Med fler människor på väg för hållbar höghastighetståg, kommer minskad buller och sofistikerad trafikledning att öka användningen.

Visslan som kommer nerför spåren är ljudet av Europas järnvägsrenässans. På väg runt kurvan kommer ökad användning av höghastighetstågtransporter som lovar att minska vägtrafiken och minska skadliga utsläpp. Bilar är stora bovar i luftföroreningar och står för 14,5 % av Europas totala koldioxidutsläpp. Ungefär hälften av flygningarna i Europa är korta sträckor på mindre än 1 500 km, vilket genererar många fler utsläpp än motsvarande resa med järnväg.

Den europeiska Green Deal-policyn innehåller planer på att fördubbla höghastighetståg till 2030 och tredubbla det till 2050. För närvarande transporteras 75 % av godset på väg, så transporten av gods på järnväg kommer att fördubblas till 2050.

Att göra tågen mer konkurrenskraftiga med väg- och flygresor innebär marknadsreformer och förbättringar av passagerarupplevelsen samt infrastrukturella uppgraderingar. Att prioritera hållbara järnvägstransporter lovar betydande fördelar, men tyvärr kommer det med osynliga faror i sig och inte bara för passagerare.

Låg frekvens

En av de mindre kända farorna med järnvägstransporter är den typ av buller som ingen kan höra. Ohörbara, lågfrekventa markvibrationer utgår från den rullande materielen på järnvägen när den passerar. Förutom att påverka den strukturella integriteten hos närliggande infrastruktur, kan dessa vibrationer ha en skadlig effekt på människors hälsa och orsaka huvudvärk, trötthet och till och med irritation hos människor som upplever dem.

"Just nu är det möjligt att minska vibrationerna genom att sätta gummikuddar under spåren", säger Giovanni Capellari, medgrundare av Phononic Vibes. "Det systemet är okej för nya järnvägar eftersom man kan sätta in dem under bygget." Hans företag är specialiserat på buller- och vibrationsteknik. För en befintlig järnväg är gummikuddar väldigt dyra eftersom man måste ta bort spåren för att installera dem, enligt Capellari.

BioMetaRail-projektet forskar och utvecklar speciella nedsänkta barriärer som kan placeras ut längs banan för att absorbera vibrationerna. Barriärväggarna förlitar sig på sin form för sin brusreducerande prestanda, snarare än materialets egenskaper.

Dessa syntetiska kompositmaterial är kända som metamaterial och har designeregenskaper som inte finns i naturen. Deras interna strukturer är konstruerade för att interagera med de lågfrekventa ljudvågorna från ett passerande tåg för att fånga och isolera mot dem.

"I grund och botten är tanken att vi använder former som har vissa resonanseffekter vid frekvenser som är typiska för vibrationer i järnvägssektorn," sa Capellari. I detta sammanhang är vibrationsfrekvensen vanligtvis mellan 30 och 60 Hertz. Resultatet är en design för en två gånger tre meter betongkonstruktion som liknar ett stort fönster.

Detta fungerar för mycket låga frekvenser, vilket är mycket bra för järnvägståg. Dessutom kan "fönsterrutorna" delas upp i ännu mindre storlekar för att fånga ett bredare frekvensområde.

Distinkt design

Om panelerna inte hade sin distinkta form och design och bara var plattor av betong skulle de inte kunna stoppa tågets markburna vibrationer lika effektivt som BioMetaRails barriärer. För att underlätta installationen finns det inget behov av att lyfta järnvägslinjen eftersom dessa paneler kan sättas in i marken längs banan som ett nedsänkt staket, för att skydda grupper av bostäder eller byggnader.

Forskargruppen undersöker också det ideala materialet, tjockleken och storlekarna på barriärerna för deras vibrationsdämpande effekter.

Capellaris BioMetaRail-projekt är en utlöpare av BOHEME-projektet, som står för Bio-Inspired Hierarchical MetaMaterials. BOHEME undersöker och utvecklar olika typer av mekaniska metamaterial inspirerade av principer som finns i naturen.

Från spindelnät till skalvirvlar, BOHEME karakteriserar naturliga system och studerar deras möjliga tillämpningar. "Målet är att ta resultaten från BOHEME och försöka förstå den bästa geometrin (för järnvägsbarriärerna) med tanke på marknaden, kostnaden, produktionen och installationen", säger Capellari.

"Nästa steg är att gå ut på marknaden", sa han, samt skaffa certifiering för det vibrationsblockerande ingreppet. "Det finns inget sådant system på marknaden just nu."

I slutändan kommer dessa paneler att ligga längs med spåret i bostadsområden, vilket gör att järnvägsnäten kan öka sin tågtrafik avsevärt utan att påverka människor och byggnader i närheten negativt.

År 2021 föreslogs att hastighetsgränserna på tåg i det transeuropeiska transportnätet skulle höjas till 160 km/h eller mer till 2040. Den ökande järnvägstrafiken gör det också viktigt att nätoperatörerna kan övervaka hela längden på sina järnvägar i realtid. Akustisk övervakning kan hjälpa till att uppnå båda dessa mål.

Richard Aaroes Next Generation Rail Technologies har utvecklat en passiv lyssningsanordning som kan ge järnvägsoperatörer en tidig varning om hinder på banan. Den kan till och med förutsäga vad hindret mest sannolikt är och var det kan hittas. SAFETRACK-projektet arbetar på ett fristående system för att "ge korrekt realtidsvarning om allt som händer på infrastrukturen", sa Aaroe.

Systemet består av sensorer, som fångar upp vibrationer på banan, och mjukvara som identifierar var på banan ljudet kommer från och vad som kan ha orsakat det.

Sofistikerad mikrofon

"På ett sätt är det en väldigt, väldigt sofistikerad mikrofon," förklarade Aaroe. De akustiska vibrationerna på banan som fångas upp av sensorerna har ett "unikt fingeravtryck". Ljudet av en gren som faller på banan skiljer sig från till exempel ett lerskred. Aroes företag har byggt upp ett "bibliotek" av dessa akustiska järnvägsfingeravtryck.

Han jämför tekniken med när ubåtar använder ekolod för att upptäcka ytfartyg genom att plocka upp dess akustiska signatur. "Idag har den tekniken utvecklats så att du inte bara kan upptäcka att det är ett fartyg som passerar, utan du kan också plocka upp typen av motor, klassen på själva fartyget, hastigheten, riktningen och så vidare," Aaroe sa.

Samma principer gäller för rälsakustik. "Varje incident har en unikhet och det har vi identifierat och sedan kan vi rapportera detta till antingen tågledaren, operatören eller till och med föraren själva."

Sensorerna är relativt små, ungefär lika stora som en smartphone. I en installation ingår fyra sensorer, en på varje skena på banan och sedan ytterligare två 10 meter längre fram längs banan. Eftersom ljud färdas genom solida skenor mycket bättre än genom luft, kan ett sensorpaket detektera akustiska vibrationer fem kilometer i varje riktning.

Tekniken testas för närvarande av nationella järnvägsnät i Storbritannien, Tyskland och Spanien, och den kommer snart att distribueras i ytterligare tre länder, enligt Aaroe.

Europeiska unionen har åtagit sig att utöka sina järnvägstransporter som en del av den europeiska gröna avtalen som syftar till att göra Europa till den första koldioxidneutrala kontinenten år 2050. Allt eftersom fler människor väljer järnväg framför bilar kommer teknik som gör tåg säkrare och tystare att bli alltmer Viktig. + Utforska vidare

Hur framtida tåg kan vara mindre bullriga