Konvansiyonel yüksek hızlı demiryolları,maglev ve hyperloop ulaşım sistemlerinin karşılaştırılması
Comparison of conventional high speed railways,maglev and hyperloop transportation systems
Yazar: MEHMET NEDİM YAVUZ
Danışman: PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Ulaşım = Transportation

Özet:
Ulaşım hızının arttırılması, insanoğlunun yıllardan beri üzerinde çalışmalar yürüttüğü bir konu olmuştur. Mevcut ulaşım modlarının yarattığı trafik sıkışıklığı, seyahat sürelerinin artması, hava kirliliği ve gürültü gibi çevresel etkilerin artması, ülkelerin ulaştırma politikalarında değişikliğe neden olmuştur. Mevcut koridorların trafik yükünün kaldıramaz duruma gelmesi, daha kısa zamanda daha fazla yolcu taşıma talebi, demiryolu sektöründe meydana gelen teknolojik gelişmeler, yüksek hızlı kara ulaşım sistemlerinin gelişimini doğurmuştur.
Yüksek hızlı kara ulaşım sistemlerini dayandığı teknoloji türüne göre üç kategoriye ayırmak mümkündür; Konvansiyonel yüksek hızlı demiryolları, MAGLEV ve Hyperloop sistemleri.
Konvansiyonel yüksek hızlı demiryollarının tek bir tanımı bulunmamakla birlikte, altyapı bakımından yüksek hızlı demiryolunun tanımı, eğer hat yeni inşa edilmiş ise 250 km/saat veya mevcut hat durumunda ise 200 km/saat üzerindeki hızlarda işletilmeye imkan tanıması yüksek hızlı demiryolu hattı olarak adlandırma koşuludur. Çeken ve çekilen araçlar bakımından yüksek hızlı tren, ticari hizmetlerde kullanılması en az 250 km/sa ve üzerindeki hızlara ulaşabilen vagon setlerinden oluşması yüksek hızlı tren olarak adlandırma koşuludur. Konvansiyonel yüksek hızlı demiryollarının tarihi, Japonya'da Tokaido Shinkansen olarak adlandırılan Tokyo ile Osaka arasındaki yolcu trafiği kapasitesini artırmak amacıyla 1964 yılında açılan hattın hizmete girmesine uzanmaktadır. Japonya'nın ardından Fransa 1981 yılında Avrupa'da sadece yolcu trenlerine hizmet eden ilk konvansiyonel yüksek hızlı demiryolu hattını açmıştır. Fransa'da açılan bu hat, Japonya'nın aksine mevcut demiryolu ağıyla uyumlu olacak hat açıklığında tasarlanmıştır. Fransa'dan sonra Almanya 1991 yılında Hannover ile Würzburg arasında ICE trenleriyle hizmet vermeye başlamıştır. Almanya'nın amacı hem kendi sınırlarında hem de komşu ülkelere yolcu ve yük taşımacılığına izin veren yeni bir sistem tasarlamak ve böylece yatırımın ekonomik karlılığını sağlamaktı. 1992 yılında ise İspanya, Madrid ve Sevilla arasını AVE trenleriyle birbirlerine bağlayarak konvansiyonel yüksek hızlı demiryolu hattına sahip ülkeler arasına katılmıştır. İspanya'da yüksek hızlı demiryolu hatlarını, Japonya gibi kendi mevcut demiryolu ağıyla uyumlu olmayan, standart hat açıklığında (1435 mm) inşa etmiştir. Asya kıtasında ise Çin yüksek hızlı demiryolu konusunda öncü ülkelerden biridir. Günümüzde en uzun yüksek hızlı demiryolu ağına sahip ülke konumundadır. Ülkemizde 2009 yılında açılan Ankara-Eskişehir hattıyla yüksek hızlı demiryolu sistemiyle tanışmıştır. 2017 Eylül ayı itibariyle ülkemizde 1,213 km'lik konvansiyonel yüksek hızlı demiryolu ağı bulunmaktadır. Konvansiyonel yüksek hızlı demiryolu ağını genişletmek amacıyla inşası devam eden ve yapımı planlanan hatlar bulunmaktadır. UIC verilerine göre 2019 yılı itibariyle dünya genelinde 18 ülkede 250 km/sa hızın üzerinde toplam 46,483 km'lik konvansiyonel yüksek hızlı demiryolu ağı bulunmaktadır. Bunlardan 31,043 kilometreyle yaklaşık %67'si Çin'de, yaklaşık %7'si olan 3,041 kilometre Japonya'da, İspanya'da 2,852 km ve Fransa'da 2,814 km'lik konvansiyonel yüksek hızlı demiryolu ağı bulunmaktadır.
MAGLEV teknolojisi "magnetic levitation" kelimesinin kısaltılmasından oluşup fiziksel bir temas olmadan kılavuz bir yol boyunca manyetik kuvvetler yardımıyla kaldırılan ve itilen araçtan oluşan ulaşım sistemi olarak tanımlanmaktadır. MAGLEV ulaşım türünün tarihi, 1934 yılında Herman Kemper tarafından trenlerin manyetik kaldırma hareketi için alınan patente dayanmaktadır. MAGLEV trenlerinin ana çalışma prensibi; eş kutuplu mıknatısların birbirini itmesi, zıt kutuplu mıknatısların ise birbirini çekmesi ilkesidir. MAGLEV treninin çalışma prensibi üç temel ilkeye dayanmaktadır. Bunlar; manyetik levitasyon, yanal kılavuzluk ve itme ilkesidir. MAGLEV ulaşım türünde bu üç ilke manyetik kuvvet yardımıyla gerçekleşmektedir. MAGLEV ulaşım türü kullanılan teknolojinin türüne göre ikiye ayrılmaktadır. Bunlar;
- Elektromanyetik çekme sistemi (EMS)
- Elektrodinamik itme sistemi (EDS)
EMS sisteminde, trenin havada askıda kalması, kılavuz yol ve elektromıknatıslar arasındaki manyetik çekme kuvveti sonucunda gerçekleşmektedir. Elektromanyetik çekme sisteminde, araç üzerindeki elektronik olarak kontrol edilen elektromıknatıslar genellikle manyetik olarak iletken çelik raylar birbirlerini çekerek aracın askıda kalması sağlanır. MAGLEV treni ve raylar arasındaki boşluk 10 milimetre civarındadır. Kılavuz yol ve tren arasındaki mesafeleri kontrol etmek için hassas kontrol sistemleri gerekmektedir. EMS uygulamasında tren, T şeklindeki kılavuz yolu saracak şekilde ilerlerken, Maglev treni ise C şeklinde kılavuz yolu saracak şekilde tasarlanmaktadır. EMS sistemine öncülük ülke Almanya'dır. Shanghai, Çin'de açılan MAGLEV hattı EMS teknolojisine sahiptir. Düşük hızlarda herhangi bir kaldırma sistemine gerek duymaması, EMS sisteminin en büyük avantajıdır. MAGLEV trenin havada askıda kalması her hızda ve hareketsiz durumda mümkün olabilmektedir. Ancak bu sistemin dezavantajları ise; stabilite eksikliği ve küçük hava boşluğundan dolayı hassas kontrol sistemleri gerektirmesidir. EMS sisteminde geleneksel elektromıknatıslar kullanılmaktadır, bu nedenle üretimi daha kolay olmakta ve daha az enerjiye ihtiyaç duymaktadır.
EDS sisteminde, treni havada ilerletebilmek için manyetik itme kuvveti kullanılmaktadır. EDS sisteminde tren üzerinde bulunan elektromıknatıslar ile, kılavuz hatta döşenen bobinler arasında manyetik alan oluşturularak, trenin hareketi sağlanmaktadır. Bu bobinler ve mıknatıslar arasındaki itici kuvvet, aracı havaya kaldırır. EDS sistemi, EMS sistemine göre manyetik olarak daha stabil bir sistem olup, yaklaşık 10 cm olan hava boşluğunu kontrol etmek gerekmemektedir. Bu yüzden EDS sistemi, daha yüksek hızlara imkan veren bir teknolojidir. Ancak EDS sisteminde, aracı havada tutmak için gereken manyetik itme kuvvetini sağlamak için trenin belli bir hıza (100 km/sa) ulaşması gerekmektedir. EDS sisteminde, tren U şeklindeki kılavuz yol boyunca ilerlemektedir. EDS sisteminde süper iletken mıknatıslar kullanılmaktadır. Kullanılan süper iletken mıknatıslar, oldukça karmaşık ve pahalı soğuma sistemleri gerekmektedir. Mıknatısların süper iletkenlik özelliği sadece düşük sıcaklıklarda elde edilebilmesinden dolayı, sıvı helyum ve nitrojen tanklarına ihtiyaç duyulmaktadır. EDS sistemi, EMS sistemine daha maliyetli olup, daha yüksek hız imkanı sunmaktadır. Çin, Japonya ve Güney Kore'de işletilen MAGLEV hatları bulunmaktadır. Hyperloop ulaşım sistemi 2013 yılında SpaceX ve Tesla şirketlerinin CEO'su Elon Musk tarafından otomobil, uçak, tren ve gemiden sonra beşinci ulaşım modu olarak tanıtılmıştır. Hyperloop teknolojisi, düşük basınçlı tüplerin içerisinde kapsüllerin güneş enerjisiyle beslenen lineer asenkron motorlar yardımıyla havada hareket ettirilmesine dayanmaktadır. Hava direncini ve sürtünmeyi minimuma indirgeyerek ses ötesi hızlara (1220 km/sa) ulaşılması hedeflenmektedir. Hyperloop ulaşım sistemi karayolu, havayolu ve demiryollarına karşı daha ucuz, daha hızlı, daha çevre dostu, daha konforlu yolculuk imkanı sunmayı amaçlamaktadır. Hyperloop ulaşım sistemi temelde Hyperloop aracı (kapsül), tüp ve itme sistemi olmak üzere üç bileşenden oluşmaktadır. Kapsül, Hyperloop teknolojisinin yolcu veya yük taşımasından sorumlu olan temel bileşenidir. Sadece yolcu ve yolcu+araç olmak üzere iki tür tasarım yapılması planlanmaktadır. Hyperloop kapsülünün önüne kompresör yerleştirilerek, yüksek hızlarda hareket ederken düşük sürtünmeli süspansiyon sistemi de elde edilmiş olmaktadır. Düşük hava basınçlı silindir tüpler ise güzergah boyunca kolon destekli yükseltilmiş olarak inşa edilmektedir. Tüp, kapsülün etrafındaki optimum hava akışını sağlayacak, hedeflenen yüksek hızlarda performansı ve enerji tüketimini optimum hale getirecek şekilde tasarlanmaktadır. Hyperloop ulaşım türünde, itme sistemi lineer asenkron motorlar ve sürekli mıknatıslardan oluşmaktadır. Kapsülü hızlandırmak için tüp uzunluğu boyunca lineer hızlandırıcılar inşa edilmektedir. Sabit motor elemanı (stator), kapsülü hızlandırmak için tüpün uzunluğu boyunca çeşitli konumlarda inşa edilirken, hareketli motor elemanı (rotor) momentumu lineer hızlandırıcılar vasıtasıyla kapsüle aktarmak için kapsüllerin üzerine yerleştirilmektedir. Hyperloop ulaşım türü üzerinde araştırma ve geliştirme çalışmalarının yürütüldüğü iki tane test hattı bulunmaktadır. Bunlardan biri SpaceX şirketine ait olup 1,2 km uzunluğunda iken, diğeri 500 metre uzunluğunda olup Virgin Hyperloop One şirketine aittir. Dünya genelinde yapımı devam eden test hatları bulunmaktadır.
Bu tez çalışmasında önce incelenen ulaşım türleri olan konvansiyonel yüksek hızlı demiryolları, MAGLEV, ve Hyperloop'un her biri hakkında çalışma prensipleri, gelişim süreçleri ve dünya genelinde inşa edilen ve planlanmakta olan hatlar hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra hız, kapasite, geometrik standartlar, enerji tüketimi, maliyet ve çevresel etkiler gibi faktörler bakımından incelenen ulaşım türleri arasında karşılaştırma yapılmıştır. Son bölümde ise yapılan karşılaştırma bilgileri ışığında elde edilen sonuçlar belirtilmiştir.

Abstract:
Increasing the speed of transportation has been a subject where human beings have been working on for years. Increased environmental impacts such as traffic jams, increased travel times, air pollution and noise caused by existing modes of transport have led to changes in the transport policies of countries. The fact that the existing corridors can not handle the traffic density, the demand for more passenger transport in a shorter time, the technological developments in the railway sector, has led to the development of high-speed ground transportation systems.
High-speed ground transportation systems can be divided into three categories based on the type of technology; Conventional high speed railways, MAGLEV, Hyperloop.
Although there is not a single definition of conventional high-speed railways, the definition of high-speed rail in terms of infrastructure is as a high-speed rail line, which allows to operate at speeds of over 250 km/hr for newly constructed lines or over 200 km/hr on existing lines. In terms of rolling stock, the high-speed train is defined as a series of wagon sets that can reach at speeds of at least 250 km/hr or more in commercial services. The history of the conventional high-speed railways dates back to the opening of the line in 1964, in order to increase the passenger traffic capacity between Tokyo and Osaka, which are called Tokaido Shinkansen in Japan. After Japan, France opened the first conventional high-speed rail line in Europe to serve only passenger trains in 1981. This line, which was opened in France, was designed to be compatible with the existing railway network, unlike Japan. After France, Germany started to provide ICE trains between Hanover and Würzburg in 1991. Germany's aim was to design a new system that allowed passenger and freight transport both to its borders and to neighboring countries, thus ensuring the economic profitability of the investment. In 1992, Spain joined together with AVE trains between Madrid and Seville and became one of the countries with conventional high-speed rail lines. In Spain, high-speed rail lines, is not compatible with its existing rail network like Japan built in the standard gauge (1435 mm). In Asia, China is one of the pioneers in high-speed rail. Today, it is the country with the longest high-speed rail network. Our country introduced with the high-speed rail system with the opening of Ankara-Eskişehir line in 2009. As of September 2017, our country has 1,213 km of conventional high speed rail network. In order to expand the conventional high-speed rail network, there are ongoing construction and planned lines. According to the UIC data, as of 2019, there are a total of 46,483 km of conventional high-speed rail network in 18 countries with a speed of over 250 km/hr. With 31,043 km, approximately 67% of these lines are located in China, with about 7% of which 3,741 kilometers are in Japan, 2,852 km in Spain and 2,814 km in France. MAGLEV technology is defined as shortening of the word "magnetic levitation" which is a transportation system consisting of a vehicle which is lifted and pushed by means of magnetic forces along a guideway without physical contact. The history of the MAGLEV transport type was based on the patents taken for the magnetic lifting movement of trains by Herman Kemper in 1934. Main working principle of MAGLEV trains; it is the principle that the polarized magnets push each other and the opposite poles magnets attract each other. The working principle of the MAGLEV train is based on three basic principles. These are magnetic levitation, lateral guiding and propulsion principle. In MAGLEV transportation, these three principles are conducted with the help of magnetic force. MAGLEV transportation is divided into two types according to the type of technology used. These are;
- Electromagnetic suspension system (EMS)
- Electrodynamic suspension system (EDS)
In the EMS system, the train lifts in the air as a result of the magnetic attractive force between the guideway and the electromagnets. In the electromagnetic suspension system, electromagnetically controlled electromagnets on the vehicle, usually magnetically conductive steel rails pull each other to keep the vehicle hanging. The air gap between the MAGLEV train and the guideway is around 10 millimeters. The distance between guideway and train requires precise control systems to control. In the EMS system, the train is designed to surround the T-shaped guideway while the Maglev train is designed to cover the C-shaped guideway. The country leading the EMS system is Germany. The MAGLEV line opened in Shanghai, China has EMS technology. The lack of any lifting system at low speeds is the biggest advantage of the EMS system. The MAGLEV train can be suspended in the air at any speed and even motionless case. However, the disadvantages of this system are; lack of stability and requiring precise control systems due to small air gap. In the EMS system, conventional electromagnets are used, so it is easier to manufacture and requires less energy.
In the EDS system, magnetic repulsive force is used to push forward the train in the air. In the EDS system, the movement of the train is ensured by creating a magnetic field between the electromagnets on the train and the coils on the guideway. The propulsive force between these coils and magnets raises the vehicle to the air. The EDS system is a magnetically more stable system than the EMS system and it is not necessary to check the air gap of approximately 10 cm. Therefore, the EDS system is a technology that allows higher speeds. However, in the EDS system, the train must reach a certain speed (100 km/hr) to provide the magnetic pushing force required to keep the vehicle in the air. In the EDS system, the train moves along U-shaped guideway. Superconducting magnets are used in EDS system. The superconducting magnets require highly complex and expensive cooling systems. Because the superconductivity of the magnets can only be achieved at low temperatures, liquid helium and nitrogen tanks are needed. The EDS system is more expensive than the EMS system and offers higher speed. There are MAGLEV lines operated in China, Japan and South Korea.
The Hyperloop transportation system was introduced in 2013 by CEO of SpaceX and Tesla company, Elon Musk as the fifth mode of transport after car, airplane, train and ship. Hyperloop technology is based on the movement of capsules in low pressure tubes by means of linear asynchronous motors fed by solar energy. It is aimed to reach the supersonic speed (1220 km/hr) by minimizing air resistance and friction. The Hyperloop transportation system aims to provide cheaper, faster, more environmentally friendly and more comfortable travel opportunities against highway, airline and railways. The Hyperloop transport system consists of three components: the Hyperloop vehicle (capsule), the tube and the propulsion system. The capsule is the main component of Hyperloop technology that is responsible for passenger or freight transport. It is planned to design two types of only passenger and passenger + vehicle versions. The compressor is placed in front of Hyperloop capsule, thus low friction suspension system is also obtained. The cylinder tubes having low air pressure are constructed with column supported along the route. The tube is designed to optimize the performance and energy consumption at the targeted high speeds, ensuring optimum air flow around the capsule. In the Hyperloop transport system, the propulsion system consists of linear asynchronous motors and permanent magnets. Linear accelerators are located along the length of the tube to accelerate the capsule. The stationary motor element (stator) is constructed at various positions along the length of the tube to accelerate the capsule, while the movable motor element (rotor) is placed on the capsules to transfer the momentum to the capsule via linear accelerators. There are two test lines for research and development on the Hyperloop transport type. One of them belongs to SpaceX company and is 1.2 km long while the other is 500 meters long and belongs to Virgin Hyperloop One company. There are ongoing testing lines around the world.
In this thesis, firstly, the examined transport systems conventional high speed railways MAGLEV and Hyperloop are introduced and given information about the working principles, the history of development, constructed and planned lines around the world. After that, a comparison was made between examined transportation systems in terms of speed, capacity, energy consumption, cost and environmental impacts. In the last section, the results obtained in the light of comparison information which are indicated.