos de ruedas sobre rieles”, compara el ingeniero. Otra ventaja que él destaca es su ligereza, ya que no necesita rieles ni ruedas de acero. “La infraestructura para soportar la vía es más liviana”, argumenta.
El ingeniero electricista José Roberto Cardoso, coordinador del Laboratorio de Electromagnetismo Aplicado (LMAG) de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP), considera que el MagLev Cobra es una alternativa singular para el transporte a baja velocidad con levitación magnética. “Se trata de un proyecto original que ha evolucionado mucho en los últimos 20 años. Resulta ideal para utilizarlo en trayectos urbanos, en aeropuertos y para unir municipios cercanos”, sostiene.
La experiencia China
Los estudios sobre la levitación magnética aplicada al transporte de pasajeros se remontan a los albores del siglo XX. En 1912, el francés Emile Bachelet (1863-1946) registró la primera patente de levitación electrodinámica (EDL). La levitación electromagnética (EML) fue propuesta por el alemán Hermann Kemper (1892-1977) en 1934. Hubo que aguardar hasta la década de 1970 para que se pusieran en marcha las primeras investigaciones con miras al desarrollo de los trenes maglev.
El conocimiento científico que permite la levitación basada en la tecnología SML es más reciente: se remonta a finales de la década de 1980. Fuera de Brasil, los proyectos SML se encuentran en su mayoría en fase de pruebas de laboratorio. El prototipo más avanzado se puso a prueba en la Southwest Jiaotong University (SWJTU), en Chengdu (China), en 2021, seis años después del comienzo de las pruebas con el prototipo MagLev Cobra artesanal. El proyecto chino apunta al transporte de alta velocidad, entre ciudades, mientras que el de la UFRJ se centra en los trayectos urbanos.
Vehículos de levitación magnética en operación en Chengdu (a la izq.) y Shanghái (a la der.), en ChinaTPG/Getty Images | Xiaoyang Liu / Construction Photography/Avalon/Getty Images
El ensayo con el prototipo de la SWJTU se llevó a cabo en una vía de 165 m. Según el ingeniero mecánico Zigang Deng, jefe del equipo de tecnologías HTS maglev en la SWJTU, se está planificando una nueva tanda de pruebas con una vía de 1,6 km que estará operativa en 2025. “Nuestro objetivo es alcanzar velocidades superiores a los 1.000 km/h”, declaró Deng a Pesquisa FAPESP. “La tecnología operativa del maglev SML a baja velocidad está completamente desarrollada y ha sido demostrada por el equipo de la UFRJ”, afirma Deng. Por eso, dice, la SWJTU optó por el desarrollo de un proyecto centrado en aplicaciones de alta velocidad.
En la tecnología pionera de levitación electrodinámica, el tren lleva imanes y los rieles son conductores convencionales. Para que la fuerza de repulsión sea suficiente como para sostener los vagones, las vías deben estar sometidas a un campo magnético que varía rápidamente. Por eso, la levitación solo aparece cuando la velocidad del tren es relativamente alta.
La primera línea EDL de demostración se implementó en 1997 en Japón. En 2013 se construyó una vía de 42,8 km destinada a realizar ensayos en Yamanashi, entre Tokio y Osaka. Dos años más tarde, el vehículo maglev alcanzó el récord mundial de 603 km/h. “La levitación electrodinámica es una tecnología diseñada para vehículos de alta velocidad. La levitación solo se produce una vez que se alcanza una velocidad de 100 km/h”, explica Stephan.
La otra tecnología, de levitación electromagnética, utiliza las fuerzas de atracción del magnetismo entre los electroimanes instalados en los vehículos, suplantando a las ruedas, y materiales ferromagnéticos de las vías. Resulta adecuada tanto para trayectos largos, en los que el tren alcanza velocidades mayores, como para recorridos urbanos. Desde 2003, un vehículo de alta velocidad construido con tecnología alemana recorre los 30 km que separan el aeropuerto de Shanghái, en China, del centro de esta ciudad, registrando velocidades de hasta 450 km/h: fue el primer vehículo de levitación magnética de alta velocidad en operar comercialmente.
Asimismo, hoy en día existen otros cinco maglev urbanos en operación, tres de ellos en China, uno en Japón y uno en Corea del Sur, todos con el sistema EML. “Debido a las altas velocidades que alcanzan, los trenes de levitación magnética podrían convertirse en una opción para conectar Asia y Europa por vía terrestre”, opina Cardoso, de la USP.
Un artículo científico escrito por Stephan y Deng, publicado en 2023 en la revista Modern Transportation Systems and Technologies hace hincapié en las ventajas del sistema SML en comparación con la tecnología EML, también destinada al transporte urbano. “La levitación electromagnética depende de un suministro de energía en forma ininterrumpida. Las fallas en el suministro eléctrico llevan al colapso del sistema de levitación”, dice. En consecuencia, los vehículos EML necesitan sensores y sistemas de reserva de energía. En tanto, con la tecnología SML, para mantener al tren levitando solo es necesario el reabastecimiento diario del criostato con nitrógeno líquido.
Otra diferencia: el sistema EML utiliza en sus vehículos electroimanes pesados, mientras que los criostatos del sistema SML son livianos. La tercera diferencia entre ambas tecnologías se presenta en los conmutadores de vías. En los maglev EML, para que un vehículo cambie de vía, esta debe desplazarse para conducir al maglev en una nueva dirección. En el caso del maglev SML, llegado a un cruce, basta con reemplazar los imanes de la vía por electroimanes y energizarla en la dirección que se desea seguir, cortando el suministro eléctrico de un ramal y manteniendo el otro. “Estas características les confieren a los sistemas SML levedad, practicidad y confiabilidad”, explica Stephan.
Artículos científicos
MATTOS, L. S. et al. MagLev-Cobra operational testes. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. v. 26, n.3. abr. 2016.
STEPHAN, R. M. y PEREIRA JR., A. O. The vital contributions of maglev vehicles for the mobility in smart cities. Electronics. 11 jun. 2020.
STEPHAN, R. M et al. Past, present and future of superconducting magnetic levitation (SML). Modern Transportation Systems and Technologies. v. 9, n. 1. nov. 2023.
