هایپرلوپ به زبان ساده؛ 570 کیلومتر در کمتر از 30 دقیقه!

در اواخر سده نوزدهم تا اوایل سده بیستم میلادی در برخی ادارات و سازمان‌های کشورهای مختلف برای سرعت بخشیدن به ارسال و دریافت اسناد و بسته‌های کوچک در فواصل کوتاه، سیستم ظاهرا ساده اما جالبی باب شد که به آن لوله‌های فشار هوا یا اصطلاحا pneumatic tube می‌گفتند. در سیستم یادشده، درون ساختمان لوله‌هایی تعبیه می‌شد که به جای آب، محموله‌های جامد را جابه‌جا می‌کرد. کافی بود متصدی ارسال و دریافت، پس از اطلاع از مقصد بسته، آن را درون لوله مربوطه قرار دهد تا با فشار هوای حاصل از پمپ، به طبقات یا اتاق‌های مقصد ارسال شود. لوله‌ها‌ی فشار هوا امروزه نیز به ندرت و البته در مقیاسی کوچک‌تر در برخی جاها کاربرد دارند.  

حالا تصور کنید قطر لوله‌ها را ده‌ها برابر افزایش دهیم و به جای سند و نامه، کپسول‌هایی را درون آن به حرکت درآوریم که هر کدام‌شان ظرفیت حمل چند مسافر را هم دارد. اساس کار هایپرلوپ (Hyperloop) شبیه به همین است؛ با این تفاوت که ضمن بهره بردن از خواص خلاء و فشار هوا، فناوری‌های دیگری را نیز به خدمت می‌گیرد که شاید مهم‌ترین آن‌ها نیروی الکترومغناطیسی باشد.

ایلان ماسک، کارآفرین مشهور و بنیان‌گذار چند شرکت از جمله «اسپیس‌ایکس» و «تسلا موتورز» پروژه پیشنهادی خود، هایپرلوپ را با جدیت دنبال می‌کند؛ وسیله‌ای که با آن می‌توان فاصله بین لس‌آنجلس تا سان فرانسیسکو را در کمتر از 30 دقیقه پیمود. ماسک ایده هایپرلوپ را در سال 2012 و مقاله خود در باره آن را در سال 2013 ارائه کرد و طی این مدت، طرح‌ها و پیشنهادهای گوناگونی برای عملیاتی کردن آن ارائه شده است. علاوه بر آن، انجام چند آزمایش موفقیت‌آمیز طی ماه‌های گذشته بهانه‌ای شد تا مجددا به مرور این موضوع بپردازیم که هایپرلوپ چیست و چگونه کار می‌کند.

هایپرلوپ چیست؟

ایلان ماسک در سال 2012 از ایده ساخت نوعی قطار سخن گفت که با استفاده از یاتاقان هوا درون لوله یا تونلی از خلاء معلق می‌ماند و در همان حال ضمن بهره‌گیری از نیروی الکترومغناطیسی با سرعتی بیش از 1200 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند. او این سیستم را هایپرلوپ (Hyperloop)، و قطار یا کپسول حمل مسافر را پاد (Pod) نامید. البته چون هایپرلوپ طرحی اپن‌سورس و غیرانحصاری است، برای واقعیت بخشیدن به آن شرکت‌های گوناگونی تاسیس شده‌‌اند که گاهی راه‌کار و فناوری مورد استفاده آن‌ها با ایده ایلان ماسک تفاوت‌هایی دارد. اما در کل، هایپرلوپ نوعی قطار بدون چرخ است که «پاد» نام دارد و درون لوله یا تونل خلاء حرکت می‌کند. پادها در داخل لوله‌، معلق هستند و در همان حال حرکت می‌کنند. در واقع، بین سطح قطار و سطح لوله هیچ اصطکاکی وجود ندارد و همین ویژگی به هایپرلوپ اجازه می‌دهد تا به سرعت‌هایی بیش از 1200 کیلومتر در ساعت نیز دست پیدا کند.

در حال حاضر، برای معلق نگه داشتن پاد دو روش وجود دارد: یکی استفاده از یاتاقان هوا و دیگری بهره‌گیری از فناوری خیزش یا شناوری مغناطیسی.

همانطور که گفته شد، ایلان ماسک روش نخست یعنی یاتاقان هوا را پیشنهاد داده است که بسیار کم‌هزینه‌تر است. اما شرکتی مانند «هایپرلوپ وان» بهره‌گیری از شناوری مغناطیسی را ترجیح می‌دهد. از آنجا که نیروی الکترومغناطیسی و نیروی حاصل از فشار هوا در رانش پادها نیز نقش مهمی دارند لازم است خواص و کاربردهای هر دو نیرو را کمی بیشتر بررسی کنیم. 

یاتاقان هوا و فشار هوا

گفتیم که با نیروی الکترومغناطیسی هم می‌شود پاد را معلق نگه داشت اما این کار هزینه زیادی دارد که نهایتا باید از جیب مسافر پرداخت شود. پس یکی از راه‌کارهای جایگزین، استفاده از فشار هوا است. در این روش، هوا از طریق حفره‌های موجود در کف سورتمه‌ایِ پاد، پمپاژ می‌شود. درنتیجه، بین سطح خارجی پاد و سطح داخلی تونل لایه‌ای از هوا شکل می‌گیرد که از ایجاد برخورد و اصطکاک جلوگیری می‌کند.

ذکر این نکته نیز لازم است که در هایپرلوپ هوای لوله‌ یا تونل توسط مکنده‌هایی که در فواصل معین تعبیه شده‌اند تخلیه می‌‌شود. با این کار، تنها فشار هوای اندکی در تونل باقی می‌ماند که به محیط خلاء ‌شباهت دارد. پس پادها حین حرکت در تونل با مقاومت کمتری مواجه می‌شوند و درنتیجه، انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند. کاهش مصرف انرژی مزیتی است که هر سیستم‌ حمل و نقلی آرزویش را دارد. فرقی نمی‌کند که هایپرلوپ برای معلق نگه داشتن پادها از یاتاقان هوا استفاده ‌‌کند یا از نیروی الکترومغناطیسی؛ در هر دو صورت هوای تونل را باید آنقدر تخلیه کرد که شرایطی نزدیک به خلاء بر آن حکمفرما شود.

شناوری مغناطیسی و نیروی الکترومغناطیسی

خیزش یا شناوری مغناطیسی یا اصطلاحا maglev (کوتاه شده عبارت magnetic levitation) یعنی استفاده از نیروی مغناطیسی برای معلق نگه داشتن اشیاء. در حال حاضر قطارهای شناور الکترومغناطیسی (استفاده از نیروی برق برای ایجاد میدان مغناطیسی) در چند کشور از جمله چین، ژاپن و آلمان مشغول به کار هستند. این قطارها می‌توانند به سرعت‌هایی بیش از 500 کیلومتر در ساعت نیز دست پیدا کنند. در قطارهای شناور الکترومغناطیسی هیچ چرخی در کار نیست و بین کف قطار و ریل نیز تماسی وجود ندارد زیرا نیروی الکترومغناطیسی، قطار را اندکی از سطح زمین بلند می‌کند و آن را بر بستری از هوا به پیش می‌راند. به همین علت است که به این فناوری، شناوری الکترومغناطیسی می‌گوییم. اگرچه این فناوری پرهزینه‌تر است، شرکت «هایپرلوپ وان» در پروژه هایپرلوپ خود، استفاده از آن را برای شناور نگه داشتن پادها ترجیح داده است.

در هایپرلوپ چه می‌گذرد؟

همان‌گونه که قبلا گفته شد، ممکن است راه‌کار هر شرکت با شرکت دیگر اندکی تفاوت داشته باشد. در اغلب طرح‌های فعلی، نیروی رانشی پادها از طریق شتاب‌دهنده‌های مغناطیسی تامین می‌شود که در طول تونل‌ها کار گذاشته شده‌اند و پادها را به جلو می‌رانند. هوای کم‌فشار داخل تونل نیز پاد را احاطه می‌کند و گویی پاد روی بستری از هوا به پیش می‌رود. البته این طرح با مشکلی هم مواجه بود که باید رفع می‌شد: هرچه پاد به جلو حرکت می‌کرد، حجم بیشتری از هوا در جلوی آن انباشته می‌شد و هل دادن این حجم از هوا به نیروی زیادی احتیاج داشت (مثل وقتی که سر سرنگ مسدود باشد و بخواهید پیستون سرنگ را به جلو بفشارید). ماسک برای حل این مشکل پیشنهاد داد در جلو هر پاد کمپرسور هوا کار گذاشته شود تا هوا را از جلوی پاد بمکد و به سمت دم آن هدایت کند. 

با این توضیحات مشخص می‌شود که حتی اگر برای معلق نگه داشتن پادها از یاتاقان هوا استفاده کنید، باز برای به حرکت درآوردن پاد به نیروی الکترومغناطیسی احتیاج خواهیدداشت. برای مثال، در هایپرلوپ پیشنهادی ایلان ماسک، پادها با استفاده از موتور القایی خطی و کمپرسور هوا حرکت می‌کنند. «هایپرلوپ وان» نیز پادهای خود را با کمک نیروی الکترومغناطیسی به پیش می‌راند. این شرکت در زیر پاد یا کپسول حمل مسافر، آهن‌رباهای قدرتمندی کار گذاشته است. با وجود این آهن‌رباها، یک پالس الکترومغناطیسی کافی است تا شتاب اولیه برای از جا کندن پاد تامین شود. در واقع، آن‌ها به جای موتور مغناطیسی دائمی از موتور القایی استفاده کرده‌اند. به این ترتیب کل سیستم را می‌توان به مثابه موتوری دانست که آهن‌رباهای داخل تونل،‌ اجزای ثابت آن و کپسول‌های مجهز به آهن‌ربا اجزای متحرکش محسوب می‌شوند.

زمان راه‌اندازی و آینده هایپرلوپ

طبق گزارش مبسوط و اخیر سایت پاکت‌لینت، ماسک هنوز برای راه‌اندازی رسمی هایپرلوپ تاریخی اعلام نکرده است، فقط گفته است که این اتفاق خواهدافتاد. شرکت «اسپیس‌ایکس» در مجاورت شهر هاوتورن در ایالت کالیفرنیا مسیری آزمایشی به طول تقریبی 1.6 کیلومتر ساخته است و اولین آزمایش موفق هایپرلوپ را در آن‌جا صورت داده است.

ماه مه امسال نیز شرکت «هایپرلوپ وان» اعلام کرد نخستین پاد حمل مسافر به طول 8.5 متر را که به‌طور ویژه برای حرکت در محیط شبه‌خلاء طراحی شده بود با موفقیت آزمایش کرده است. این وسیله توانست ضمن شناور ماندن در داخل تونل یا لوله انتقال، به مدت 5.3 ثانیه با سرعت 113 کیلومتر بر ساعت در مسیر خود حرکت کند.

همچنین اوایل ماه جاری میلادی اعلام شد، فاز دوم آزمایش پیش‌نمونه پاد «هایپرلوپ وان» با موفقیت به سرانجام رسید و این پاد توانست با سرعت تقریبی 309 کیلومتر بر ساعت مسیری به طول 500 متر را داخل تونل خلاء طی کند. این تونل تقریبا به طور کامل از هوا تخلیه شده بود و خلاء حاکم بر آن شبیه به ارتفاع 60 هزار متری از سطح دریا بود.

شروین پیشه‌ور، رئیس و از موسسان شرکت «هایپرلوپ وان» قصد دارد هم مسافر و هم بار را با پادهای پرسرعتی که هر 10 ثانیه یک بار از ایستگاه خود به سمت مقصد به راه می‌افتند جابه‌جا کند. او اخیرا گفته بود: «هایپرلوپ تقریبا تا سال 2020 در جهان عملیاتی خواهدشد.»

شرکت دیگری موسوم به «هایپرلوپ ترنسپورتیشن تکنولوجیس» به دنبال سازوکاری است تا طی آن سه کشور اسلوونی، اتریش و مجارستان را به هم متصل کند. احداث مسیری آزمایشی به طول 8 کیلومتر تا سال 2018 در کالیفرنیا از دیگر برنامه‌های این شرکت است.

در حال حاضر که هایپرلوپ مراحل آزمایشی خود را می‌گذراند، تونل‌ها بر روی زمین ساخته شده‌اند. پس از آغاز به کار رسمی نیز می‌توان از مسیرهای روزمینی استفاده کرد زیرا هزینه کمتری دارد. در عین حال، کارگذاشتن لوله‌ها در زیرزمین نیز امکان‌پذیر است. ماسک پیشنهاد داده است لوله‌های روزمینی با صفحه‌های خورشیدی پوشانده شوند تا انرژی کافی برای کار کردن هایپرلوپ از این طریق تامین شود. 

برخی از مسیرهای پیش‌بینی شده

طبق مستندات و برنامه‌های موجود، بین لس‌آنجلس و سان فرانسیسکو مسیری 570 کیلومتری (354 مایل) احداث خواهدشد که ساخت آن حدود 6 میلیارد دلار هزینه در بر خواهدداشت. این خط صرفا برای حمل مسافر در نظر گرفته شده است. طرح دیگری نیز برای نقل و انتقال خودرو پیش‌بینی شده است که ساخت آن 7.5 میلیارد دلار هزینه دارد. چنین هزینه‌ای از نظر اقتصادی توجیه‌‌پذیر است زیرا افراد بیشتری می‌توانند از آن استفاده کنند و بازگشت سرمایه آن نیز بیشتر است.

همچنین ماسک در ژوئیه 2017 توییت کرد که پروژه تونل‌سازی شرکت «بورینگ کمپانی» که خود آن را بنیان‌گذاری کرده، توانسته است موافقت شفاهی مقامات دولت آمریکا را کسب کند. با این پروژه شهرهای نیویورک، فیلادلفیا، بالتیمور و واشنگتن به‌وسیله هایپرلوپ به هم متصل می‌شوند. ماسک ادعا می‌کند که با هایپرلوپ تنها 29 دقیقه طول می‌کشد تا از نیویورک به پایتخت آمریکا برسید. البته گفته می‌شود کسب تاییدیه‌های رسمی این پروژه بیش از آنچه به نظر می‌رسد کار دارد، زیرا طبق قوانین ایالات متحده موافقت دولت به تنهایی کافی نیست و ماسک باید موافقت کنگره و نیز تمام شهرداری‌هایی را که قرار است مسیر هایپرلوپ از آن‌ها بگذرد کسب کند.

کوتاه درباره هایپرلوپ

• ایده اولیه هایپرلوپ در گذر زمان تغییراتی را پشت سر گذاشته است، اما این سامانه در کل از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یکی لوله یا تونل انتقال که در واقع، مسیر حرکت است و دیگری «پاد» یا کپسول حمل مسافر که درون لوله‌ها حرکت خواهدکرد. هوای داخل لوله‌ها تقریبا به‌طور کامل تخلیه شده است و شرایطی شبیه به خلاء بر آن حاکم است. برای معلق نگه داشتن پاد درون لوله‌، هم می‌توان از فشار هوا استفاده کرد و هم از نیروی الکترومغناطیسی. در برخی از طرح‌های پیشنهادی، سرعت پاد با فشار هوا کم و زیاد می‌شود اما شتاب اولیه برای حرکت پاد را نیروی الکترومغناطیسی تامین می‌کند.

• هایپرلوپ تاکنون چند آزمایش را با موفقیت از سر گذارنده است. اگرچه سرعت پیش‌بینی شده برای هایپرلوپ حدود 1200 کیلومتر در ساعت است، در مراحل آزمایشی هنوز چنین سرعتی حاصل نشده است.

• ایلان ماسک، ایده هایپرلوپ را در قالب طرحی اپن‌سورس و غیرانحصاری ارائه کرد. از این رو شرکت‌های گوناگونی مانند «هایپرلوپ وان» یا «هایپرلوپ ترنسپورتیشن تکنولوجیس» نیز برای فعالیت در این حوزه تاسیس شده‌اند که از نظر مالکیتی و مدیریتی با ماسک ارتباطی ندارند.   

• قرار نیست هایپرلوپ جایگزین سفرهای هوایی شود؛ به‌ویژه که افزایش هرچه بیشتر سرعت، اولویت فعلی آن نیست زیرا پادها هنگام گردش به چپ یا راست با نیروی گرانش زیادی مواجه می‌شوند که این پدیده در سرعت‌های زیاد برای مسافران خوشایند نیست. با همه این‌ها پیش‌بینی شده است که هایپرلوپ بتواند مسافران را با سرعت تقریبی 1200 کیلومتر بر ساعت (بیش از 700 مایل بر ساعت) جابه‌جا کند.

• دیرک آلبورن، مدیرعامل «هایپرلوپ ترنسپورتیشن تکنولوجیس»، هزینه هر بلیت برای سفر از لس‌آنجلس تا سان فرانسیسکو را چیزی حدود 30 دلار پیش‌بینی کرده است. به این ترتیب، سرمایه‌ای که برای احداث مسیر مربوطه صرف شده است طی 8 سال به حساب شرکت بازمی‌گردد، اگرچه هزینه نهایی بلیت هنوز مشخص نیست.