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L'Hyperloop est un train révolutionnaire qui paraît aux premiers abords très futuriste mais qui ne l'ai en réalité pas vraiment. En effet, l'idée est bien plus ancienne que l'on ne le pense puisque dès le XIXe siècle Jules Verne pense à un transport circulant dans un tube, qui permettrait d'atteindre des vitesses astronomiques. Cependant, il ne savait pas mettre en place une telle structure.
Plus tard, en 2012, Elon Musk a lui aussi l'idée d'un train sous vide, par la suite il effectue des recherches durant un an. Il finit alors par publier, en 2013, un cahier des charges dans lequel il livre un très grand nombre d'informations sur son nouveau projet de transport : l'Hyperloop. Il s'agit alors d'une "version alpha". Il a ensuite annoncé vouloir rester concentré sur ses entreprises SpaceX et Tesla, Musk a alors fait appel à une production participative et n'a d'ailleurs déposé aucun brevet pour cette technologie. Le concept est donc dorénavant développé par trois startups : Hyperloop One, Hyperloop Transportation Technologies et TransPod.
Afin de faire avancer le développement de l'Hyperloop plus rapidement, Elon Musk a eu l'idée de mettre en place un concours avec son entreprise Space X : l'Hyperloop Pod Competition. Cette compétition fait s'affronter 18 équipes d'étudiants de très grandes écoles du monde entier. Ils ont pour objectif de créer un pod respectant certains critères, énoncés dans son article paru en 2013, tels que la taille, le poids... Depuis la création du concours en 2016, 115 projets se sont affrontés et seulement 30 ont été retenus par le jury. Des tests préliminaires ont été effectués à l'air libre sur ces prototypes, puis trois d'entre eux ont eu la chance de faire l'essai final sur le tunnel Hyperloop de 1,6 kilomètres de long construit par SpaceX.
Cette fameuse innovation, dont le géant américain Elon Musk est le pionnier, consiste à propulser des capsules de ville en ville à l’intérieur d’un tube à basse pression. Plusieurs méthodes de propulsions sont encore à l'essai.
Une idée novatrice, trois principes physiques
Une idée novatrice, trois principes physiques
La sustentation magnétique
L’Hyperloop est un train se basant sur le principe de sustentation magnétique. En effet, pour léviter, il utilise ce phénomène fréquemment employé pour améliorer les moyens de transport, c'est par exemple le cas du Transrapid à Shanghai. Cette technologie se sert de la polarité inversée de deux électroaimants pour faire léviter le train. Ainsi, d’après les lois magnétiques, les faces nord et nord (comme sud et sud) se repoussent et le train se trouve alors soulevé par cette force, qui s'exerce des rails vers la nacelle.
Afin d'optimiser les utilisations d'énergie un nouveau système ingénieux tente d'être mis en place. En effet, des bobines de fils de Litz (fils hautement conducteurs) non alimentées recouvrent la rampe de l’Hyperloop et des aimants permanents sont situés dans la capsule pour créer la sustentation magnétique. Le champ magnétique alors produit avec la vitesse permet de faire disparaître les frottements entre la nacelle et le rail, ce phénomène est permis par une des 4 interactions fondamentales, l'interaction électromagnétique. Elle permet au train d'être maintenu au centre du tube et que tout déraillement soit impossible, on parle de sustentation magnétique passive.
Contrairement aux autres trains, l’Hyperloop utilise la sustentation magnétique différemment, ce qui le rend innovant. Effectivement, l’Hyperloop utilise ce procédé inédit et le combine à d'autres principes physiques. L'efficacité est donc moins importante chez les autres trains.
Schéma explicatif du fonctionnement de la sustentation magnétique de l'Hyperloop
Configuration du tunnel de l'Hyperloop One
<== GIF tiré d'une vidéo de spaceX, voici un des tests effectué lors de l'Hyperloop pod Competition, nous pouvons voir l'effet de la sustatention magnétique.
La propulsion électromagnétique
L’Hyperloop est novateur car il n'a pas de roues et est directement attaché à la voie par une lame d’aluminium, appelé "rotor", qui coulisse entre deux rangées d’électroaimants, "stator", qui permettent de faire accélérer le train. On appelle ce phénomène la propulsion électromagnétique et elle s'appuie sur cette même interaction fondamentale utilisé pour la sustentation magnétique, l'interaction électromagnétique. Le principe physique est le même mais il n'a pas le même usage.
Grâce à cette technologie, le train avance à l'aide des forces d'attractions et des forces de répulsions cycliques entre la lame et les électroaimants. Un électroaimant produit un champs magnétique seulement lorsqu'il est alimenté par un courant électrique. Dans ce dispositif, un courant alternatif parcoure les électroaimants et entraîne une inversion de leurs polarités. Ainsi la lame adopte une polarité (nord ou sud) sous l’effet des champs magnétiques et est attirée puis repoussée par le changement de polarité d’un électroaimant. Ce mécanisme cyclique se déroule tout au long du trajet et fait avancer le train.
Simulation de trajet de l'Hyperloop afin de prendre connaissance des performances qu'il pourrait atteindre dans sa configuration finale grâce, en partie, à la propulsion électromagnétique.
Schéma de la propulsion électromagnétique de l'Hyperloop
Image représentant l'attraction et la répulsion entre les aimants.
La réduction de la résistance à l'avancement
Le train utilise donc la sustentation magnétique afin de diminuer les forces de frottement avec les rails et donc éviter le ralentissement du train. Elon Musk a aussi décidé de faire circuler l'Hyperloop à l'intérieur d'un tube où la pression est 1000 fois plus faible que la pression atmosphérique (1013 hPa), ce qui permet de réduire les forces de ralentissement de l’air sur le train. En effet, l'air exerce une résistance sur tout objet ayant une vitesse, cette force exercé par l'air sur la nacelle est opposé à son sens de déplacement. Cette résistance est d'autant plus importante que la vitesse de l'objet est grande. Elle aurait donc un impact direct et très important sur le ralentissement de l'Hyperloop, qui rappelons le a une vitesse prévue de 1080 km.h−1.
En outre, dans un tube avec une pression atmosphérique normale il existe une propriété physique nommé la limite de Kantrowitz, qui résulte des résistances énumérés auparavant. Cette limite représente la vitesse maximale que peut atteindre un objet dans un tube. Cela donne alors une raison de plus à l'Hyperloop de circuler dans un tube sous "vide".
Nous pouvons alors nous demander pourquoi la vitesse de 1080 km.h−1 a été retenu par Elon Musk dans son cahier des charges. La réponse et simple, l'Hyperloop ne doit pas dépasser la vitesse du son (1220 km.h−1) car lorsque l'on franchi une vitesse supersonique une onde de choc se crée, c'est le "bang supersonique". Cette onde de choc pourrait alors s'avérer très dangereuse pour l'infrastructure mais surtout pour les passagers.
De plus, avec une telle vitesse les nacelles s’échaufferaient très vite si elles circulaient avec une pression atmosphérique normale. C'est donc pour ces raisons que l'idée de faire circuler l'Hyperloop dans un tube presque sous vide est très avantageuse.
Graphique représentant l'évolution de la vitesse dans le vide et dans l'air en fonction du temps, la limite en pointillés représente la limite de Kantrowitz.
Onde de choc crée lors du passage du "mur du son"
Profils du shinkansen et du martin-pêcheur
Le design de l’Hyperloop ne serait pas seulement esthétique, il serait aussi pratique. En effet, pour ne pas être ralenti par l’air (déjà pressurisé), le train ne dépasserait pas 1.10m de hauteur sur 1.35m de largeur. De plus, il adopterait une forme allongée pour mieux pénétrer l’air, la résistance de forme est alors minimisé grâce aux courbes du train qui le rendent aérodynamique. Son esthétique se rapproche de celui du Shinkansen, train à grande vitesse japonais lui-même inspirer des martin-pêcheurs et a pour but de réduire la résistance a l'avancement du transport. Il s'agit alors de biomimétisme.
Cet objectif est largement atteint puisque grâce à ces deux procédés, la pressurisation de l’air et le design spécifique du train, la force de trainée n'est seulement de 320 Newton, ce qui représente une force d'environ 32 kg. Alors que, si l'Hyperloop circulait avec une pression atmosphérique normale (hors d'un tube) la résistance de l'air sur lui serait très important. Il serait approximativement égale au carré de sa vitesse en m.s−1 et il s'agirait essentiellement de résistance de forme :
F = V2 A.N: F=3302=1,1.105 N.
- F : Force exercé par l'air sur l'Hyperloop (en N)
- V : Vitesse de l'Hyperloop (en m.s−1)
Par ce calcul, nous nous rendons alors compte a quel point l'absence d'air est indispensable au fonctionnement de l'Hyperloop puisque la résistance à l'avancement est 105 plus importante avec une pression atmosphérique normale.
L'Hyperloop le train de demain
L'Hyperloop le train de demain
L'innovation de l'Hyperloop faite par Elon Musk pourrait tant apporter au monde des déplacements. En effet, ce train est attendu comme une véritable révolution, car il est plus rapide qu'un avion, aussi pratique qu'un train, la sécurité et la fiabilité du système Hyperloop sont la priorité absolue et les pods voyagent de manière extrêmement efficace et tirent leur énergie des sources d’énergie renouvelables.
Un train plus rapide
De plus en plus de technologies inventées de nos jours ont pour but de gagner du temps dans son utilisation et pour son utilisateur ; en effet, le gain de temps est devenu une priorité et ce dans beaucoup de domaines (traitements de données, transports, communication, etc). La société actuelle fait de plus en plus appel à ces technologies car elle est en train de se mondialiser, les moyens de transports ont donc besoin d’être plus rapides et plus efficaces.
L’Homme de demain a donc besoin d’un moyen de transport efficace et rapide, pouvant parcourir de grandes distances en très peu de temps et l'Hyperloop semble pouvoir répondre aux besoins des populations d'aujourd'hui et de demain.
<== Prototype de l'hyperloop-one
L’Hyperloop raccorderait les 835 kilomètres qui relient ces deux villes majeures de France en 1 heure. Il atteindrait ainsi une vitesse de croisière de 1080 km.h−1, soit environ deux fois plus vite que n’importe quel moyen de transport terrestre et près de 1.5 fois plus rapide qu'un Boeing 737.
Sur le site d'Hyperloop one de Virgin, il est proposé une petite expérience qui nous permet de simuler le temps de trajet de l'Hyperloop one entre deux villes données. Nous avons donc fait le test pour un voyage de Lille à Marseille et nous remarquons directement que sur des trajets tels que celui-ci le temps de parcours est largement réduit. Par conséquent, un moyen de transport comme l'Hyperloop est très avantageux et pratique pour les usagers. Par exemple, des habitants de Lille pourraient se rendre à Marseille chaque jour pour travailler. En outre, l'Hyperloop aurait la capacité développer le tourisme et ainsi dynamiser les territoires, il permettrait de stimuler l'économie des pays. Nous observons ici qu'avec l'Hyperloop le temps de trajet Lille-Marseille est divisé par 4 par rapport à un trajet effectué par avion ou par train. Cela peut sembler hallucinant, en effet, l'avion a une vitesse de croisière proche de celle du train de chez Virgin. Cependant, lorsque l'on prend l'avion les temps d'attentes sont très importants : enregistrement, récupération des bagages, etc... L'Hyperloop a la particularité d'être très pratique, effectivement, il n'y a aucun temps d'attente, le rapport distance temps est alors optimal.
Comme nous avons pu le voir précédemment, une telle vitesse est possible grâce aux principes de sustentation magnétique, de propulsion électromagnétique et de circulation du train dans un tube sous "vide". Par conséquent, grâce à ces procédés s'appuyant sur des propriétés physiques, toutes les forces de frottement sont minimisées ou même supprimées. Ainsi, la propulsion de l'Hyperloop à 1080 km.h−1 est rendu possible par la suppression des contraintes, qui permettent de pousser la propulsion électromagnétique à son paroxysme.
Un train plus sécurisé
Le créateur du projet Hyperloop, Elon Musk a tenu à ce que le problème de la sécurité soit mis au centre du projet et a étudié de près ce facteur depuis le début du projet. En effet, la vitesse impressionnante à laquelle se déplace ce train subsonique peut intimider les voyageurs. Gagner leur confiance totale a pris une place non négligeable dans les travaux des ingénieurs.
Depuis le début de son élaboration, Elon Musk insiste sur le fait que l’Hyperloop possède des avantages sur le plan de la sécurité par rapport aux autre moyens de transports.
L’Hyperloop repose sur les champs magnétique créés tout au long du tube, grâce à cette force il ne peut donc en aucun cas dérailler, ni entrer en collision avec le tube ou une autre nacelle. C'est la sustentation magnétique qui permet à la nacelle de rester stable et d’éviter tous contacts avec le tube, elle est rendu possible par la vitesse de l'Hyperloop, le train lévite que lorsqu'il est en mouvement, l'électromagnétisme est à l'origine de cette vitesse. En résumé, le magnétisme est passif .
L’Hyperloop serait ainsi le moyen de transport le plus sûr, puisqu’il ne peut provoquer aucun accident, de plus, du fait qu'il lévite, il est résistant aux tremblements de terre.
Les capsules sont aussi équipées d’opérateurs, à l’intérieur des stations, afin d’être en contact et de gérer les situations d’urgence. Elles sont aussi munies de matériel de secours.
De plus, grâce au fait que les voyages sont courts (30 minutes en moyenne), lors d'incidents les secours pourront intervenir plus facilement et dans de meilleurs conditions. L’intervention serait alors beaucoup plus rapide, par exemple, lors d’un incident qui arriverait durant le vol d’un avion, ou pendant un voyage en train, auquel cas les secours mettraient beaucoup plus de temps à arriver. Ainsi, les potentiels accidents de l'Hyperloop auraient une bien meilleure prise en charge que les accidents d'autres transports, les bilans seraient alors moins lourds. De plus, il deviendrait le transport le plus sur devant l'avion.
Un train plus économe en énergie et plus écologique
L’Hyperloop n’apporterait pas de complications au niveau écologique, au contraire, il serait très respectueux de l’environnement. Effectivement, il polluerait moins que n’importe quel autre moyen de transport connu à ce jour.
Contrairement à l’avion, qui a un taux de pollution élevé, la voiture très nocive pour l’environnement, ou encore le bateau qui détruit la biodiversité marine, l’Hyperloop ne serait pas néfaste pour notre environnement.
En effet, l'Hyperloop utilise l'électromagnétisme afin de se propulser, il a donc seulement besoin d'un courant électrique peu important. Or de nos jours, le respect de l’environnement et le problème de l’écologie figure dans les priorités des scientifiques à l’origine de la création de futurs moyens de transport. Ils ont donc effectués des recherches et ont conclus que les énergies renouvelables sont suffisantes pour alimenter la structure de l'Hyperloop.
Par conséquent, ce train subsonique n'utiliserait uniquement des énergies propres et provenant de sources durables.
Graphique comparatif de l'Hyperloop et des autres moyens de déplacements, le côté économe et la rapidité de ce train sont mis en valeur
Elon Musk a effectivement déclaré que l'alimentation générale serait produite par des panneaux solaires disposés directement sur la structure, rendant le réseau autosuffisant en énergie. D'autant plus qu'il n'en consommerait que très peu.
Cependant, sur les tests que l'on peut voir des différents concurrents à la course vers l'Hyperloop il n'y a aucun panneau solaire et aucune éolienne. Néanmoins, nous pouvons rejeter la faute sur le fait que se ne sont encore que des essais et que l'intégration d'électricité d'origine renouvelable n'a aucun intérêt dans le principe même de l'Hyperloop. De plus, les énergies renouvelables sont très bien maitrisées par l'Homme et il ne serait pas difficile pour lui de l'intégrer à n'importe qu'elle système peu gourmand en électricité.
Avantages et inconvénients
Avantages et inconvénients
Comme nous l’avons dit précédemment, l’Hyperloop possède de nombreux avantages tels que sa rapidité, sa sécurité ou encore son économie d’énergie et son empreinte écologique extrêmement basse. Mais il bénéficie d’autres atouts tels que son confort, sa résistance aux séismes ou encore son coût très peu élevé.
En effet, les capsules du train ne font que 1,10m de hauteur et les passagers devront être obligés de voyager dans un siège assis mais avec une inclinaison vers l'arrière assez importante, assimilable à un transat. Nous pouvons alors penser qu'il s'agit d'un inconvénient, mais en réalité cela est en fait pensé pour le confort et la sécurité des voyageurs, car la position adoptée leur permettrait de supporter la forte accélération des nacelles. De plus, le trajet ne dépasserait pas trente-cinq minutes et serait très silencieux et agréable.
Elon Musk a aussi prévu que son projet soit résistant aux séismes. Effectivement une grosse partie des dépenses dues au projet servira à la construction de la ligne. Les lignes seront ainsi supportées par des pylônes d’une forte solidité qui résisteront au séismes. Cette technologie sera particulièrement efficace, dans les régions où les tremblements de terre sont de plus en plus fréquent, comme aux Etats-Unis ou au Japon.
Autre avantage de taille : l'Hyperloop serait à l'abri des complications dues aux intempéries. Par exemple, il n'y aurais pas de retard pour cause d'enneigement, comme il est souvent lieu avec des TGV classiques.
Malgré ces points positifs, l’Hyperloop possède quelques légers points négatifs.
Effectivement, son coût de construction serait déjà un inconvénient, car baisser la pression d'air dans le tube est une procédure qui coûte très cher et qui demande relativement beaucoup d'énergie. Cependant, nous avons vu que ce paramètre est indispensable car il permet au final une vitesse subsonique et une économie d'énergie sans précédent. Par conséquent l'énergie dépensé à mettre le tube sous "vide" est largement compensé par l'économie réalisée avec les méthodes de propulsion et de lévitation. De plus cette énergie provient d'énergies renouvelables.
Le coût de construction resterait tout de même abordable, puisque les travaux entrepris pour réalisé un réseau Hyperloop serait inférieur à 75 millions de dollars par km, selon les estimations. Alors que le coût de construction d'une ligne à grande vitesse est supérieur à 76 millions de dollars par km. De plus, malgré le coût de construction, le billet ne sera que d'environ 20 dollars (15 euros environ).
Nous pouvons aussi ajouter que le temps de développement de ce transport est très important. Le projet a été lancée il y a 5 ans et aucun réel voyage de test n'a encore été entrepris pour le moment. Seul des tests sur une ligne de 1,6 kilomètres n'ont été fait. Cependant, cela peut s'expliquer par le fait que ce moyen de transport relève du jamais vu. En effet, qui aurait pu s'imaginer il y a 10 ans qu'il existerai un train volant propulsé à une vitesse proche de celle du son et tout cela dans un tube sous vide. Encore aujourd'hui cela peut paraitre invraisemblable, à part pour vous lecteur qui vous rendez compte qu'il n'y a rien de sorcier mais que tout est du à la physique.
En outre, une des principales contraintes de l’Hyperloop est le fait que celui-ci, par sa vitesse, ne peut pas tourner, car cela serait dangereux pour les passagers qui se trouveraient plaqués contre leurs sièges et pourraient alors être blessés par la ceinture ou encore faire un malaise. En ligne droite, lorsque l'Hyperloop est en vitesse de croisière (1080 km.h−1) les passagers subiraient jusqu'à 1,3 fois la force gravitationnelle. Cela représente la force reçu par les passagers lors d'un décollage, cette force n'est pas très importante. Néanmoins, lors d'un virage cette dernière pourrait être multiplié par 5. Par conséquent l’Hyperloop ne pourra pas contourner les obstacles, comme le font les autres transports. Elon Musk prévoit donc de ériger des tunnels dans l'optique de garantir confort, sécurité et rapidité à l'Hyperloop
L'Hyperloop est un transport dont toutes les recherches ont été orientées dans l'optique de le rendre indispensable pour la société de demain. Effectivement, les longues études et les tests effectués ont pour but de développer un transport révolutionnaire et durable, à la fois d'un point de vue économique et environnemental. Il pourrait littéralement bouleverser notre manière de nous déplacer et ainsi bousculer notre mode de vie.
En effet, il serait d'une aide très précieuse pour assurer la cohésion entre les grandes villes françaises. Ce futur moyen de déplacement répond ainsi aux enjeux de demain. Couplé avec d'autres technologies, il pourrait même devenir le transport le plus rapide du monde, toutes catégories confondues.
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