Tàu đệm từ Nhật Bản: Tàu nhanh nhất thế giới vẫn mắc kẹt trên đường thử

Kỷ lục tốc độ trên đường thử ngắn

Trên một đoạn đường quê yên tĩnh ở Yamanashi, một mũi kim bạc vun vút lao qua với tốc độ mà rất ít người từng cảm nhận trên đường ray. Tàu đệm từ siêu dẫn của Nhật Bản, hiện giữ kỷ lục tốc độ thế giới dành cho tàu có người lái ở mức 603 km/h (375 mph), dành phần lớn thời gian chạy qua lại trên đường thử dài 42,8 kilometer. Màn trình diễn thu hút người xem đến các đài quan sát và sườn đồi; một số ít khách được mời hoặc trúng xổ số có dịp lên tàu chạy thử. Hiện tại, đó là phạm vi hoạt động của đoàn tàu chở khách tiên tiến nhất hành tinh.

Tham vọng đằng sau những chuyến chạy thử ấy rất lớn. Con tàu là tâm điểm của tuyến Chuo Shinkansen, hành lang đường sắt tốc độ cao mới mà Công ty Đường sắt Trung Nhật Bản (JR Central) dự định xây dựng giữa ga Shinagawa ở Tokyo và Nagoya, sau đó kéo dài đến Osaka. Giai đoạn đầu sẽ rút thời gian đi từ Tokyo đến Nagoya xuống còn 40 phút với tốc độ hành trình gần 500 km/h, rồi tiếp tục đến Osaka, với thời gian dự kiến từ Tokyo đến Osaka chỉ hơn một giờ. Công nghệ và đoàn tàu đã hoàn thiện qua nhiều thập kỷ thử nghiệm. Tuy nhiên, việc xây tuyến đường bị chậm lại do sự kết hợp của các thủ tục phê duyệt môi trường, thách thức đào hầm, chính trị và chi phí.

Cách tàu bay và tăng tốc

SCMaglev của Nhật Bản là hệ thống đệm từ siêu dẫn. Khi tàu di chuyển, các nam châm siêu dẫn trên tàu tạo ra dòng điện trong những cuộn dây gắn vào đường dẫn. Các dòng điện này tạo ra từ trường vừa nâng vừa dẫn hướng đoàn tàu, theo phương pháp gọi là hệ thống treo điện động lực học. Khi tốc độ vượt khoảng 150 km/h, tàu không còn tiếp xúc vật lý với đường ray. Tàu lơ lửng cách đường dẫn khoảng 10 centimeter. Động lực đẩy đến từ động cơ đồng bộ tuyến tính, kéo tàu về phía trước bằng cách hút các nam châm của tàu về phía những từ trường chuyển mạch dọc đường ray.

Ở tốc độ thấp, tàu chạy trên các bánh lốp cao su có thể thu vào. Khi tốc độ tăng, bánh lốp nhấc khỏi mặt đường và tàu lướt trên từ trường như một lớp đệm. Cảm giác bên trong khác hẳn tàu cao tốc thông thường. Tiếng rung lắc do bánh xe tiếp xúc với đường ray ít hơn, thay vào đó là tiếng gió khí động học ào qua và âm thanh đều đặn hơn. Các kỹ sư đã dành nhiều năm tinh chỉnh trải nghiệm này, giảm rung, hạ tiếng ồn trong khoang và tinh chỉnh khí động học ở tốc độ cực cao.

Vì sao tuyến đến Nagoya liên tục lùi thời hạn

Mục tiêu ban đầu là khai trương đoạn Tokyo–Nagoya vào năm 2027 đã bị lùi lại. JR Central hiện dự kiến giai đoạn đầu sẽ bắt đầu khai thác sớm nhất vào khoảng năm 2035, chậm tám năm. Ngân sách đã tăng lên khoảng 11 nghìn tỷ yen khi quy mô và độ phức tạp của việc đào hầm xuyên miền trung Nhật Bản dần lộ rõ. Trở ngại trước mắt nằm ở tỉnh Shizuoka, nơi công ty đường sắt cần đào khoảng 8,9 kilometer đường hầm bên dưới dãy núi Alps phía Nam. Lãnh đạo địa phương phản đối vì công trình sẽ chuyển hướng dòng nước nuôi sông Oi. Con sông là nguồn tài nguyên quan trọng đối với các cộng đồng và hoạt động nông nghiệp ở hạ lưu, nên sự phản đối vẫn cứng rắn và đoạn hầm này chưa được khởi công.

Phần lớn tuyến đường nằm dưới lòng đất. Khoảng bốn phần năm tuyến Tokyo–Nagoya chạy trong hầm, gồm cả những đoạn sâu bên dưới các khu đô thị đông đúc và các đường hầm dài xuyên núi. Quy mô đào hầm như vậy đòi hỏi hệ thống thông gió, xử lý đất đá đào lên và kiểm soát nước ngầm rất lớn. Những hạng mục này vốn tốn kém ở bất kỳ nơi nào, và trong dự án này, chúng đặc biệt đắt đỏ. Các quan chức trung ương đang tìm cách làm trung gian, trong khi JR Central tiếp tục thi công những đoạn có thể triển khai và duy trì chương trình thử nghiệm tại Yamanashi để chuẩn bị cho ngày khai thác.

Các kỹ sư của công ty cho biết bản thân đoàn tàu đã sẵn sàng đưa vào khai thác thương mại. Trọng tâm hiện chuyển sang độ tin cậy của hệ thống trên quãng đường dài, khí động học trong đường hầm ở tốc độ rất cao và chiến lược bảo trì thiết bị siêu dẫn. Tuyến Yamanashi vẫn là nơi thử nghiệm những hạng mục này cho đến khi bế tắc về thủ tục cấp phép được tháo gỡ.

Tuyến thử nghiệm Yamanashi cho thấy điều gì

Tuyến thử nghiệm tàu đệm từ Yamanashi đi vào hoạt động năm 1997. Kể từ đó, đoàn tàu đã chạy thử hàng triệu kilometer và lập nhiều cột mốc tốc độ, đỉnh điểm là kỷ lục 603 km/h. Vào một ngày thử nghiệm thông thường, chương trình ghi nhận khoảng 2.000 kilometer chạy thử. Địa điểm này cho phép các kỹ sư quan sát mọi thứ, từ cách hai đoàn tàu vượt qua nhau với tốc độ tương đối kết hợp hơn 1.000 km/h đến cách phương tiện vận hành trong những đường hầm dài và khi gặp gió ngang.

Vào những ngày mở cửa cho công chúng đi thử, quy trình diễn ra như ở một sân bay nhỏ. Khách làm thủ tục, qua kiểm tra an ninh rồi lên tàu theo luồng được kiểm soát. Khi tàu rời ga, quá trình tăng tốc diễn ra nhanh chóng. Tàu đạt 320 km/h trong khoảng một phút, rồi chạm 500 km/h trong vòng ba phút, duy trì tốc độ hành trình trên một đoạn ngắn và đi hết 42,8 kilometer trong khoảng tám phút. Hành khách thường nói họ có cảm giác tốc độ rất khác thường; một số người nhận xét chuyến đi có vẻ xóc hơn tàu shinkansen thông thường. Đó chính là mục đích của các chuyến thử nghiệm. Công ty liên tục điều chỉnh hệ thống treo, thiết kế ghế ngồi và khí động học để khoang tàu yên tĩnh, êm ái hơn ở tốc độ đẩy vật lý đường sắt đến giới hạn.

Những người không mua được vé vẫn có thể tìm hiểu khoa học và lịch sử tại Trung tâm Triển lãm Tàu đệm từ tỉnh Yamanashi, nằm cạnh đường thử. Bảo tàng có các khu trưng bày tương tác về hiện tượng siêu dẫn, giới thiệu những đoàn tàu đệm từ đã ngừng hoạt động và có các điểm quan sát trên cao để xem tàu lao qua ở tốc độ tối đa. Thông tin về cách đến và giờ mở cửa có trên trang web chính thức tại Trung tâm Triển lãm Tàu đệm từ.

Nâng cấp L0 và cải thiện sự thoải mái

Từ những nguyên mẫu đầu tiên như MLX01, chương trình chuyển sang dòng L0, rồi đến phiên bản L0 cải tiến, thể hiện những bài học đúc kết qua nhiều năm thử nghiệm. Các mẫu thử mới nhất có lớp vỏ ngoài không sơn, phủ một lớp màng giống da cá mập giúp giảm lực cản bằng cách định hình luồng không khí ở cấp độ vi mô. Các nhà phát triển cho biết những điều chỉnh khí động học giúp giảm lực cản không khí so với các phiên bản trước, qua đó tiết kiệm năng lượng và giảm tiếng ồn trong khoang. Bên trong, ghế hiện có tựa lưng cố định để đơn giản hóa cơ cấu và giảm trọng lượng; vật liệu trong khoang cũng được thay đổi nhằm hạn chế truyền rung ở tốc độ tối đa.

Kế hoạch thử nghiệm ngày càng khắt khe khi các kỹ sư tìm cách xử lý những tình huống đặc biệt. Nhóm đã cho các đoàn tàu chạy vượt qua nhau ở tốc độ tương đối 1.026 km/h để nghiên cứu xung áp suất và sóng xung kích. Họ cũng bổ sung cảm biến phát hiện những thay đổi rất nhỏ về độ rung, có thể báo hiệu thiết bị bị mỏi trước khi xảy ra sự cố. Công việc cũng đang được tiến hành để kéo dài tuổi thọ nam châm siêu dẫn và đơn giản hóa công tác bảo trì, giúp hệ thống vận hành đáng tin cậy trong nhiều thập kỷ. Những thay đổi này ít dễ nhận thấy hơn một phần đầu tàu mới, nhưng rất quan trọng khi mạng lưới chuyển từ đường thử sang khai thác hằng ngày.

Chi phí, điện năng và môi trường

Tốc độ đòi hỏi tiền bạc và năng lượng. Chuo Shinkansen là một trong những dự án hạ tầng lớn nhất từ trước đến nay của Nhật Bản, và thiết kế với nhiều đường hầm là một trong những lý do chính. Mức tiêu thụ năng lượng cũng thường xuyên gây tranh luận. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu hệ thống này cho rằng tàu đệm từ tiêu thụ điện nhiều hơn đáng kể so với tàu Tokaido Shinkansen hiện nay ở tốc độ vận hành thông thường; một số ước tính cho rằng mức tiêu thụ cao gấp bốn đến năm lần. Một phần là do quy luật vật lý: lực cản khí động học tăng theo bình phương tốc độ và trở thành lực chi phối khi tốc độ vượt 300 km/h. Một phần khác là lượng điện cần thiết để kích hoạt các cuộn dây trên những đoạn đường dẫn dài và vận hành hệ thống thông gió trong đường hầm xuyên núi.

Những người ủng hộ phản biện rằng việc chuyển hành khách khỏi các chuyến bay chặng ngắn có thể giảm khí thải, nhất là khi lưới điện Nhật Bản ngày càng sạch hơn. Hành lang tàu đệm từ cũng bổ sung năng lực dự phòng cho miền trung đảo Honshu. Khả năng dự phòng này không chỉ để thuận tiện. Các nhà quy hoạch muốn có tuyến tốc độ cao thứ hai chạy sâu trong đất liền, có thể tiếp tục hoạt động sau động đất lớn hoặc bão ven biển. Các vấn đề môi trường vẫn chưa được giải quyết, đặc biệt ở Shizuoka, nơi dòng chảy sông đang bị đặt vào tình thế rủi ro. Các kỹ sư tiếp tục thử nghiệm âm học khí động học, trường điện từ và độ rung tại cơ sở Yamanashi nhằm định lượng tác động của hệ thống và giảm thiểu khi có thể.

Đối thủ tăng tốc với đường ray thép và nam châm

Thế hệ tàu tiếp theo của Nhật Bản không phải là ứng viên duy nhất trong cuộc đua. Trung Quốc đang đẩy nhanh phát triển tàu cao tốc thông thường chạy trên đường ray thép và phát triển công nghệ đệm từ của riêng mình. Các thử nghiệm gần đây của chương trình CR450 ghi nhận một đoàn tàu chở khách chạy trên bánh sắt gần đạt 280 mph (khoảng 450 km/h). Mục tiêu là rút ngắn thời gian đi lại trên các tuyến hiện có và củng cố ngành công nghiệp nội địa về toa xe cùng hệ thống điều khiển.

Trong các cuộc thử nghiệm đó, Zhao Hongwei thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Đường sắt Trung Quốc mô tả quá trình đã diễn ra trong thời gian dài như thế nào. Bà cho biết kế hoạch khởi động từ nhiều năm trước và được thúc đẩy sau khi các thông số kỹ thuật cốt lõi được xác nhận.

Chúng tôi bắt đầu lên kế hoạch cho CR450 từ năm 2018. Mất ba năm để chốt các thông số kỹ thuật hàng đầu, và dự án chính thức khởi động vào năm 2021.

Các học giả nghiên cứu kinh tế và chính sách giao thông nhận thấy công nghệ đệm từ vừa có triển vọng vừa tiềm ẩn rủi ro. Zhenhua Chen, giáo sư tại Đại học Bang Ohio chuyên nghiên cứu đường sắt cao tốc trên toàn thế giới, chỉ ra khác biệt cốt lõi giữa tàu đệm từ của Nhật Bản và tàu cao tốc thông thường.

Tàu của Nhật Bản dựa trên hệ thống đệm từ siêu dẫn.

Theo ông, lợi ích phụ thuộc vào khả năng kiểm soát chi phí và sự thay đổi trong thói quen đi lại mà một lựa chọn đường sắt siêu nhanh, đáng tin cậy có thể tạo ra.

Đây sẽ là một bước chuyển lớn, đơn giản vì nó nhanh hơn nhiều, đáng tin cậy hơn nhiều và xanh hơn nhiều.

Những người hoài nghi cảnh báo rằng chi phí có thể lấn át lợi ích nếu lượng khách hoặc nguồn tài trợ không đạt kỳ vọng. Rick Harnish, đồng sáng lập Liên minh Đường sắt Cao tốc, cho rằng hệ thống bánh sắt chạy trên đường ray thép có thể là lựa chọn thực tế hơn cho nhiều hành lang.

Tàu đệm từ là chủ đề được nhắc đến rất nhiều. Nhưng thực tế, khi xét đến cùng, tàu thông thường chạy bằng bánh thép trên đường ray thép là lựa chọn tốt nhất.

Cuộc cạnh tranh không chỉ diễn ra ở Đông Á. Mỹ đã nghiên cứu tuyến tàu đệm từ nối Washington và Baltimore, với ngân sách liên bang được phân bổ cho công tác quy hoạch. Các tổ chức Nhật Bản, trong đó có Ngân hàng Hợp tác Quốc tế Nhật Bản, đã bày tỏ quan tâm đến việc cấp vốn. JR Central đã quảng bá công nghệ của mình ở nước ngoài trong nhiều năm, lấy đường thử Yamanashi làm nơi giới thiệu khả năng của hệ thống.

Hành khách có thể được hưởng lợi gì

Nếu giai đoạn đầu đi vào hoạt động, hành khách sẽ tiết kiệm đáng kể thời gian và có được mức độ tin cậy mới. Chuyến đi Tokyo–Nagoya trong 40 phút sẽ thay đổi cách đi lại liên tỉnh ở miền trung Nhật Bản; thời gian Tokyo–Osaka gần một giờ cũng sẽ làm thay đổi các chuyến đi trong ngày và lịch trình công việc. Tàu đệm từ còn giúp giảm áp lực cho tuyến Tokaido Shinkansen, hành lang hiện phục vụ hơn một triệu hành khách mỗi ngày. Tuyến tốc độ cao thứ hai chạy sâu trong đất liền sẽ tăng khả năng chống chịu trước bão ven biển, sóng thần và động đất.

Giá trị văn hóa cũng đáng kể. Tàu viên đạn đã là một phần bản sắc Nhật Bản từ năm 1964. Việc chuyển từ bánh thép sang công nghệ đệm từ là một bước nhảy đặt niềm tin vào công nghệ mới, hình thành qua nhiều thập kỷ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực địa. Trên những sườn đồi ở Yamanashi, bước tiến ấy hiện rõ mỗi khi tàu L0 vun vút qua với gia tốc nửa kilometer mỗi giờ mỗi giây, rồi biến mất trong những đường hầm xuyên núi. Đường thử cho thấy hệ thống là có thật và có thể vận hành ổn định qua nhiều lần thử. Thách thức lúc này là biến một đoàn tàu chưa đi đến đâu thành tuyến đường mà hành khách có thể sử dụng mỗi ngày.

Những điểm chính

• Tàu đệm từ siêu dẫn của Nhật Bản giữ kỷ lục tốc độ đường sắt dành cho tàu có người lái ở mức 603 km/h và hiện chỉ chạy trên đường thử Yamanashi dài 42,8 kilometer.
• Tuyến Chuo Shinkansen dự kiến nối Tokyo với Nagoya trong 40 phút ở tốc độ hành trình gần 500 km/h, sau đó sẽ được kéo dài đến Osaka.
• JR Central đã lùi thời điểm khai trương đến sớm nhất khoảng năm 2035, viện dẫn sự phản đối đối với các đường hầm ở Shizuoka và mức độ phức tạp chung của công trình.
• Chi phí dự án đã tăng lên khoảng 11 nghìn tỷ yen, chủ yếu do các đường hầm dài xuyên núi và công trình ngầm sâu trong đô thị.
• Tàu lơ lửng nhờ hệ thống treo điện động lực học, nâng lên khoảng 10 centimeter trên đường dẫn khi tốc độ vượt khoảng 150 km/h.
• Các mẫu tàu thử nghiệm gần đây có cải tiến khí động học, khoang tàu yên tĩnh hơn và hệ thống giám sát tốt hơn để phát hiện sớm tình trạng thiết bị bị mỏi.
• Những người chỉ trích lưu ý mức tiêu thụ năng lượng cao so với shinkansen thông thường, trong khi những người ủng hộ cho rằng chuyển hành khách đi máy bay sang đường sắt có thể giảm khí thải.
• Trung Quốc đang thúc đẩy phát triển cả tàu bánh sắt chạy trên đường ray và nghiên cứu tàu đệm từ, cho thấy cạnh tranh khu vực rất quyết liệt.
• Các chuyến đi thử công khai và Trung tâm Triển lãm Tàu đệm từ Yamanashi duy trì sự quan tâm trong lúc dự án chờ được cấp phép thi công đầy đủ.
• Giới chức và kỹ sư cho biết đoàn tàu đã sẵn sàng; thách thức còn lại là giải quyết các thủ tục cấp phép và hoàn thành những đoạn hầm khó khăn nhất.