En muchas películas de ciencia ficción vemos los típicos vehículos del futuro que viajan por las calles de las ciudades levitando o volando, como en esta imagen de El quinto elemento, o también en otras como Star Wars, y un largo etc.. Y surgen dudas, como ¿el futuro de la automoción será así? ¿qué ventajas tendrían los vehículos de levitación y qué desventajas o límites? ¿realmente es posible lo que vemos en las películas?
Pues bien, vamos a analizar un poco más al respecto sobre este tipo de vehículos de levitación y la tecnología actual que los puede hacer posibles.
Superconductores y levitación (efecto Meissner)
La superconductividad, un fenómeno cuántico que ocurre en ciertos materiales a temperaturas extremadamente bajas, cuando la materia, sus partículas, dejan de vibrar, se detienen. Gracias a esto, los materiales tienen propiedades muy importantes que no tienen otros conductores.
Por ejemplo, por debajo de una cierta temperatura crítica, pierde toda resistencia eléctrica. Esto significa que una corriente eléctrica puede fluir a través de un superconductor sin pérdida, sin disipación de energía en forma de calor. Este fenómeno fue descubierto por Heike Kamerlingh Onnes en 1911 mientras estudiaba las propiedades del mercurio a bajas temperaturas.
Otro efecto importante, y este es el que nos interesa para los vehículos, es el efecto Meissner, descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933, es una característica fundamental de los superconductores. Este efecto establece que cuando un material se enfría por debajo de su temperatura crítica y se introduce en un campo magnético, el campo magnético es expulsado del interior del material, es decir, el superconductor se comporta como un diamagneto perfecto (repele los campos magnéticos).
La expulsión del campo magnético se debe a la formación de corrientes eléctricas inducidas en la superficie del superconductor. Estas corrientes generan un campo magnético que se opone al campo magnético aplicado, anulándolo en el interior del material. Esta expulsión del campo magnético es lo que permite la levitación magnética. Y esto tiene una aplicación en los vehículos de levitación, como veremos más adelante…
Ventajas
La combinación de la superconductividad y la levitación magnética ofrece un potencial revolucionario en el transporte, superando muchas de las limitaciones de los sistemas de transporte tradicionales. Gracias a estos fenómenos, el vehículo puede levitar sobre el pavimento, si se consigue que éste último y el suelo del coche sean un par imán y superconductor. Gracias a esto, se consiguen algunas ventajas frente a los vehículos actuales:
- Cero rozamiento: al levitar sobre un campo magnético, el vehículo se eleva sobre la vía, eliminando completamente el rozamiento con la superficie. Esto reduce drásticamente la energía necesaria para mover el vehículo y aumenta su eficiencia (menor impacto ambiental). Además, no genera desgaste en las ruedas o en el propio pavimento, prolongando significativamente su vida útil. Es más, también se reduce el ruido producido por la banda de rodadura y se elimina la necesidad de suspensiones o de la propia dirección como la conocemos actualmente.
- Velocidad: al eliminar el rozamiento, se reduce significativamente la resistencia al movimiento, solo quedará la resistencia aerodinámica, permitiendo alcanzar velocidades mucho más altas que los vehículos convencionales. La capacidad de controlar con precisión la fuerza magnética permite acelerar y frenar el vehículo de manera más suave y eficiente.
- Vías más seguras: controlando este magnetismo se pueden crear carriles en los que los vehículos viajen a altas velocidades, sin límites de velocidad, y que incluso pasen más cerca unos de otros, sin comprometer la seguridad, ya que no se saldrían de la vía magnetizada. Incluso se podría terminar con las superficies asfaltadas como actualmente, haciendo vías de circulación con recubrimiento natural para crear autovías mucho más bonitas, con los elementos magnéticos o superconductores bajo estos recubrimientos. Esto también tendría un impacto directo en los paisajes por los que transcurren estas vías, y en las ciudades, ya que se evitaría ese calor que producen estas superficies negras en épocas cálidas.
Limitaciones actuales: la temperatura
Los superconductores van desde elementos puros como el mercurio, el plomo o el niobio, hasta aleaciones más complejas como el niobio-titanio, niobio-estaño, e incluso algunos compuestos cerámicos. Estos compuestos cerámicos son los llamados superconductores de alta temperatura, como pueden ser los cupratos (basados en cobre y oxígeno), y los pnicturos de hierro y calcogenuros de hierro.
La temperatura crítica es la temperatura por debajo de la cual un material se vuelve superconductor. Por ejemplo, los superconductores convencionales, como la mayoría de elementos puros y aleaciones, tienen temperaturas cercanas al cero absoluto, 0 ºK o -273.15 °C. En cambio, los superconductores de alta temperatura han conseguido subir estas temperaturas, aunque siguen requiriendo enfriamiento con nitrógeno líquido para estar entre los 77 grados Kelvin o los -196 grados centígrados.
Esta es una de las mayores limitaciones ya que, como comprenderás, enfriar el suelo del coche o las vías a estas temperaturas necesitarían de una infraestructura cara y compleja, enfriada con nitrógeno u otro tipo de gases líquidos, lo que también consume energía. Y no solo eso, las bajas temperaturas hacen que algunos materiales sean mucho más frágiles, y se puedan romper fácilmente o resulte complicado su manipulación. Además, se debe controlar muy bien los campos magnéticos críticos, ya que los superconductores pueden perder esta propiedad si se exponen a campos demasiado fuertes.
Materiales y avances
Cada cierto tiempo, surgen nuevos avances y materiales nuevos que consiguen mejorar las propiedades de los existentes o, especialmente, elevar la temperatura crítica para acercarla cada vez más al ansiado superconductor a temperatura ambiente. Aunque aún no se ha logrado un superconductor que funcione a temperatura ambiente, sin necesidad de enfriarlo y sin las limitaciones citadas anteriormente, se han realizado avances significativos en la búsqueda de materiales con temperaturas críticas cada vez más altas.
Actualmente se está trabajando también con algunos hidruros metálicos prometedores. Además, no solo son importantes para el mundo del motor, también para otros campos científicos, como la computación cuántica. Así que, existen muchos equipos científicos alrededor del mundo trabajando en ello…
Levitación vs vuelo
Aunque ambos tratan de desafiar la gravedad, sin fricción con el suelo, y lograr velocidades superiores, hay que diferenciar entre los vehículos voladores (aviones, helicópteros, drones, coches voladores o VTOL), y los vehículos de levitación. Mientras los primeros usan propulsión con hélices y motores a reacción y sistemas de alas para elevarse y despegar, los de levitación no necesitan ningún elemento aerodinámico para ello, se basan en el efecto que cité anteriormente.
Generalmente, los vehículos voladores pueden acortar distancias entre trayectos largos, evitando obstáculos, pudiendo viajar en línea recta. No obstante, suelen tener potentes motores de alto consumo y con grandes emisiones contaminantes. Los que levitan pueden tener motores más eficientes, aunque tienen que depender de vías para circular, como el resto de vehículos terrestres.
Vías: No solo cuestión de vehículos
Las vías para vehículos de levitación magnética, comúnmente conocidos como maglev, requieren de una infraestructura especializada para garantizar su funcionamiento. A diferencia de las vías tradicionales, estas vías están diseñadas para interactuar con los potentes campos magnéticos generados por los superconductores en los trenes.
Por ejemplo, se necesita disponer una serie de potentes bobinas superconductoras que generen los intensos y estables campos magnéticos para generar la fuerza de levitación. Estos materiales superconductores de alta temperatura, como he comentado antes, deben estar refrigerados para alcanzar muy bajas temperaturas, con sistemas de refrigeración criogénicos, como el nitrógeno líquido. Estas bobinas estarán distribuidas a lo largo de la vía en patrones o separaciones específicas para controlar la fuerza de levitación y la velocidad de propulsión. La propulsión está generada precisamente por otras bobinas superconductoras que se interponen entre las bobinas de levitación, y conocidas como bobinas de propulsión pero que funcionan de forma parecida, generando un campo magnético lineal para el empuje.
Un sistema de control hará que el vehículo se mantenga en la vía, evitando que pueda salir o haber algún accidente. Estos sistemas suelen ser activos o pasivos. Mientras los activos usan campos magnéticos para que el vehículo se mantenga en el trazado, los pasivos se basan en otras técnicas. Incluso pueden introducirse otras mejoras como sistemas de «suspensión» que mantengan la distancia de levitación constante.
Eso sí, también se necesitan unas ruedas, una especie de tren de aterrizaje similar al de los aviones para rodar cuando el vehículo de levitación va a baja velocidad y que se recoja cuando alcance la levitación y pueda seguir propulsado por el campo magnético que lo mantiene levitando.
Ejemplos actuales: trenes maglev de alta velocidad
Aunque todo esto parece ciencia ficción y que, ahora mismo, no parece que pueda llegar a los vehículos que todos conducimos, si se producen los avances oportunos en la superconductividad, se podrán ver coches de este tipo circulando. ¿Cuándo? No lo sé. ¿Como en las películas? Desde luego que no, ya que en las películas vemos coches que pueden levitar a muy elevadas alturas, y eso implicaría generar campos magnéticos colosales, o directamente que sea un vehículo volador.
Lo que sí sabemos es que estos vehículos funcionan bastante bien, y ya son una realidad en algunos trenes de alta velocidad, los llamados trenes maglev. Por ejemplo, uno de los ejemplos más cercanos lo tenemos en Alemania, con un tren centrado principalmente en la investigación y desarrollo de sistemas de levitación. El sistema se conoce como Transrapid, desarrollado por la empresa alemana ThyssenKrupp. Este sistema utiliza el principio de levitación electrodinámica (EDS), donde los imanes en el tren inducen corrientes eléctricas en las bobinas de la vía, creando un campo magnético que repele al tren y lo levanta.
El tren lleva imanes superconductores que generan un campo magnético muy potente. Al acercarse a la vía, este campo magnético induce corrientes eléctricas en las bobinas de la vía. La interacción entre el campo magnético del tren y las corrientes inducidas en la vía crea una fuerza de repulsión que levanta el tren unos centímetros sobre la vía. Las mismas bobinas de la vía que generan la levitación también se utilizan para la propulsión. Al variar la frecuencia de la corriente en las bobinas, se crea un campo magnético lineal que empuja al tren hacia adelante, a velocidades de más de 500 Km/s. El tren se mantiene centrado en la vía gracias a un sistema de guía que utiliza campos magnéticos laterales.
Otros casos
China ha sido un líder en la implementación de trenes maglev a escala comercial. La línea de levitación magnética de Shanghái, que conecta el aeropuerto internacional de Pudong con la ciudad, es un ejemplo destacado. Este tren es capaz de alcanzar velocidades de hasta 431 km/h, reduciendo significativamente el tiempo de viaje.
Japón ha sido un pionero en la investigación y desarrollo de trenes maglev. El país cuenta con una línea de prueba de alta velocidad en Yamanashi, donde se han alcanzado velocidades récord de más de 600 km/h. Se espera que Japón inaugure una línea comercial de maglev a alta velocidad en un futuro cercano.
También existen prototipos en Canadá, Corea del Sur, EE.UU., etc.
Imágenes | Canva | El Quinto Elemento *(captura de pantalla de la película)