Italo treno: come funziona un treno ad alta velocità?

Il concetto di treno nasce molto tempo fa, sin dall’epoca dei Romani venivano utilizzati dei mezzi simili nelle miniere. Si trattava di corti convogli composti da carrelli uniti tra loro, senza uso di binari o tal volta con rudimentali guide in legno, trainati da bestie da soma o da schiavi. Gli ingegneri di quei tempi arrivarono a rinforzare con fodere metalliche le classiche guide, le quali da sole tendevano ad usurarsi molto velocemente. In seguito si svilupparono le prime vere rotaie, predisponendo l’organo di guida (costituito da un bordino) direttamente sulle ruote dei cassoni.

Dalle locomotive a vapore ai moderni treni ad alta velocità

Nel tempo le ricerche e la tecnologia avanzarono per raggiungere un sensibile aumento della capacità di generazione di energia con impianti relativamente compatti e potenti. Nel 1769 le macchine a vapore di Cugnot dimostrarono che era possibile generare energia meccanica direttamente a bordo del mezzo stesso. Così quest’ultime si diffusero notevolmente in Europa e ciò portò ad un forte rialzo della richiesta di carbone e i produttori dovettero necessariamente aumentare l’efficienza e la velocità del trasporto di questo materiale. Dunque nelle cave si cominciò a sostituire la trazione animale che smuoveva i convogli con veri e propri meccanismi fatti di corde e pulegge, azionati da sistemi a vapore, tra i quali ci sono quelli celeberrimi di James Watt.

Nel 1825 Stephenson mise a punto la Locomotion n.1 che trainò il primo treno commerciale della storia, costituito da carri da miniera e dalla prima carrozza passeggeri della storia, chiamata “Experiment”, tutto questo alla velocità di crociera di ben 9 km/h. Dopo l’enorme successo, questo mezzo di trasporto pubblico si diffuse rapidamente in tutta Europa e già dopo 20 anni era possibile viaggiare a 96 km/h in alcuni tratti della rete ferroviaria inglese. In Italia questa rivoluzionaria tecnologia sbarcò nel 1839 con l’inaugurazione della tratta Napoli-Portici. In meno di trenta anni il treno assunse un ruolo fondamentale nella società industriale, dato che sia merci che persone potevano circolare in maniera massiccia e velocemente all’interno dello stato.

Nel ventesimo secolo si progredì verso nuovi sistemi di locomozione con motori diesel e elettrici, che si svilupparono sopratutto tra le due guerre mondiali. Durante queste venivano usati convogli corazzati e armati di cannoni mobili anticarro e antiaerei per difendere e pattugliare posizioni strategiche, ma anche come ospedali mobili. Nel dopoguerra, durante gli anni cinquanta e sessanta, l’industrializzazione e l’inurbamento portarono a un incremento della richiesta di trasporto su scala locale, sopratutto per collegare le periferie con i centri cittadini. Inoltre la presenza di due cabine di comando (una per ogni estremità), permetteva di evitare di sganciare e spostare la locomotiva in testa al gruppo nelle stazioni di fine tratta, aumentando di molto la frequenza delle corse.

All’inizio degli anni settanta la necessità di tornare competitivi con il mondo dell’aviazione spinse alcuni stati a lavorare su progetti riguardanti l’alta velocità, come il Giappone che creò i primi “treni-proiettile”. In Europa, invece, assoluti protagonisti di questa innovazione furono Francia con i suoi TGV (Train à Grand Vitesse) e Italia dove attualmente corrono letteralmente le Frecce di Trenitalia e il sempre più presente Italo treno.

Come funziona un treno ad alta velocità?

Fino agli anni ottanta circa, i treni si muovevano sopratutto sulla linea elettrica DC (Direct Current), cioè a corrente continua. Proprio in quel periodo ci fu però un’importantissima innovazione in ambito ferroviario, la quale viene utilizzata tutt’oggi anche in altri settori come l’automobilismo: stiamo parlando del motore a corrente alternata. Ci fu dunque una rapida diffusione di questa nuova tecnologia dato che si usurava meno rispetto a quella tradizionale e consentiva ai convogli di essere più potenti e di consumare meno energia. Pertanto le linee aeree furono convertite ovunque per supportare la AC (Alternating Current), tuttavia i vecchi treni potevano comunque continuare i loro servizi grazie ad un sistema posto a bordo chiamato raddrizzatore, che riesce appunto a raddrizzare un segnale alternato.

Concentriamoci ora sulla vera domanda: come funziona un motore a corrente alternata? Esso è formato da una parte mobile chiamata rotore, il quale contiene una serie di filamenti elettrici (spira), e da una parte fissa detta statore, caratterizzato dalla presenza di vari avvolgimenti posti tutt’intorno ad un corpo metallico. Una volta elettrificati, cioè quando si lascia fluire la corrente elettrica, il secondo si comporta come un grosso magnete che cambia direzione nel tempo. Questo fenomeno è dato da un principio dell’elettromagnetismo, cioè la legge FNL (Faraday Neumann Lenz), e il motore funziona esattamente come un generatore, ma al contrario. Infatti il campo magnetico del rotore continua a variare nel tempo, facendolo girare su stesso come una trottola. Questa rotazione che equivale ad una coppia rotante (momento), verrà poi trasferita in modo meccanico alle ruote del treno e ne consentiranno il movimento. Più coppia è in grado di fornire il motore e più veloce andrà il convoglio.

Al giorno d’oggi il meccanismo di trazione più utilizzato nelle ferrovie sono i PMM (Permanent Magnet Motors), che risulta essere più compatto, poco rumoroso, con consumi molto minori e con rapporto peso-potenza più alto. Quest’ultima tecnologia viene impiegata su Italo treno e gli permette di raggiungere velocità elevatissime.

Nascita della società NTV e la tecnologia degli AGV 575

Nel 2006 Luca Cordero di Montezemolo, Diego della Valle, Gianni Punzo e Giuseppe Scianone decisero di lanciarsi nel mondo ferroviario fondando NTV (Nuovo Trasporto Viaggiatori), con l’intento di competere sulla scena dell’alta velocità italiana. Nel 2008 la società cambiò il proprio assetto societario con l’ingresso di Intesa San Paolo seguita da Societé Nationelle des Chemins de fer Français (SNCF). Nello stesso anno affidarono alla grande industria Alstom la costruzione di ben 25 convogli del tipo AGV 575 di ultima generazione, così che il 28 aprile 2012 il primo Italo treno poté correre sulla tratta Milano-Napoli, dando il via all’attività commerciale vera e propria.

Gli AGV (Automotrice Grande Vitesse) di questo genere sono progettati per viaggiare a 360 km/h in estrema sicurezza. Dispongono di ben 462 posti a sedere distribuiti su 11 carrozze (200 m di lunghezza totale). Viaggiano in Italia a 300 km/h su disposizione delle norme EU e costituiscono una grossa innovazione in ambito ferroviario. L’aspetto più importante è sicuramente la ripartizione del motore lungo tutto il convoglio (in corrispondenza dei carrelli), che prima era invece concentrato tutto sulle motrici di testa e coda. L’utilizzo di questa nuova tecnologia su Italo treno garantisce molti aspetti positivi come:

1. Più spazio per i passeggeri (capienza incrementata del 20%)
2. Eliminazione di gran parte delle vibrazioni e del rumore prodotto dal movimento
3. Ammortizzamento del movimento reciproco tra le carrozze
4. Ottimizzazione dell’aerodinamica laterale
5. Insieme all’uso di materiali compositi e con sistemi di trazione ulteriormente perfezionati vengono risparmiate ben 70 tonnellate sulla massa totale

I truck alloggiano appunto motori sincroni a magneti permanenti (PMM), nei quali la velocità di rotazione del rotore è sincronizzata alla frequenza della corrente elettrica, caratterizzati da eccellente potenza (rapporto peso-potenza pari a 7500 KW/374 tonnellata, ossia superiore del 23% rispetto alla concorrenza) e al contempo da una riduzione nella massa e nel volume. Quest’ultimo accorgimento insieme alla nuova architettura del convoglio, che possiede un numero ridotto di carrelli (meno turbolenza e dunque meno resistenza dell’aria), e al nuovo design aerodinamico, hanno permesso di ridurre i consumi energetici del 15% rispetto al TGV francese. La nuova disposizione di Italo treno favorisce anche la sicurezza massima per i passeggeri. Essa è infatti garantita dai criteri di dimensionamento della struttura della cassa e dal sistema di assorbimento di energia che rispondono alle norme europee. Le carrozze sono dunque collegate tra loro tramite un carrello e ciò comporta maggiore rigidità dell’insieme, migliore resistenza al vento laterale e in caso di deragliamento evita la disposizione “a fisarmonica” del mezzo.

Queste migliorie a livello meccanico non hanno comunque compromesso il comfort a bordo di Italo treno, il quale invece è stato attentamente studiato. La larghezza del vagone è di 3 m, con uno spazio interno pari a 2,75 m e l’accesso alla carrozza è reso più facile dal pavimento più basso di 10 cm. Gli spazi sono dunque stati ottimizzati al meglio in modo da garantire l’ergonomia dei passeggeri, con corridoi abbastanza larghi da permettere incroci anche con bagagli di medie dimensioni, e anche del conducente, che dispone di una cabina conforme ai programmi internazionali European Driver Desk ed European Cabin, consentendo a quest’ultimo di impadronirsi della postazione di comando velocemente per un utilizzo ottimale.

NTV oggi e i nuovi treni Pendolino

Dal 2012 fino al 2017 ci sono stati vari cambiamenti di vertice all’interno della NTV, fino al ritorno di Montezemolo che rivestì di nuovo la carica di presidente. In quest’ ultimo anno la società, con l’intenzione di aumentare il numero e quindi la frequenza delle corse, ha commissionato ad Alstom inizialmente la costruzione di 12 nuovi Italo treno di tipo Pendolino, numero che poco dopo è stato alzato a 17.

I nuovi convogli, denominati anche EVO, possono raggiungere la velocità massima di 250 km/h e hanno una capienza di 472 passeggeri distribuiti su 7 carrozze (187 m di lunghezza totale). Essi posseggono varie caratteristiche degli AGV 575 come il sistema di trazione ripartito sui vari carrelli, i quali sono stati diminuiti in numero. Questi due accorgimenti portano ad ulteriori qualità già viste nel paragrafo precedente. Nuova tecnologia che  è invece stata integrata su questo genere di Italo treno è la capacità di rigenerare energia elettrica in frenata (sistema usato sulle vetture di Formula Uno). Per gli EVO è stato ridisegnato il muso che ora garantisce maggiore sicurezza per il macchinista e migliori prestazioni aerodinamiche, le quali contribuiscono al raggiungimento della velocità di punta e alla riduzione dei consumi.

Punto di forza del nuovo Italo treno sono appunto le performance elevate, l’affidabilità e l’efficienza ambientale, che è stata ulteriormente incrementata costruendo le carrozze con materiali riciclabili e facendo riferimento ai vari criteri di eco-sostenibilità per garantire ridotte emissioni di CO2 nell’atmosfera. Anche il comfort a bordo è stato leggermente migliorato predisponendo per ogni passeggero una presa di corrente e una porta USB, in modo che sia possibile ricaricare velocemente i propri devices. Quest’ultimo accorgimento, insieme alla potente wi-fi montata a bordo, sono stati pensati per permettere a chiunque di continuare a lavorare anche durante il viaggio, in totale comodità.

I nuovi Italo treno verranno messi sui binari, pronti per affrontare la loro carriera, durante il 2018. Anno in cui l’impresa ha cambiato il suo nome da NTV a “.Italo” e ha presentato la domanda di ammissione presso la CONSOB (Commissione Nazionale per le Società e la Borsa) per essere quotata alla Borsa di Milano (18 gennaio). Il 7 febbraio invece l’azienda viene ceduta con il rammarico di alcuni azionisti alla società statunitense Global Infrastructure Partners per quasi 2 miliardi di euro. Quest’ultima ha deciso di investire nell’alta velocità Italiana e per molti soci dell’ex Nuovo Trasporto Viaggiatori è stata la giusta occasione per “fare cassa”.

Quanto consuma un treno ad alta velocità?

Meccanismi così possenti e veloci inquineranno sicuramente di più rispetto ad altri mezzi.. In realtà non è così: vediamo perché. Innanzi tutto facciamo una premessa, quando si parla di consumi energetici di questo tipo, l’unità di misura da prendere in considerazione è kWh per p-km, ossia chilowatt/ora per passeggeri per chilometri. Secondo il fisico inglese David JC Mackay, i convogli ad alta velocità come Italo treno che viaggiano a pieno carico consumano 3 kWh per p-km. Perciò per trasportare 100 passeggeri per un chilometro sono necessari 3 kWh, che equivalgono all’energia per fare tre lavatrici. In comparazione, un’utilitaria che usa 8,5 l di benzina per percorrere 100 km avrà un consumo di 80 kWh per p-km, ovvero 27 volte maggiore rispetto al dato precedente.

L’alta efficienza dei mezzi su rotaie è data dalla minima superficie esposta alla resistenza dell’aria per passeggero, grazie alla forma lunga e affusolata dei convogli e al particolare design aerodinamico. Importanti sono anche il basso peso del veicolo in relazione ad ogni persona seduta, la velocità più o meno costante e l’uso minimo dei freni. La rete ferroviaria è infatti studiata in modo tale che si incontrino il minor numero di ostacoli lungo il percorso e in particolare gli Italo treno e le Frecce di Trenitalia effettuano pochissime fermate, così che il tempo di viaggio sia ridotto all’estremo. Dunque l’alta velocità emette quantità di CO2 fino al 90% inferiori rispetto a mezzi di trasporto tradizionali come auto e aerei, in relazione alla stessa distanza percorsa. Questo dato si raggiunge sopratutto grazie ai motori elettrici (presenti anche su Italo treno) che producono un’energia utile quasi doppia rispetto a quelli a combustione interna, a parità di consumi.

I treni in un futuro sempre più presente

La tecnologia sta progredendo sempre più e punta dritta nella direzione della eco-sostenibilità, cercando di ridurre al minimo o addirittura annullare definitivamente il rilascio di CO2 nell’ambiente. Da questo punto di vista la ditta Alstom ha fatto un decisivo passo in avanti costruendo il primo treno, chiamato Coradia iLint, che usa come combustibile l’idrogeno. Un’intera flotta di questi convogli circolerà nella bassa Sassonia (Germania) dal 2021 e costituiranno dunque una validissima alternativa alle tradizionali motrici con motore diesel, utilizzati lungo le tratte dove non sono presenti le linee elettriche aeree. Questi mezzi innovativi hanno un’autonomia di 1000 chilometri con un pieno di idrogeno e possono raggiungere la velocità massima di 140 km/h.

Un’altra grandissima tecnologia che probabilmente rappresenta il futuro dell’alta velocità nel mondo, si basa su un semplice principio della fisica, cioè il respingimento reciproco tra magneti con polarità opposta. Convogli di questo genere vengono detti a levitazione magnetica e non poggiano su rotaie, ma viaggiano sospesi a centimetri da terra. In questo modo viene eliminato l’attrito radente generato dal contatto con il suolo e l’unica forza che si oppone al moto rimane la resistenza dell’aria. È così possibile raggiungere velocità elevatissime mai toccate prima da mezzi di trasporto di massa terrestri. Nel 2015 in Giappone, lo Shinkasen LO Series si è aggiudicato un record al riguardo raggiungendo i 603 km/h durante un collaudo. Questo portento ingegneristico verrà usato per collegare le città di Tokyo e Osaka percorrendo 430 chilometri in appena 40 minuti, andando però ad una velocità più sicura di 550 km/h.

In Italia la scuola superiore Sant’Anna di Pisa sta lavorando su questa promettente tecnologia con il progetto IronLev, il quale sarà disponibile come prototipo nel 2020. Punto di forza è il costo ridotto rispetto alla concorrenza giapponese, grazie al minimo utilizzo possibile di energia elettrica in quanto fa leva sulle proprietà fisiche di alcuni materiali impiegati nella costruzione. Magari in futuro, sfruttando questa innovazione, Italo treno o le Frecce di Trenitalia riusciranno a portarci da Roma a Milano in circa un’ora.

Ancora più prestante è il visionario sistema ideato da Elon Musk. Quest’ultimo ha già dimostrato di saper ragionare oltre gli schemi, tenendo sempre e comunque un occhio puntato al futuro (ad esempio proponendo il viaggio su Marte nei prossimi 10 anni). Infatti il mondo si fa sempre più piccolo e sta diventando una necessità collegare ogni angolo del pianeta in tempi brevissimi. Così è stato pensato Hyperloop One, consistente in un convoglio a levitazione magnetica che viaggia isolato in un tunnel. Questo stratagemma permette di eliminare quasi completamente le forze resistive e portare dunque il mezzo ad una velocità di 1200 km/h. Sarà perciò possibile raggiungere Los Angeles da San Francisco in mezz’ora, invece che in 6 ore. Questa tecnologia supersonica è però ancora in fase di sperimentazione e si riscontrano da subito problemi legati alle accelerazioni troppo elevate.