کالبدشکافی «ترمزهای احیاکننده» و «ریل سوم»: چگونه قطارهای مترو به نیروگاه‌های متحرک تبدیل می‌شوند؟

بسیاری از ما تصور می‌کنیم که یک قطار ۳۰۰ تنی مترو که هر دو دقیقه یک‌بار متوقف می‌شود و دوباره شتاب می‌گیرد، یک چاه سیاه انرژی است که شبکه‌های برق شهری را می‌بلعد. اما شواهد مهندسی داستان کاملا متفاوتی را روایت می‌کنند. قطارهای مدرن مترو در واقع نیروگاه‌های متحرکی هستند که به جای هدر دادن انرژی، آن را تولید می‌کنند. زمانی که ترمزها اعمال می‌شوند، موتورهای قطار تغییر ماهیت داده و به ژنراتور تبدیل می‌شوند.[1]

برای درک این دگردیسی، باید به قلب تپنده قطار یعنی «موتورهای کششی» نگاه کنیم. محققان دانشگاه جیائوتونگ لانژو در سال ۲۰۲۴ در مقاله‌ای پیرامون مدیریت توان متروها توضیح دادند که برای شتاب گرفتن، این موتورها جریان مستقیم (DC) با ولتاژ ۷۵۰ یا ۱۵۰۰ ولت را از ریل سوم یا شبکه بالاسری دریافت می‌کنند تا چرخ‌ها را به حرکت درآورند.

اما وقتی زمان توقف فرا می‌رسد، قطار از لنت‌های ترمز مکانیکی استفاده نمی‌کند. در عوض، قطبیت موتورها معکوس می‌شود. انرژی جنبشی عظیم قطار که در حال حرکت است، روتورهای موتور را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند.[1]

این برق تولید شده به کجا می‌رود؟ به جای اینکه به شکل گرمای بی‌فایده در تونل رها شود، از طریق همان ریل سوم یا شبکه بالاسری به سیستم برق مترو بازگردانده می‌شود. اگر قطار دیگری در همان نزدیکی در حال شتاب گرفتن باشد، این انرژی مستقیما به آن قطار منتقل می‌شود. این یعنی قطاری که به ایستگاه می‌رسد، عملا نیروی محرکه قطاری را که در حال خروج از ایستگاه است تامین می‌کند.[1]

اما اگر هیچ قطاری در آن لحظه نیاز به برق نداشته باشد چه؟ مهندسان برای این سناریو سیستم‌های مدیریت توان دوگانه (Dual-Mode) طراحی کرده‌اند. اینورترهای پیشرفته در ایستگاه‌ها، این برق جریان مستقیم را دریافت کرده و آن را به برق جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کنند تا برای تامین روشنایی، پله‌برقی‌ها و سیستم‌های تهویه خود ایستگاه استفاده شود.[1]

اعداد و ارقام این اکوسیستم خیره‌کننده هستند. در سیستم متروی جدید خط ۶ شهر سائوپائولو که برای بهره‌برداری در سال ۲۰۲۶ آماده می‌شود، قطارهای ساخت شرکت آلستوم (Alstom) به این فناوری مجهز شده‌اند. لوکاس هررا (Lucas Herrera)، مدیر مهندسی آلستوم در آمریکای لاتین، در این باره می‌گوید: «سیستم کشش و ترمز الکتریکی از فناوری پیشرفته با اینورترهای با راندمان بالا تا ۹۹ درصد استفاده می‌کند. این بدان معناست که در طول عملکرد معمول قطار، حدود ۵۰ درصد از انرژی مصرفی قابل بازیابی است.»

این سیستم‌ها نیاز به ترمزهای مکانیکی را در سرعت‌های بین ۱۰ تا ۷۰ کیلومتر بر ساعت به شدت کاهش می‌دهند، که به معنای کاهش استهلاک و هزینه‌های نگهداری است.

در لندن نیز، آزمایش‌های سازمان حمل‌ونقل لندن (TfL) در سال ۲۰۱۵ روی سیستم ترمز احیاکننده نشان داد که این فناوری می‌تواند روزانه ۱ مگاوات‌ساعت (1 MWh) برق را تنها در یک خط بازیابی کند. این میزان انرژی برای تامین برق ۱۰۴ خانه در طول یک سال کافی است و می‌تواند سالانه تا ۶ میلیون پوند در هزینه‌های انرژی متروی لندن صرفه‌جویی کند.

فراتر از صرفه‌جویی مالی، این سیستم یک بحران ترمودینامیک را در زیر زمین حل می‌کند. پیش از ابداع ترمزهای احیاکننده، تمام انرژی جنبشی قطارها از طریق ترمزهای دینامیک یا مکانیکی به گرما تبدیل می‌شد. این گرمای عظیم، تونل‌ها را به کوره‌هایی تبدیل می‌کرد که برای خنک نگه‌داشتن آن‌ها به سیستم‌های تهویه مطبوع غول‌پیکر و پرمصرف نیاز بود. با تبدیل این انرژی به برق، ترمزهای احیاکننده به طور غیرمستقیم بار حرارتی تونل‌ها را کاهش داده و نیاز به خنک‌کاری را به حداقل می‌رسانند.

در نهایت، مهندسی متروهای مدرن نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با تغییر زاویه دید، یک مشکل بزرگ را به یک راه‌حل پایدار تبدیل کرد. هر بار که در ایستگاه مترو منتظر ایستاده‌اید و صدای کاهش سرعت قطار را می‌شنوید، در واقع در حال گوش دادن به صدای یک ژنراتور عظیم هستید که چراغ‌های ایستگاه را روشن نگه می‌دارد و از فروپاشی شبکه برق شهر جلوگیری می‌کند.