نگاهی به تاریخچه قطارهای اتمسفریک از قرن 19 تاکنون

هایپرلوپ قصد دارد با استفاده از شناوری مغناطیسیِ قطارها در تونل های ویژه سرعت بیش از 1200 کیلومتر بر ساعتی را ممکن کند. اما این تنها نمونه ای نیست که به رقابت با ایده اولیه قطارها پرداخته. از سال ها پیش یک طرح متفاوت و انقلابی قصد داشت جایگزین خط آهن معمول شود: راه آهن اتمسفریک که نوید تحول در حمل و نقل را می داد.

خط آهن اتمسفریک برونل

«آیزام کینگدام برونل» مهندس انگلیسی زاده 9 آوریل سال 1806 بود که در زمان حیات خود سازه های متعدد و خطوط راه آهن متعددی را طراحی و پیاده سازی کرد. برونل را می توان یکی از پر افتخار ترین مهندسان تمام دوران دانست.

در لندن یک دانشگاه به نام او نام گذاری شده و مجسمه های یادبود او در سراسر بریتانیا به چشم می خورد. حتی بسیاری از پل ها و تونل هایی که توسط او ساخته شده اند هنوز هم در حال استفاده هستند.

برونل ایستگاه متروی پادینگتون را طراحی کرده، اولین کشتی بخار با سیستم محرک پروانه ای و بین اقیانوسی توسط او طراحی شد و علاوه بر اینها مهندس ارشد شرکت راه آهن GWR بود. این شرکت در پس پروژه هایی بود که پایتخت بریتانیا را به مکان های دور کشور و ولز وصل می کرد.

دستاوردهای او اما به همین جا محدود نمی شد. برونل برای پروژه عجیب دیگری به نام «خط آهن اتمسفریک برونل» هم مشهور بود. این پروژه همچنین به نام «کِیپر» هم شناخته می شد.  بر اساس ایده او قرار بود وسایل نقلیه روی خط راه آهن ساوت دِوون حرکت کنند؛ مهم تر اینکه این وسایل متحرک نیازی به موتور نداشتند و تنها با استفاده از فشار هوا حرکت می کردند.

اما علی رغم انقلابی بودن ایده، مشکل از آنجایی ناشی می شد که طرح با نقص هایی همراه بود. تنها یک سال پس از اینکه خدمات آن شروع شد، سیستم رانش اتمسفریک تعطیل شد.

ایده اولیه خط آهن اتمسفریک در سال های 1600 میلادی

خط آهن اتمسفریک برونل در نوع خود جالب توجه بود؛ هم به دلیل طول مسیر و هم به خاطر نام آن. البته ایده اولیه متعلق به برونل نبود و از سال های 1600 میلادی از فرانسه سرچشمه گرفته بود. در آن زمان «دنی پاپن» فیزیکدان و محقق فرانسوی روی نیروی بخار و فشار هوا تحقیق کرده بود.

در قرن 19 هم «جرج مدهارست»، مخترع ساکن لندن اولین ایده مناسب از استفاده هوای فشرده به عنوان سوخت را مطرح و پتنت آن تحت عنوان موتور Aeolian را ارائه کرد. در طی 30 سال پس از آن چندین نسخه خطی در تشریح نحوه استفاده از فشار هوا برای به جلو راندن هر چیزی از یک نامه سبک تا اشیاء سنگین و حتی انسان های داخل یک سیستم بسته را تشریح کرد. او تصور می کرد مسافران قطارها می توانند در مجرا های بزرگ سفر کنند یا تحت یک ایده دیگر می توان از پیستون هایی که نیروی زیادی را از طریق لوله های کوچک فراهم می کنند کشیدن اجسام را ممکن کرد.

در میانه های دهه 1820 و 1830 مهندسان نمونه های اولیه ای از این هر دو ایده ارائه شده توس مدهارست را ساختند. نسخه ای که بر پیستون متکی بود بیشتر امکان پذیر به نظر می رسید؛ چرا که تنها نیاز به اعمال تغییرات اندک در قطارهای فعلی داشت. در یکی از فازهای اولیه پروژه، ایده استفاده از هوای فشرده برای راندن وسایل نقلیه، جایگزین آن شد. به جای اینکه پمپ ها هوا را به سمت بیرون لوله ها هدایت کنند بخش خلاء ایجاد شد که بر اساس اختلاف فشار پشت پیستون ها عمل می کرد و موجب حرکت رو به جلو می شد.

مشکلات سیستم های اتمسفریک در اوایل قرن 19 و راهکارها

همه ایده هایی که مطرح شده بود چالش های مهندسی بزرگی را به همراه داشت. پیستون داخل لوله باید به واسطه یک بازوی خارجی به خودروهای سواری وصل می شد و به این ترتیب در تمامی طول لوله ای که در مسیر کشیده شده بود باید یک شکاف در نظر گرفته می شد. همین موضوع یکی از چالش ها را ایجاد کرده بود: این که چطور می توان از نشتی هوا جلوگیری کرد تا جلوی مثبت یا منفی شدن فشار دو طرف پیستون ها گرفته شود؟

برای حل این مشکل 3 مهندس به نام های جیکوب سامودا به همراه برادرش جوزف سامودا در کنار ساموئل کلِگ دست به کار شدند. آنها یک سوپاپ با پوشش چرمی طراحی کردند که با باز شدن امکان عبور بازو را فراهم می کرد. در نتیجه هوا می توانست به بخش خالی پشت پیستون انتقال پیدا کند و وسیله نقلیه را به جلو براند. در ادامه این بخش بسته می شد تا فشار حفظ شود.

یک بخش چرمی با استفاده از یک لولای فلزی به لوله وصل شده بود و با استفاده از موم عسلِ در چربی حیوانی در جای خود محکم می شد. این ترکیب آب بندی مورد نیاز را فراهم می آورد.

ایده های دیگر؛ از لوله های پارچه ای تا استفاده از چرخ دنده

در همین دوران افراد دیگر هم در حال اختراع های مشابه دیگر بودند. یکی از ایده های مطرح شده این بود که تمامی قطار با استفاده از یک لوله پارچه ای به پیش رانده شود. دیگری اشاره به یک سیستم بسته داشت که در آن پیستون ها چرخ دنده هایی را به حرکت در می آوردند تا در نهایت حرکت قطار ماشین ها ممکن شود. یک ایده هم استفاده از لوله های آهنی با دقت ساخته شده ای را پیشنهاد داده بود که می توانست به اندازه ای انعطافپذیر باشد که بدون نیاز به سوپاپ های پیچیده باز و بسته شود.

در بین این ایده ها در نهایت همان ایده سیستم سوپاپ های چرمی بود که برتر از بقیه به نظر می رسید. نسخه اولیه ای از این ایده سال ها قبل توسط مدهارست ارائه شده بود و در نهایت تصمیم گرفته شد از آن برای راه آهن اتمسفریک تجاری استفاده شود.

کلگ و برادران سامودا اولین بار در سال 1838 تصمیم به ثبت پتنت مربوط به خود گرفتند و 2 سال بعد از آن بخشی از راه آهن غربی لندن که در حال استفاده نبود را برای پروژه خود اجاره کردند. یک لوله ای چدنی در وسط خط آهنی به طول 800 متر نصب کردند و یک ایستگاه پمپاژ را هم در انتهای آن در نظر گرفتند تا هوا را در طول لوله پمپ کند. این تجهیزات برای مدتی در حدود 2 سال همچنان در جای خود باقی ماندند و در همان اوایل کار در سال 1840، کلگ راه خود را از برادران سامودا جدا کرد و به دنبال فرصت های شغلی جدید در کشور پرتغال رفت.

در سال 1841 جوزف سامودا سندی 50 صفحه ای را منتشر کرد که در آن کارهای تیم در سیستم رانش اتمسفریک را به دقت تشریح کرده بود. تنها مدت اندکی بعد از اینکه پتنت دقیق تری را در سال 1844 ارائه کردند جوزف درگذشت. با این حال این سیستم در آن زمان به عنوان اولین مسیر تجاری اتمسفریک مورد استفاده قرار می گرفت. به این ترتیب می توان نام سامودا را با اولین خط آهن اتمسفریک مرتبط دانست. به عبارتی می توان گفت در حدود سال 1840 که صنعت خطوط آهن در حال پیشرفت قابل ملاحظه بود سیستم های اتمسفریک نوید چندین مزیت در مقایسه با لوکوموتیو های بخاری را می داد.

خط آهن اتمسفریک، قطارهای بخار و خودروها؛ مزایا و معایب

در این طرح خودروها نیازی به موتور نداشتند و به این ترتیب بسیار سبک تر بودند و ساخت آنها هم ساده تر بود. علاوه بر این با توجه به این که موتورهای بخار و ایستگاه پمپاژ در جای دیگری (معمولاً ابتدا یا انتهای مسیر) قرار داشت صدای کمتر و آلودگی هوای کمتر از مزایای آنها بود. امنیت مورد دیگری بود که برتری قطارها بر خودروها را رقم می زد؛ بر خلاف خودروها که در دو جهت جاده حرکت می کردند، قطارها با حرکت در یک مسیر امکان تصادف با هم را نداشتند.

نمایی از خط آهن اتمسفریک دالکیاما مهمترین موضوع این بود که به اصطکاک وابسته نبودند. قطارهای سنگین با چرخ ها و ریل های فلزی حتی در شیب های کم هم اصطکاک مورد نیاز را فراهم نمی کردند با این حال برای سیستمی مبتی بر فشار هوا، اصطکاک اصلاً اهمیتی نداشت.

راه اندازی قطار اتمسفریک در دیگر کشورهای اروپا

در سال 1840 بود که این طرح به دوبلین (پایتخت کشور جمهوری ایرلند)، خط راه آهن کینگ استون هم راه یافت. این خط در حدود 3 کیلومتر از مسیر را شامل می شد؛ مسیری که شیب تندی داشت و در عین حال پر پیچ و خم بود. سرمایه گذارِ شرکت خط آهن هم از طرح سامودا مطلع بود.

این خط آهن اتمسفریک در شهر دالکی ایرلند اولین در نوع خود بود و در آگوست سال 1843 به راه افتاد. فشار هوا واگن ها را در سطح شیب دار به جلو هدایت می کرد و با استفاده از نیروی جاذبه هم واگن ها به پایین هدایت می شدند. در سال 1845 ادامه این خط آهن به طول حدود 1.6 کیلومتر ساخته و در سال 1847 راه اندازی شد.

همچنین علاوه بر فرانسوی ها که برای استفاده از این ایده اشتیاق خود را نشان داده بودند، در لندن «ویلیام کابیت» مهندس خط آهن ناحیه کرویدون این شهر هم تصمیم به استفاده از سیستم سامودا گرفتند. قرار بود این سیستم در خطی که از لندن گذر می کرد استفاده شود و قصد داشتند از این روش برای تسهیل در شبکه ای از خطوط بهره ببرند. خط اولیه طولی 8 کیلومتری داشت.

از آنجایی که لوله های مرتبط با پیستون ها امکان نصب روی خطوط فعلی را نداشت، اولین خط به منظور تطبیق با خط قبلی ساخته شد. اولین بار در ژانویه سال 1846 آغاز به کار کرد اما حتی پیش از این زمان هم ایستگاه های پمپاژ عملکرد غیر قابل اعتمادی از خود نشان داده بودند و خرابی های آن در چند ماه ابتدایی به یک موضوع معمول بدل شده بود. در ادامه مشکل یکپارچگی بخش چرمی سوپاپ ها به اصلی ترین دلیل تأخیرها و لغو پروژه ها بدل شد. معمولاً فشار کافی برای هدایت کردن واگن ها به بالا فراهم نمی شد.

علاوه بر این در اوایل سال 1847 هم خط چند مایلی دیگری ساخته شد اما در تابستان همان سال لوله ها برچیده و سیستم اتمسفریک تعطیل شد. بسیاری از مشکلاتی که در خط کرویدون پیش آمد، خبر از افول راه آهن اتمسفریک برونل می داد. این در حالی بود که در تابستان 1847 این خطوط تقریباً عملیاتی بودند.

برونل در انتها مسئول راه آهن ساوت دِوون شد و در ادامه برای زمین های تپه ای پیشنهاد استفاده از طرح سامودا را داد. از آنجایی که به نظر می رسید این ایده هزینه عملیاتی و تولید کمتری داشته باشد مورد تأیید قرار گرفت.

لوله کشی مورد نیاز در یک مسیر 19 کیلومتری نصب شد؛ مسیری از اکستر در ناحیه جنوب غربی انگلستان در شهر دوون تا شهر ساحلی تینموث. اولین قطار مسافربری در سپتامبر 1847 آغاز به کار کرد و البته در کنار آن لوکوموتیو های بخاری هم تا مامه مارس سال بعد کار می کردند اما در نهایت تمامی قطارهای این خط با مدل های مجهز به سیستم مبتنی بر فشار جایگزین شدند.

دیگر مشکلات سیستم های اتمسفریک

با این حال سیستم های اتمسفریک عدم پایداری خود را اثبات کرده بودند؛ فرایندهای تولید بسیار پیچیده از آن بود که در طرح ها پیشبینی شده بود و نیروی تولید شده در خط کمتر از میزان مورد نیاز بود. این موضوع موجب می شد نیاز به کارکرد سخت تر از میزان پیشبینی شده ایستگاه پمپاژ باشد. همین مسائل باعث شد این خطوط به اندازه ای که تصور می شد، از نظر اقتصادی به صرفه نباشند.

از آنجایی که در این خطوط سیستم های تلگراف هم نصب نشده بود ایستگاه های پمپاژ باید با یک برنامه زمان بندی پیچیده کار می کردند و هر گونه تأخیری در مسیر منجر به کارکرد زودتر از موعد پمپ ها می شد. در نتیجه این اتفاق لوله ها پیش از موعد خالی می شدند و در این حین میزانی از ذغال سنگ بیهوده در ایستگاه پمپاژ سوزانده می شد. خط آهن ساوت دوون در نهایت در سال 1848 خبر از دو برابر بودن هزینه قطارهای اتمسفریک به ازای هر 1.6 کیلومتر در مقایسه با لوکوموتیوهای بخار داد.

دردسرهای نگهداری میخی بر تابوت قطار اتمسفریک

نگهداری از سیستم چرمی سوپاپ ها اما میخی بر تابوت این سیستم ها بود. در بخش هایی از این سیستم ورقه های فلزی استفاده شده بود تا به این ترتیب از نفوذ اشیاء خارجی به آن جلوگیری شود اما چرم ها در زمستان های سرد سال های 1847 تا 1848 یخ زدند و در مواقع دیگر هم گاهاً خشک می شدند.

به این ترتیب دائماً باید تحت نظر بودند تا همواره انعطاف پذیری خود را حفظ کنند و البته تعمیر آنها هم هزینه بالایی داشت. ذرات ریز هم از تهدیدهای دائمی این سیستم ها به حساب می آمدند و برخی از شواهد از جذب شدن موش ها به چرم ها و چسب ها حکایت داشتند که با خورده شدن آنها توسط این موجودات آسیب های جدی به سیستم وارد می شد.

سامودا استخدام شد تا از خط راه آهن نگهداری کند اما در نهایت تمامی سیستم سوپاپ مبتنی بر چرم نیاز به تعویض داشت؛ عملیاتی که بسیار پر هزینه بود و البته در نهایت سامودا این موضوع را نپذیرفت. درخواست پذیرفتن این مسئولیت بین برونل، سامودا و شرکت راه آهن ساوت دوون  آن قدر دست به دست شد تا اینکه سیستم های اتمسفریک رو به فراموش شدن رفت.

خط آهن اتمسفریک در فرانسهدر نهایت اگرچه در آگوست سال 1848 تلگراف عملیاتی شد و همین امر موجب شد به میزان زیادی از مصرف زغال سنگ در ایستگاه های پمپاژ کاسته شود اما در اوایل ماه سپتامبر خط اتمسفریک متروکه شد و لوکوموتیوهای بخار جایگزین شدند.

سهام داران در ژانویه سال 1849 گرد هم آمدند تا تصمیم نهایی را بگیرند. برخی از آنها همچنان به ادامه دادن سیستم های اتمسفری اشیاق داشتند اما در انتها با رأی گیری، افراد مخالف با 5 برابرِ تعداد بر مشتاقان غلبه کردند.

ایده سیستم های پنوماتیک در کنار افول قطار اتمسفریک

با وجود شکست پروژه ساوت دوون مسیرهای کوتاه تری از قطارهای اتمسفریک در ایرلند و فرانسه کم و بیش بدون وقفه برای حدود یک دهه به کار خود ادامه دادند تا اینکه در انتها لوکوموتیوهای بخار با قدرت بیشتر و توان بالا برای صعود با آنها جایگزین شدند. در ادامه این خطوط برای استفاده موتورهای بخار اولیه مناسب بودند اما به مرور با بهبود سیستم های مبتنی بر بخار از رده خارج شدند.

با این حال حمل و نقل اتمسفریک با افول راهکارهای برونل از بین نرفت. نمونه های مشابه با این سیستم به روش های دیگر استفاده شد. «توماس وبستر رامِل» در سال 1864 یک خط کوتاه نمایشی در جنوب لندن در کریستال پالاس ساخت. این سیستم که تنها در چند ماه پس از آن عملیاتی شد شامل یک خط مشابه با مترو بود. تونلی در زیر زمین قرار داده شده بود که با استفاده از یک فن بزرگ با فشار هوا خودروها را به داخل هدایت می کرد. در سوی دیگر هم یک فن دیگر قرار داده شده بود که هوا را از تونل به بیرون مکش می کرد. به این ترتیب یک سیستم مکش در تمامی طول تونل ایجاد می شد.

به نظر می رسید که این طرح می تواند کارایی خود را برای مسیر کوتاهی که از زیر رودخانه تیمز می گذشت به اثبات برساند. این خط ایستگاه های واترلو و وایت هال را به هم متصل می کرد. در سال 1865 ساخت آغاز شد اما به دلیل مشکلات مالی تکمیل نشد. کمی بعد «آلفرد الی بیچ» تلاش کرد روی سیستم حمل و نقل زیر زمینی در نیویورک کار کند. مقداری از هزینه این پروژه از طریق بودجه شخصی او تأمین شده بود. این مهندس موفق شد تونلی به طول یک بلوک ساختمانی تنها در کمتر از 2 ماه در زیر خیابان برادوِی بسازد.

سیستم پنوماتیک بیچ هم از همان ایده نشان داده شده در کریستال پالاس بهره می برد و به عبارتی خودروها را با مکش و هل دادن با هوا هدایت می کرد. در سال 1870 این تونل به روی عموم باز شد. افراد می توانستند با پرداخت 25 سنت به یک مسیر یک طرفه و بن بست به تونل وارد شوند و البته در انتهای راه خروجی هم وجود نداشت. در نهایت به نظر می رسید این تونل فراتر از یک پدیده نوظهور نیست و چندان هم جدی گرفته نخواهد شد.

با این حال قرار بود این تونل زیر زمینی تا 8 مایل ادامه پیدا کند تا در نهایت به سنترال پارک نیویورک برسد اما با اینکه بیچ اجازه های لازم برای این کار را به دست آورد، کاغذ بازی های اداری و فقدان بودجه و پشتیبانی موجب شد تا در نهایت در سال 1873 پروژه تعطیل شود. در ادامه سیستم پنوماتیک مشابهی برای ارسال نامه ها در همین شهر به کار گرفته شد.

خط آهن اتمسفریک در دنیای امروز چه کاربردی دارد؟

اکنون مدت ها است که ایده هایپرلوپ مطرح شده است. البته باید اشاره کرد که سیستم های هایپرلوپ شاید مشابه سیستم های اتمسفریک یا پنوماتیک به نظر بیایند اما تفاوت های اساسی دارند. در هایپرلوپ از فشار هوا به عنوان نیروی پیشران اصلی استفاده نمی شود بکه تونلی خالی برای کاهش نیروی پسار وسیله نقلیه داخل آن به کار می رود و وسیله نقلیه به صورت مغناطیسی شناور می شود.

سرویس قطار اتمسفریک را می توان یک عصر رنسانس در دوران مدرن دانست اما باید گفت که این ایده امروزه هم استفاده می شود. شرکتی به نام «Aeromovel» ایده اولیه طرح سامودا را بهبود داد و سیستم جدید را تولید کرد. این سیستم از فشارهای منفی و مثبت برای هدایت وسیله نقلیه استفاده می کرد و البته این بار سوپاپ های چرمی با نمونه های مورد اطمینان تر لاستیکی جایگزین شده بودند.

در سال 1989 یک مونوریل پیشرفته که توسط این شرکت ساخته شده بود در پارکی در اندونزی نصب شد و در سال 2013 هم دومین خط Aeromovel در فرودگاه بین المللی سلگدو فیلهو برزیل شروع به کار کرد.

اکنون ساخت سیستم هایی برای محبوس کردن هوا چندان مشکل نیست و شاید اگر در زمان برونل هم لاستیک های امروزی وجود داشت می توانست ایده های پیاده شده در آن زمان را متحول کند.