Антигиперлуп
высокоскоростного наземного транспорта тогда казалось понятным и однозначным transport. gofundme.com
Современные города имеют одну большую проблему – транспортную. Сформулировать ее можно так: города за последний век значительно выросли, а транспорт в них принципиально изменился не так сильно. Первые практичные электро- и ДВС-мобили появились в 1880-х, и с тех пор средняя скорость их движения по городам увеличилась незначительно. Если брать именно среднюю – со всеми перекрестками и светофорами, которых, кстати, в конце XIX века было куда меньше, чем сегодня, – то она так и измеряется первыми десятками километров в час. Достаточно бросить взгляд на карту Москвы или Лос-Анджелеса, чтобы понять: это означает долгие поездки на работу и обратно. В США речь о 40–50 минутах в одну сторону в среднем, в крупных городах России – примерно столько же.
Траты времени очень болезненны, но есть вещи и похуже. Автомобили выбрасывают много микрочастиц, и даже электромобили – от износа своих шин. Сегодня в воздухе над дорогами лишь 3–7 % всех микрочастиц в 2,5 микрометра и менее (самых опасных) дают шины, остальное – выхлопные трубы. Но беда в том, что электромобили тяжелее обычных машин в среднем в полтора раза и выше. А износ шин растет с ростом массы в геометрической прогрессии – то есть электромобильная революция все равно не избавит нас от опасных частиц в воздухе, пусть и уменьшит их количество. Общая смертность от этого явления в США XXI века – примерно 50 тысяч в год, и даже если она упадет до пяти тысяч в год – это все равно равносильно постоянно идущей Вьетнамской войне.
Попытки решить вопрос общественным транспортом дают не самые впечатляющие результаты. Согласно научным работам из США, хотя автобусы и грузовики в Нью-Йорке радикально малочисленнее легковушек, именно первые дают более 50 % смертей от микрочастиц. Не в последнюю очередь потому, что износ шин, повторимся, с ростом массы машины растет куда быстрее этой самой массы. То есть тотальный переход на автобусы или даже электробусы – не идеальное решение. Трамваи же, еще один вид городского транспорта из XIX века, все менее популярны по всему миру из-за того, что они плохо сочетаются и с автобусами, и с легковушками (пересечения с обычными дорогами).
Другая проблема: общественный транспорт неудобен. Там надо стоять, время поездки на нем – из-за множества ненужных лично вам остановок – больше, чем на машине, а за городом, по трассе, автобусы едут медленно, никуда особенно не спеша.
Подход Илона Маска
Уже десять лет назад Маск и группа его инженеров попробовали набросать выход из этой ситуации. Главные источники проблем городского транспорта – выхлопы и трение. Первое побороть легко: транспорт будущего должен быть электрическим, тут согласны все. Сложнее с трением. Именно оно снижает скорость движения, создает шум и микрочастицы, отделяющиеся от колес.
Чтобы победить его, Маск и Ко предложили гиперлуп – вид транспорта, летящий на воздушной подушке в трубе, где создан «технический вакуум» – то есть где атмосферное давление снижено в сто раз, примерно до марсианского уровня. Несмотря на это, воздушная подушка, по их расчетам, должна была работать, если скорость полета капсулы гиперлупа составит сотни километров в час. Ускорение достигалось электродвигателями, поэтому выхлопы проблемой не были. Получалось что-то вроде суперэлектрички – скорость до 800 километров в час, но без дорогих магнитов в дороге, погубивших экономическую целесообразность маглевов.
Для внутригородского транспорта, где расстояния меньше, предлагался другой вариант – просто «луп» – то есть система подземных тоннелей, по которым ездят электромобили. Раз они под землей, пробки им не грозят – едут как поезд на железной дороге, без лишних остановок. Надо где-то «выйти» – ответвление от подземного тоннеля поднимет машину лифтом «куда надо».
Тоннели городского «лупа» Boring Company Фото: Ethan Miller / Getty Images independent.co.ukЧто из этого вышло бы – хороший вопрос. Но ответ на него неясен: Маск слишком занят ракетами и электромобилями, чтобы уделить время еще и созданию фактически двух новых видов общественного транспорта с нуля. Те, кто пытался создать гиперлуп без Маска, – а таких стартапов было много, – уперлись в стену. Никто из них не освоил воздушную подушку, предпочитая вместо этого магнитную левитацию, требующую дорогих путей («выложенных» магнитами).
Из опыта постройки коммерческого маглева в том же Китае известно, что пути для него стоят 60 миллионов долларов (в ценах 2023 года) за километр. Для сравнения – стоимость современной многополосной автотрассы типа нового участка М-12 обходится примерно в 10–12 миллионов долларов за километр. Высокоскоростная двухпутная ж/д магистраль Санкт-Петербург–Москва оценивается в 25 миллионов долларов за километр, из-за того, что ей нужен предельно прямой маршрут, что означает частое использование эстакад и проход через болотистую местность. Неудивительно, что гиперлуп не взлетел: его пропускная способность явно ниже, чем у поездов на тысячу человек, и вряд ли больше, чем у автотрассы ценой в пять раз ниже.
Шанхайский маглев имеет длину всего в шесть километров, хотя исходно его планировали тянуть до Пекина. Однако цена в 60 миллионов долларов 2023 года за километр путей похоронила будущее проекта. Фото: Getty Images / Christian Petersen-Clausen, livescience.comГородской «луп» пока упирается все в ту же проблему цены: строить тоннели достаточно дешево пока не получается даже у стартапа «Боринг компани» все того же Илона Маска.
Британский подход 1973 года: решение найдено полвека назад?
Вообще-то проблему с городским и пригородным транспортом осознали еще более полувека назад – и тогда же попробовали решить. Япония выбрала вариант синкансэна, скоростной железной дороги. В пригородном формате это получилось, в городах, конечно, не особенно – через каждый квартал жилой застройки железную дорогу не построишь, да и шумноваты их колеса, если речь о действительно больших скоростях.
В Британии 1970-х решили пойти по принципиально иному пути – создав проект «Ховертрейн». Главная мысль разработчиков была все та же: отделаться от выхлопов и лишнего трения.
Первое было сделано довольно изящно. Обычный электромотор состоит из ротора, который вращается, и обмотки, которая создает магнитное поле, заставляющее ротор вращаться. Разработчики-британцы решили «вытащить обмотку из мотора» и уложить ее на днище мини-поезда, как в начале видео ниже:
В такой системе ротор больше не вращается – теперь это токопроводящая дорожка поверх путей. Движется тут только поезд, за счет действия электромагнитных сил на обмотку в его днище, точно как на видео. Плюсы схемы: нет вращающихся частей, а значит, нечему изнашиваться, кроме маленьких четырех токосъемников, забирающих электроэнергию для поезда, – но токосъемники есть и у любого электропоезда, погоды их износ все равно не делает, потому что он несравним с износом колес.
Трение днища мини-поезда о воздух много ниже, чем у колес любых типов о дорогу. И, что еще более важно – воздушная подушка позволяет резко снизить удельное давление транспортного средства на дорогу. Еще в 1969 году было рассчитано, что такое давление в 10 тысяч раз ниже, чем у колеса поезда, оказывающего воздействие на рельс, и в 20 раз ниже, чем у шины легковушки, давящей на дорогу.
Последний момент поистине революционен. Дело в том, что инженерная сложность дороги зависит не столько от общей нагрузки на нее, сколько от максимального удельного давления на ее точку. Как равномерное распределение давления снегоступа позволяет человеку не проваливаться в снег, так и равномерное распределение давления воздушной подушкой радикально снижает требования к материалоемкости дороги.
Конкретно для Hovertrain дорогу оказалось возможным сделать из обычнейших полых бетонных секций, массой около 50 тонн и длиной менее 23 метров. Чтобы не иметь проблем с наземными пересечениями, путь подняли на десятиметровых колоннах над землей. За счет низкого удельного давления все это обошлось всего лишь в три миллиона долларов на современные деньги. Подчеркнем: сегодня столько стоит не лучшая двухполосная автодорога, четырехполосная обходится уже в разы дороже, а высокоскоростная железная дорога стоит и вовсе в 8–10 раз больше. Наконец, маглев стоит в 20 раз дороже пути для Hovertrain.
Британский экспериментальный поезд на воздушной подушке RTV 31, начало 1970-х arch.cam.ac.ukЗначение низкой стоимости путей – даже несмотря на их поднятость над землей – трудно полностью оценить с первого взгляда. Поэтому поясним: такой вид транспорта по окупаемости находится на уровне автомобильного. Минимальная единица такого поезда вмещает всего несколько десятков человек, как обычный автобус. Да, автобус будет стоить дешевле, потому что ему не нужны вентиляторы, поддерживающие воздушную подушку при движении. Зато ховертрейн имеет во много раз большую среднюю скорость движения – то есть каждый день будет давать в несколько раз больше пассажиро-километров, чем автобус, отчего и окупит себя в сходные сроки. Расходы на «топливо» у них тоже сравнимы: да, поезд на воздушной подушке быстрее, но у него нет трения колесами, поэтому его энергопотребление определяется исключительно сопротивлением воздуха.
Поезд на воздушной подушке RTV 31 «набирает изрядную скорость» во время испытательного пробега в Кембриджшире, Англия, 7 февраля 1973 г. Фото: Douglas Miller/Keystone/Getty Images, foreignpolicy.com
То есть там, где разумно проложить автодорогу, по которой ездит автобус, можно будет проложить и дорогу для поезда на воздушной подушке – если окупится первое, то окупится и второе. Окупаемые автобусы мы можем видеть на любой крупной улице и в любом райцентре. Иными словами, ховертрейн был не очередным маглевом или синкансэном, имеющим смысл только для соединения между собой крупных и близко расположенных мегаполисов. Он был потенциально массовым транспортом – способным заменить и трамвай, и автобусы, и электрички, и поезда. Причем, в отличие от всех этих видов транспорта, он был изначально приподнят над землей на 10 метров, чтобы воздух от работы его подушки не поднимал пыли. Следовательно, его можно пустить и в городской черте – хоть над автодорогой, хоть над ее обочиной – и он никому не помешает. Точно так же его можно установить над действующими железными дорогами, идущими в городах к вокзалу. Из-за малой массы ховертрейновской дороге не потребуется дополнительное усиление путей, над которыми (или рядом с которыми) пройдет такая десятиметровая эстакада.
Англичане рассчитывали на него в первую очередь как на междугородный и пригородный транспорт, но, объективно говоря, он вполне мог работать и внутри городов. Эстакадные поезда в том же Ванкувере работают десятилетиями и давно показали, что пассажирам несложно подняться на 10 метров по лестнице, а если кому-то сложно – то у станций всегда есть лифт. Зато на пути такого общественного транспорта никогда не выедет автомобиль, да и пешеход с велосипедистом туда вряд ли заберутся.
Нет светофоров – нет помех движению, как у обычного городского транспорта. Есть остановки – но скорость поезда на воздушной подушке даже в городской черте по расчетам могла достигать 240 километров в час без превышения допустимого уровня шумового загрязнения. Скорость торможения и разгона у такого транспорта, кстати, намного выше, чем у обычных поездов, – регенеративное торможение линейным электродвигателем эффективно, а разгон – быстр. На испытательном отрезке длиной всего в милю он умудрялся разгоняться выше 200 километров в час. За счет этого средняя техническая (с учетом остановок) скорость поездов на воздушной подушке в городе может быть и в сотню километров в час – результат практически недостижимый для любого другого вида городского транспорта.
Таким образом, ховертрейн закрывал ключевые проблемы общественного транспорта. Он получался в норме удобнее даже личного авто: то не позволяет двигаться с максимальными скоростями выше двух сотен километров в час в городе – да еще не пересекаясь при этом на перекрестках с любым другим транспортом. Что выберет средний лондонец – или москвич – если ему нужно ехать на другой конец города? Час в автомобиле или 20 минут в поезде с отличными видами?
Если все так хорошо, почему ховертрейн не взлетел?
Несмотря на все это, на практике поезд на воздушной подушке на сегодня не работает нигде. Ни в городах, ни вне их. Часто это объясняют тем, что его вытеснил маглев, которому надо на 30 % меньше энергии на километр. Однако это явно не так: собственно маглева, кроме нескольких километров дороги у Шанхая, в коммерческом использовании тоже ведь нигде нет. Обычные высокоскоростные поезда, построенные с 1973 года во Франции и Японии, тратят на километр пути никак не меньше энергии, чем ховертрейн, – порядка 40 ватт-часов на пассажиро-километр. При этом, повторимся, дороги для них стоят во много раз дороже. Почему же Франция и Япония – кстати, первая тоже разрабатывала поезд на воздушной подушке – выбрали поезда с колесами? Такие же по энергетическим затратам, но с куда более дорогими путями?
На первый взгляд, эта загадка кажется необъяснимой. Но если присмотреться к мировой истории техники, то мы увидим множество таких загадок. Почему первый теплоход (российский «Вандал») был построен в 1903 году, а пароходы – тратящие больше топлива и идущие медленнее – доминировали в мировом судоходстве до 1950-х годов? Почему тепловозы на железной дороге появились в 1920-х, но вытеснить паровозы с первого места смогли только к 1960-м? Почему электропоезда развили скорость выше 210 километров в час еще в 1903 году, а серийные железные дороги с такими скоростями появились только в 1960-х?
Чтобы понять ответ на этот вопрос, надо уяснить, что внедрение новой технологии происходит не тогда, когда она становится выгоднее других, а тогда, когда те, кому такая технология нужна, узнают о том, что она выгоднее других. Для этого недостаточно просто прочитать о новой разработке. Нужно понять ее и стоящие за ней расчеты. Сделать это не просто сложно – но сложно чрезвычайно. Типичный коммерческий директор автоколонны, железной дороги или целой компании слабо разбирается в технике. Типичный разработчик новой технологии усиленно хвалит именно свою, и разобраться, кто прав: те, кто делают маглев, те, кто создал ховертрейн, или те, кто предлагает «не мудрить и не отрываться от земли», продолжая ездить на поездах с колесами, – бизнесмену в норме сложно.
При этом чем новее та или иная технология, тем менее уверенно он себя с ней чувствует. Изменить колесные поезда так, чтобы они ездили быстрее 200–300 километров в час, – это не выглядит для него чем-то сверхъестественным. Вложить деньги в принципиально другой вид транспорта, где вообще нет рельс, – совсем другая история.
Обратим внимание на современную карту высокоскоростных железных дорог. Да, они довольно прибыльны. Но где именно мы их видим? Почти все – в Китае и Франции. Немного – в Германии и Испании с Италией. В Великобритании – ноль, несмотря на плотное население. В США – ноль, даже в регионах типа Бостон–Нью-Йорк или Лос-Анджелес–Сан-Франциско, где плотность населения большая. В итоге поездка из одного крупного города Калифорнии в другой идет на средней скорости скорого пассажирского поезда эпохи пара и угля. Отчего даже колесные поезда редко ездят быстро?
Причина все та же: особенности внедрения. Там, где высокоскоростных железных дорог не было, железные дороги были либо частными, либо периодически частными. Частному игроку психологически очень тяжело начать резко менять технологию. Государственные железные дороги часто ставят своей целью не только прибыль, но и демонстрацию технологических способностей своей страны.
Японский синкансэн был построен местной госкомпанией к олимпиаде в Токио. Французская железнодорожная госкомпания не могла спокойно смотреть на то, что ее дороги хуже японских, прогремевших на весь мир. Китай, естественно, не мог не показать, что и он способен создавать настолько сложные системы транспорта и управлять ими. В Германии (государственный «Дойчебан») и Испании (государственные железные дороги) история была сходной. Государство требовало внедрения исходя из своих соображений – не коммерческих.
Синкансэн, проходящий через деловой район Токио, Япония. Фото: Peter Stewart flickr.com
Поэтому можно быть практически уверенным: страны без государственных железных дорог своих высокоскоростных поездов – на воздушной ли подушке, колесных или любых иных – не получат.
Есть ли будущее у антигиперлупа?
Вообще, концепция ховертрейна чем-то напоминает поставленный с ног на голову проект гиперлупа Илона Маска. Если у того капсулы небольшие – настолько, что в них только сидячие места, как в легковушке, и нельзя даже привстать, – то у ховертрейна над головой свободно, как в поезде, хотя всем и приходится сидеть из-за высокой динамики поездки.
Если гиперлуп использует дорогие пути – поддержание одной сотой атмосферного давления требует недешевой герметичности трубы для гиперлупа – то пути ховертрейна стоят сравнимо с автодорогой и намного дешевле железной для сравнимых скоростей.
Капсулы гиперлупа по необходимости должны ходить одиночно: иначе трудно обеспечить аэродинамику, нужную для 800 километров в час и выше. Ховертрейн что в пригородном (до 400 километров в час), что в городском (до 240 километров в час) вариантах вполне могут ходить сцепленными в длинный состав, что сильно поднимает пропускную способность.
А еще ховертрейн – это «антилуп». Если мы сравним его с внутригородскими тоннелями для машин, как у Маска, то получится, что и здесь налицо сплошное противопоставление. Луп использует дорогие подземные тоннели – ховертрейн использует дешевые, но надземные пути. Скорость машин в «лупе» ограничена колебаниями их подвески на неидеально ровном бетонном ходу – а у ховертрейна ограничения куда выше, пара сотен километров в час. В «лупе» пропускная способность одного тоннеля невысока, потому что машины ездят с безопасными дистанциями между собой – а в ховертрейне высока, потому что при желании его можно сцеплять хоть под 20 вагонов. Ведь это не метро: длина платформы не ограничена размерами станции, надземная платформа может быть любой нужной длины.
Итак, преимущества ховертрейна – или антигиперлупа – выглядят такими же неоспоримыми, как у теплоходов или тепловозов в начале XX века. Остается вопрос: увидим ли мы их внедрение?
Честно говоря, вряд ли. Почему тепловозы победили всего через 40 лет, а теплоходы – всего через полвека после своего появления? Потому что они были очень похожи на своих предшественников – паровозов и пароходов – внешне. Тут труба, и там труба. Тут рельсы, и там рельсы – тут море, и там море. Одна среда перемещения, все очень похожее на вид. Такое бизнесу принять проще, чем принципиально новую идею.
Довести до практики ховертрейн может либо предприниматель типа Илона Маска – то есть не боящийся вообще никаких рисков и при этом с очень глубокими карманами, – либо государство. Но беда в том, что бизнесменов типа Маска по сути кроме него и нет (отчего революция электромобилей и многоразовых ракет и выглядит так необычно). А государство о ховертрейнах ничего не знает – поэтому и дальше будет строить колесные железные дороги, как в XIX веке.
Технологии
Александр Березин
Цифровой рубль: правы ли конспирологи?
Птичку жалко: куда пропали воробьи?
