Вакуум на службе транспорта: от пневмопочты до Hyperloop

У этого вида транспорта есть множество названий и разновидностей – пневмотранспорт, пневматическая железная дорога, вакуумный поезд… Однако все это многообразие при ближайшем рассмотрении объединяет один и тот же принцип – создание тяги или необходимая скорость здесь обеспечивается через манипуляции с давлением воздуха.

В основном тяга достигается при помощи создания разности между давлением в воздушной среде, при формировании сжатого или разреженного воздуха, либо частичного или полного вакуума.

Практически всегда в данном транспорте используется труба, в которой и совершаются все необходимые трансформации среды. А основные отличия между разновидностями «вакуумного транспорта» заключаются в том, каким способом осуществляется тяга и где находится сосуд (капсула, вагон) с грузом – внутри трубы или вне ее.

Обратимся к прошлому и посмотрим, с чего начиналась история «пятого вида транспорта».

Отцы пневматики

По некоторым данным основы пневмотранспорта были заложены еще в первом столетии нашей эры греческим инженером Героном Александрийским в его трактате «Пневматика».

Пневмопочта – перемещение штучных или сыпучих объектов в легкой капсуле при помощи разреженного воздуха или частичного вакуума, генерируемого в замкнутой (часто подземной) трубе, была изобретена английским инженером Уильямом Мердоком в первой половине XIX века.

Широкое распространение, однако, пневмопочта получила лишь к началу XX века, и до сих пор используется некоторыми учреждениями, например банками (Сбербанк) и некоторыми торговыми сетями (IKEA, Media Markt).

Идея же о практическом перемещении не только грузов, но и людей при помощи создания искусственных неоднородностей в давлении воздуха появилась в 1812 году, когда английский изобретатель Джордж Мэдхерст поделился ею с научным сообществом.

В частности, он предлагал две возможные версии нового вида транспорта: либо капсула сама по себе должна была стать поршнем, на который действует давление воздуха в железной трубе, либо она должна была быть соединена с небольшим поршнем, который вводится в трубу и под воздействием сжатого или разреженного перемещает вагон.

Первый вариант с некоторыми допущениями можно назвать предшественником концепций вакуумных поездов и даже самого Hyperloop, однако второй оказался более реализуем для технологий первой половины XIX века.

Впрочем, при жизни Мэдхерста ни один из них реализован так и не был.

Проба поршня

Хотя миниатюрные модели пневматической железной дороги были созданы в середине 1830-х годов, первыми, кто практически реализовал этот транспорт в натуральную величину, являются изобретатели Джейкоб Самуда и Сэмюэль Клегг, запустившие первую в истории действующую линию этого транспорта в 1840 году.

Инженеры с вниманием отнеслись к работам Мэдхерста и вдохновились ими, создав на западе Лондона линию пневматической железной дороги длиной примерно в 800 метров.

Замысел был довольно прост: между рельсами располагалась железная труба с отверстием наверху, а вагон обладал специальным поршнем, который находился под вагоном и помещался в это отверстие.

На всем протяжении трубы отверстие было закрыто медвежьей кожей (для герметичности), и открывалось лишь под поршнем, что обеспечивалось специальными клапанами.

На одном из концов трубы находился насос мощностью в 16 лошадиных сил, который выкачивал воздух из трубы. В самой трубе, таким образом, появлялась разность в давлении – разреженный воздух впереди поршня и более плотный позади, что приводило к давлению на поршень и движению всего вагона вдоль трубы.

Насос находился только на одном из концов трубы, и движение вагона обратно обеспечивала сила тяготения – к точке назначения поезд двигался в гору, и возвращался поэтому под уклон.

Максимальная скорость, которой удалось достичь при испытаниях дороги, составила 48 км/ч.

Пневматический бум

Демонстрационная линия Самуды и Клегга просуществовала два года и, разумеется, привлекла к себе внимание общественности, ученых и даже правительства, которое всерьез заинтересовалось перспективами нового транспорта.

Свои силы решили испытать и другие инженеры, начался своеобразный бум развития пневмотранспорта, который поддерживался государственными кредитами. Первой коммерческой линией пневматической железной дороги стала Dalkey Atmospheric Railway в Ирландии, покрывшая более 2 км между Дублином и Кингстауном.

В августе 1843 года она открылась для общественного использования, а к марту 1844 вышла на показатель в 4,5 тысячи пассажиров в неделю. Просуществовала Dalkey Atmospheric Railway более десяти лет и была закрыта в 1855 году.

Прогресс наблюдался не только на территории Британской империи. Самой «живучей» линией оказалась Paris-Saint-Germain во Франции длиною в 8,5 км, которая была открыта для коммерческого использования в 1847 году, а закрылась в 1860-м.

Если не считать относительно удачных, но все же весьма краткосрочных и всего лишь демонстрационных проектов подземной пневматической железной дороги в Нью-Йорке во второй половине XIX века, то на Paris-Saint-Germain развитие и даже использование этого вида транспорта временно обрывается.

Главная причина – низкий КПД по сравнению с другими видами железнодорожного транспорта. О пневматической тяге на время забыли.

В современности, впрочем, развитие технологий позволило претворить в жизнь более эффективные проекты на основе того же принципа, правда, не столь многочисленные.

В Индонезии и Бразилии в данный момент действуют так называемые «аэромовелы» (Aeromovel) – те же пневматические железные дороги с вагонами без машинистов, только движущиеся по эстакадам и с электрическими насосами на протяжении всей трубы, в которой создается частичный вакуум, и электрическим же питанием от рельсов. Также, конечно, аэромовелы обладают куда более совершенной технологией клапанов, чем их предшественники из XIX века.

К повсеместному распространению этого экологичного вида транспорта, вероятно, не приводит все тот же сравнительно низкий КПД и популярность других видов общественного транспорта.

Движение без трения

В начале 1910-х годов, еще до своего воплощения в научной фантастике, идея вакуумного поезда – то есть поезда, движущегося по трубе с откачанным воздухом и не касающегося при этом стенок из-за магнитной левитации – была опытным путем продемонстрирована в российской лаборатории.

Ученый Борис Вейнберг из Томского технологического института тогда разработал концепцию «магнитоплана», которая стала довольно известна не только в России, но и за рубежом.

Несмотря на довольно сложное для страны время, Вейнберг прямо в лаборатории построил работающую модель вакуумного поезда на электромагнитном подвесе, а затем опубликовал работу «Движение без трения», где описал основные принципы разработанного им нового вида транспорта.

Аналогичные эксперименты проводил примерно в то же время американский изобретатель французского происхождения Эмиль Башле, который даже представил похожую работающую модель в Лондоне в 1914 году.

Но тут началась Первая мировая война, и странам Европы стало не до науки. Проекты ученых были на время забыты, однако о работах по крайней мере Башле затем вспомнили, что при последующих экспериментах привело в 1960-х годах к созданию маглевов – поездов, движимых силой электромагнитного поля.

Концепция вакуумных же поездов переместилась в научную фантастику, и долгое время служила в основном предметом рассуждений и мечтаний писателей и футурологов. Нечто похожее пытались реализовать в Швейцарии, однако проект закрыли после сомнений в его коммерческой рентабельности.

Так было до начала 2010-х годов.

Пятый вид транспорта

В 2010 году китайские ученые заявили о том, что к 2020 году собирается построить первый вакуумный поезд, способный развивать скорость до 1000 км/ч. С тех пор, правда, о проекте ничего не слышно.

А в 2012 году Элон Маск – основатель SpaceX, Tesla Motors и SolarCity – заявил, что готов подарить миру концепцию пятого вида транспорта (после водного, воздушного, автомобильного и железнодорожного) – Hyperloop.

Проект, правда, не следует целиком концепции вакуумного поезда – в Hyperloop, к примеру, вообще не используется магнитная левитация – однако он очень близок к ней.

Маск предложил построить между Сан-Франциско и Лос-Анджелесом (550 км) подземную или наземную трубу диаметром приблизительно в 2,2 метра, в которой в частичном вакууме (давление – 1/1000 атмосферного) капсулы из плотного алюминия перевозили бы людей на скоростях порядка 1000 км/ч – что достигалось бы, конечно, практически отсутствующим трением среды.

Та часть воздуха, которая должна быть в трубе, втягивалась бы насосом на носу капсулы и передавалась бы под «лыжи» поезда – таким образом, капсула бы не касалась стенок трубы, левитируя над ее поверхностью.

Движение и торможение самого поезда осуществлялось бы установленными на нем линейными электродвигателями.

По словам Маска, такой поезд способен перевезти пассажиров по указанной междугородней дистанции менее чем за полчаса, к тому же по довольно низкой цене за билет.

Одним из проектов вакуумного поезда также является трансатлантический подводный поезд Великобритания-США на основе магнитной левитации, правда, проект пока что находится на стадии самого раннего концепта.

При переносе на российскую географию это говорит о том, что Hyperloop домчал бы пассажиров из Москвы в Санкт-Петербург примерно за 40 минут, что, конечно, стало бы воплощением мечтаний очень и очень многих.

Плюсов добавляет экологичность транспорта и отсутствие пробок. Перегрузки на организм пассажиров также сведены к минимуму и по расчетам будут составлять 0,5 g.

Впрочем, компьютерное моделирование показало, что при всех заявленных характеристиках концепцию Hyperloop следует значительно усовершенствовать. Стоимость проекта, названная Маском в 6 миллиардов долларов, по мнению многих специалистов, значительно недооценена, ведь речь идет о действительно новом виде транспорта.

Различные политические и экономические препятствия также пока что стоят на пути Маска, и реализация проекта на данный момент отложена на неопределенный срок. Тем не менее, Маск все же собирается построить демонстрационную модель (прямо как Самуда и Клегг), чтобы доказать реализуемость и эффективность Hyperloop.

В мультфильме «Футурама» гигантские пневматические трубы, по которым люди самостоятельно, но нарочито нелепо перемещаются через мегаполис образца 3000-ого года, служат высмеиванием наивных экстраполяций современных тенденций касательно технологий будущего.

Вероятно, современники Мэдхерста и Самуды могли всерьез написать что-то подобное, однако никто из них не подозревал, что пневматическая железная дорога окажется на обочине научно-технического прогресса спустя всего 20 лет после своего яркого дебюта в Лондоне.

Может, схожая судьба ждет и китайский вакуумный поезд, и американский Hyperloop. Однако во времена, когда технологический прогресс движется быстрее, чем когда-либо раньше и продолжает ускоряться, возможно все.

Как изменится лицо мирового общественного транспорта, если демонстрационная модель Hyperloop окажется успешной? Загадывать, как показывает опыт прошлого, не стоит.

Однако помечтать о 40-минутном путешествии из Санкт-Петербурга в Москву, стоя в многочасовой пробке, вряд ли вредно.