maanantai 24. syyskuuta 2012

Tyhjiöjuna: avaruusalus metrotunnelissa

Ihminen haluaa monesti siirtyä planeetan pinnalla paikasta A paikkaan B. Hän toivoisi matkan olevan nopea (nopeutta rajoittaisi vain henkilön kiihtyvyydensieto), turvallinen, halpa, saasteeton, meluton ja maankäyttöä ja ympäristöä häiritsemätön. Yllättävää kyllä, on olemassa tekniikka, joka näyttäisi täyttävän nämä ensi kuulemalta utopistiset toiveet. Tekniikan nimi on tyhjiöjuna.

Tyhjiöjuna on magneettilevitaatiojuna, joka kulkee pitkässä tyhjiötunnelissa. Tyhjiöputki voidaan sijoittaa maan päälle kuten tavallinen junarata, mutta yleensä se todennäköisesti sijoitettaisiin kallioon louhittuun metrotunneliin. Tunnelin louhiminen kallioon ei ole erityisen kallista ja samalla tyhjiöputki pysyy suojassa säältä, ilkivallalta ja muilta ympäristön vaikutuksilta. Lisäksi jos verkosto rakennetaan pääosin maan alle, se ei häiritse maankäyttöä. Koska juna on nopea, tunnelien on oltava lähes suoria, joskin asemien lähellä missä vauhti on hitaampi sallitaan jonkin verran kaartumista. Väliasemia ei suosita, vaan jokaisella yhteysvälillä on yleensä oma putkensa ja asemat ovat verkoston solmukohtia. Useampi kuin yksi putki voidaan haluttaessa asentaa samaan kalliotunneliin. Normaalisti yksi putki on vain yksisuuntaista liikennettä varten, paluuta tarvitaan rinnalle toinen putki. Tällöin putkessa voi liikkua useampi kuin yksi juna kerrallaan.
Magneettilevitaatiojunat ovat jo arkipäivää Shanghaissa,
mutta ne ovat alttiita ilmanvastukselle. Wikimedia
Tyhjiöjunien ei tarvitse olla perinteisiä pitkiä junia, vaan nopean yhteysvälin saavuttamiseksi yksittäisiä vaunuja voidaan reitittää tunneliverkostossa asemalta toiselle samaan tapaan kuin Internetin datapaketteja. Matkustaja menee lähimmälle asemalle ja kertoo mihin on matkalla. Järjestelmä tuo paikalle suunnilleen henkilöauton kokoisen vaunun, johon astutaan ilmalukon kautta. Vaunu liikkuu ja reitittyy automaattisesti asemalta toiselle kunnes ollaan perillä. Matkustajan kannalta tyhjiöjuna muistuttaa enemmän automaattiohjattua henkilöautoa kuin junaa. 
Koska ilmanvastusta ei tyhjiössä ole, vaunun nopeutta rajoittavat sen sijaan muut seikat, kuten matkustajien sietämä kiihtyvyys ja kiihdytyksen vaatima sähköteho. Esimerkiksi jos junan kiihtyvyys on 0.4 g ja jos kiihdytetään tasaisesti puolimatkaan ja sen jälkeen hidastetaan, 300 km matkalla huippunopeus on 1 km/s (kolminkertainen äänennopeus) ja matka-aika 10 minuuttia, 3000 km matkalla puolestaan 3.4 km/s ja puoli tuntia. Jos eripituisilla linjaväleillä käytetään samaa kiihtyvyyttä, matka-aika on verrannollinen matkan pituuden neliöjuureen. Suurin ajansäästö saavutetaan pitkillä siirtymillä, mutta lyhyetkin matkat taittuvat nopeasti. Kymmenen kilometrin viipaleella huippunopeus on puolimatkassa 700 km/h ja matka-aika 2 minuuttia.

Vaikka lentäminen tunnelissa suurella nopeudella saattaa kuulostaa hurjalta, tyhjiöjuna voi olla erittäin turvallinen laite, koska hermeettisesti suljetussa tunnelissa mikään este ei voi tulla sen tielle, kun taas ulkona nopean junan reitille voi esimerkiksi kaatua puu tai vyöryä rinteeltä kiviä. Jos vaunua leijuttava ja kiihdyttävä sähkömagneettinen koneisto on kahdennettu esimerkiksi siten että sähköt saavat katketa joko radasta tai vaunusta ilman että vaunu pohjaa tai jarrutus menee pitkäksi, turvallisuustaso on erittäin korkea.

Kunhan tekniikka on kehitetty, tunneliverkoston rakentaminen maksaa ehkä kilometriä kohti suunnilleen saman verran kuin rautatien tai maantien, koska molemmissa maansiirtotyöt ovat samaa suuruusluokkaa. Magneettijunia on rakennettu (esimerkiksi Shanghai), kalliotunneleita osataan louhia (esimerkiksi Päijänne-tunneli) ja pitkiä tyhjiöputkia on olemassa esimerkiksi hiukkaskiihdyttimissä. Kun tunneliverkosto on kerran tehty, ylläpitokulut ovat pienet koska kuluminen on olematonta. Autonrenkaat kuluttavat asfalttia ja junien pyörät hiovat kiskoista teräspölyä niin että Lemminkäisen miehillä ja Ratahallintokeskuksen alihankkijoilla riittää korjaushommia, mutta ilmattomassa tyhjiöputkessa mikään ei kulu koska väliainetta ei ole eikä mikään osa kosketa fyysisesti toista. Tunneliin ei pääse pölyä, ja vaikka pääsisikin, se laskeutuisi tyhjiössä heti tunnelin pohjalle ja jäisi sinne. Järjestelmä tarvitsee sähkötehoa vaunujen kiihdyttämiseen (sitä enemmän mitä suurempaan vauhtiin mennään koska teho on voima kertaa nopeus), mutta käytetty energia saadaan periaatteessa kokonaan takaisin jarrutuksessa. Jarrutusenergian tehokas talteenotto on tuttua tekniikkaa muun muassa hybridiautoista. Koko liikennemuodon energiankulutus on siis teoriassa nolla. Vain tyhjiöpumput kuluttavat energiaa, mutta jos verkosto on tiivis, tehontarve on pieni.

Kun ilmalukko sulkeutuu, vaunuun astuu avaruuden hiljaisuus. Elleivät vaunun omat laitteet pidä ääntä, suurikaan matkanopeus ei riko hiljaisuutta. Koska vaunusta ei myöskään näe ulos, siellä on ehkä mukava olla isot näyttöpaneelit ja kunnon kaiuttimet, joiden avulla matkustustilaan luodaan käyttäjän haluama video- ja äänimaisema. Elektroniikan keinoin on helppo järjestää asiat niin että matkustaja voi tuoda vaunuun mukanaan oman virtuaalitodellisuutensa; hiljaisuus on tietysti yksi vaihtoehto, jonka osa matkustajista valitsee. Näin vaunuun saadaan henkilöautomaista yksilöllisyyden tunnetta, vaikka kyse onkin julkisesta liikennevälineestä. Yhteen vaunuun voisi mahtua esimerkiksi neljä tai kuusi ihmistä.
Tyhjiöjunan kiihtyvyyttä rajoittaa lähinnä matkustajien sietokyky.
Kuva: Sini Merikallio
Kalliotunnelissa oleva tyhjiöputki on kiinteä rakennelma, jonka olemassaolo ei häiritse ketään. Toisin kuin maantie tai rautatie, se ei aiheuta vaaraa, ei muodosta kulkuestettä eikä edes näy maanpinnalla liikkuville ihmisille ja eläimille. Se ei tuota melua eikä kuluta energiaa. Silti se kuljettaa päivittäin suuren määrän ihmisiä ja tavaraa valtavalla nopeudella maan äärestä toiseen. Jos yksi tyhjiöputkilinja on huollossa, vaunut reitittyvät ongelmakohdan ympäri muita linjoja pitkin kuten Internetissä. Kallion sisällä järjestelmä on luonnostaan hyvin suojattu monenlaisia ulkoisia häiriöitä vastaan, toisin kuin esimerkiksi lentoliikenne, joka on herkkä mm. tulivuorten tuottamalla tuhkalle. Ainoastaan kohdalle osuvan maanjäristyksen yhteydessä mahdollisesti syntyvä kallioperän riittävän suuri poikittainen siirros voisi katkaista tunnelin, mutta este on vain paikallinen ja sen korjaaminen on mahdollista putkisegmentti kerrallaan.

Pahin mahdollinen onnettomuus on putken katkeaminen, jolloin niiden vaunujen matkustajille jotka ovat ongelmakohdan lähellä voi käydä huonosti. Mutta pahinkaan onnettomuus ei veisi enempää ihmishenkiä kuin tyypillinen ketjukolari maantiellä, vaikka kyse olisi vilkasliikenteisestä putkilinjasta. Maantien ketjukolarin syntymiseen riittää yhden kuljettajan nukahtaminen rattiin tai itsemurha-aikeet, mutta tyhjiöputken katkeamiseen tarvitaan juuri kohdalle osuva iso maanjäristys tai pommi. Terroristille tyhjiöjuna on huono apaja, koska hengiltä saa vähemmän ihmisiä kuin perinteisissä liikennevälineissä tai ostoskeskuksessa. Pitkä ja suora kalliotunneli voidaan helposti varustaa ilmaisimilla, jotka varoittavat heti ja katkaisevat liikenteen jos tilaan tunkeutuu sabotööri esimerkiksi katon kautta porautumalla.

Ainakin äkkiseltään katsoen tyhjiöjuna ei näyttäisi soveltuvan valtamerien läpäisemiseen yhtä hyvin kuin mantereiden sisäiseen liikenteeseen. Jos putki asennetaan väliveteen, sen pitäminen tarkasti suorana ja paikoillaan merivirroissa ja aallokossa vaatii omat tekniset ratkaisunsa, jos taas syvänmeren pohjalle, putken seinämien pitää kestää suurta painetta. Välivedessä on lisäksi olemassa pieni riski että putkeen saattaisi törmätä esimerkiksi sukellusvene tai ison jäävuoren vedenalainen osa. Toisaalta tyhjiöjunan valtameriversio saattaa hyvinkin olla laivaliikennettä turvallisempi, vaikka häviääkin ääriturvalliselle kalliotunneliserkulleen. Rajoittamalla vaunujen nopeutta turvallisuus paranee, koska putken sivuttaissiirtymien sieto kasvaa. Esimerkiksi jos matkanopeus puolitetaan, putken äkillisten sivuttaissiirtymien sietokyky kasvaa nelinkertaiseksi. Ehkä Atlantin toiselle puolelle liikutaan junilla jotka liikkuvat ”vain” Concorden vauhtia.

Eikö tämä kuulosta liian hyvältä ollakseen totta, ja jos tyhjiöjuna toimisi, miksi sellaista ei ole jo rakennettu? Kyllä, se kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta, ja kenties juuri siksi sitä ei ole toteutettu. Itse asiassa sveitsiläisillä on melko pitkälle kehitetty tyhjiöjunahanke nimeltään Swissmetro, joka vain odottaa poliittista tahtoa toteutuakseen. Swissmetro on tosin perinteinen juna eikä joukko internetmäisesti reitittyviä henkilöauton kokoisia vaunuja.

Tunnuslauseemme olkoon: nyhjäistään tyhjästä!

Pekka Janhunen