Kolossala godslok är en del av det amerikanska landskapet, men deras motorer på 4 400 hästkrafter förbränner tillsammans 3,5 miljarder liter diesel årligen, i en tid då järnvägar och andra fossilbränsleanvändare möter press för att minska föroreningar och utsläpp av växthusgaser.

Men med lite fanfar har industrin börjat driva lokomotiv som körs på lagrad elektrisk kraft, på väg mot en framtid där leksaksbutiker inte är den enda källan till batteritåg. Amerikanska passagerarlinjer kan också förvandlas av tekniken, även om Kaliforniens järnvägstjänstemän säger att det inte kommer att fungera för statens kultåg.

I ett just avslutat test körde BNSF ett godståg från Barstow till Stockton med ett experimentellt batterilok, tillsammans med två diesellok, och uppnådde en minskning av bränsleförbrukningen med 11 %, tillsammans med liknande minskningar av utsläpp av kväveoxider, små partiklar och växthusgaser. En uppgraderad framtida driftversion förväntas förbättra bränsleeffektiviteten med 30 %.

Testet var ett "avgörande ögonblick för godsjärnväg", som accelererade industrin till slutliga nollutsläppslok, säger Eric Gebhardt, teknisk chef på Wabtec, som utvecklade systemet vid sitt forskningscenter nära Lake Erie i norra Pennsylvania.

Batteri- och vätebränslecellsdrivna tåg är bland järnvägsindustrins enda gångbara alternativ för att minska växthusgaserna. Varje batterilok som ersätter en diesel kommer att minska koldioxidutsläppen med 3 000 ton per år, uppskattar Wabtec.

Men det är osannolikt att de snabbt kan ersätta dieseldrivna tåg. USA:s godsjärnvägar är översvämmade av överskottslok och ingen kan förutsäga vad batteridrivna system kommer att kosta, jämfört med befintliga dieslar på 3 miljoner dollar.

"Batterilok är möjliga", säger Michael Iden, en konsult som var Union Pacifics långvariga chef för lokomotivteknik. Iden jämför Wabtecs prestation med bröderna Wrights första motorflyg:ett proof of concept redo för utveckling. De kommer snart att testas i hamnar och järnvägsvarv i Kalifornien, konstaterade han.

Som sagt, "Att uppskatta kostnaden för kommersiellt tillgängliga i produktionsbatterilokomotiv är, enligt min mening, som att prognostisera priset på flera fullt anlagda fyra sovrum, tre bilars garagehem med markpooler på Mars," sa Iden. "En dag kan sådana hem finnas på Mars men det är långt kvar."

Mycket kommer att bero på i vilken grad statliga och federala tillsynsmyndigheter pressar järnvägarna för att städa upp sina utsläpp. Här i Kalifornien vill staten Air Resources Board att järnvägarna ska minska eller till och med eliminera dieslar under de kommande 14 åren.

Transportsektorn står för 29 % av USA:s utsläpp av växthusgaser. Inom den kategorin står järnvägsindustrin, som flyttar 40 % av långdistansgodset, för bara 2 %, enligt uppgifter från U.S. Environmental Protection Agency. Men såväl godståg som lastbilar utsätter många tätbefolkade stadskorridorer, särskilt stadsdelar nära hamnarna i Long Beach och Los Angeles, för sot och föroreningar.

"Vi kan göra mer", säger Ian Jefferies, ordförande för Assn. av American Railroads, med hänvisning till potentialen hos batteridrivna tåg. "Det är en bra affär att minska utsläppen och minska bränsleförbrukningen och speglar samhällets mål." Samtidigt trycker Jefferies och hans organisation tillbaka mot föreslagna regler för att eliminera dieslar och säger:"Det är inte vettigt."

Severin Borenstein, en energiexpert och professor vid UC Berkeleys Haas School of Business, sa att järnvägar sannolikt inte kommer att få ett frikort i klimatförändringsfrågor.

"Det faktum att järnvägar redan är den mest effektiva transportkällan är fantastiskt, men vi behöver alla minska växthusgaserna", sa han. "Järnvägar är en viktig källa till växthusgaser."

Bortsett från gods erbjuder batteri- och bränslecellsdrivna tåg ett löfte om att uppgradera amerikanska passagerarjärnvägar, som vanligtvis går på räls som ägs av godsjärnvägar, såsom BNSF och Union Pacific. Dessa företag motsätter sig elektriska ledningar – som de som driver stadsspårväg – på grund av potentiell störning av godstrafiken. Batterier och bränslecellslok eliminerar den potentiella konflikten.

I San Bernardino väntar länets transportmyndighet på leverans av ett vätebränslecellsdrivet passagerartåg, som kommer att tas i bruk senast 2024 på Metrolinks pendeltågssystem. Tåget är under utveckling i Schweiz av Stadler, som också tillverkar en linje med höghastighetståg som går på vajer.

Förutom att minska föroreningarna kan Stadler-tåget accelerera och sakta ner snabbare än en diesel, vilket minskar restiden – ungefär som elfordon som efterliknar muskelbilar från 1960-talet – och kommer sannolikt att tilltala förare med stark miljötro.

"Vi är i början av en övergångsperiod och det är mycket rörelse i tekniken", säger Guido Vogel, Stadlers ingenjörschef. "Det finns en politisk push för att komma bort från dieselframdrivning."

Den amerikanska järnvägsindustrin har gjort viktiga förändringar i det förflutna, från trä till kol och kol till olja, innan dess nuvarande beroende av diesel. Idag driver det vad som anses vara det mest effektiva fraktsystemet i världen.

Cirka 23 000 lok trafikerar landets järnvägsnät varje dag. Hälften av dem är verksamma i Kalifornien. Även om de är ungefär fyra gånger mer bränsleeffektiva än stora rigglastbilar – i termer av ton-mil som transporteras – bränner de ungefär en gallon diesel var 2 000 fot.

Lägg ihop allt, och denna 3,5 miljarder gallon årliga användning av diesel skulle fylla en flod 10 fot djup och 25 fot bred från Los Angeles till Phoenix.

California Air Resources Board, som hjälpte till att finansiera Wabtec-testet, anser att tåg är en för stor källa till växthusgaser för att undgå ytterligare reglering.

Luftregulatorer började slå ner på godsjärnvägarna, särskilt BNSF och Union Pacific, 1998, när de undertecknade en frivillig pakt som krävde användningen av nyare dieselmotorer som producerade mindre föroreningar. Men avtalet åtog sig att järnvägarna skulle använda ännu nyare generationer av dieselmotorer. Idag driver de två järnvägarna bara 472 av de modernaste systemen, kända som Tier 4-dieslar, av de 11 217 som de kör i Kalifornien vid varje given tidpunkt, enligt en årlig rapport till flygstyrelsen.

"Det finns inget som tvingar dem att bli av med sina Tier 0-lok", säger Ajay Mangat, chef för flygstyrelsens fraktsystemsektion.

Flygstyrelsens personal förbereder komplexa regler för att eliminera järnvägsutsläpp till 2035, även om det beror på teknisk genomförbarhet, sade han. Förslaget kommer att gå till flygstyrelsen för omröstning nästa år.

Jefferies, chef för järnvägsföreningen, sa att de föreslagna reglerna ignorerar en 70 % frivillig minskning av utsläppen i Kalifornien sedan 2005. Mer påpekat hävdar föreningen att flygstyrelsen inte har någon juridisk jurisdiktion eftersom järnvägar endast är föremål för federal reglering, en långvarig berättigande .

Även om flygstyrelsen inte lyckas införa tuffa regler, utsätts järnvägar, precis som andra industrier, för press från många håll:aktieägare, kunder, anställda och påverkansgrupper.

I Japan, Tyskland, Storbritannien och USA utvecklar ett halvdussin tillverkare av järnvägsutrustning system som kan köra tåg antingen på batterier eller vätebränsleceller, enligt en industriforskningsrapport.

Wabtecs Gebhardt sa att initialkostnaden för ett batteridrivet lokomotiv kommer att vara högre än en traditionell diesel, men bränslekostnaderna med elektrisk laddning kommer att vara lägre. Eftersom befintliga lokomotiv använder dieselmotorer för att generera kraft som driver elektriska dragmotorer, måste bara genereringen av elektriciteten lösas.

"Det är ekonomiskt vettigt att batterier blir exponentiellt bättre", sa Gebhardt.

I Kalifornien-testet laddas batterierna varje gång tåget saktar ner till stopp, vilket är frekvent längs godsvägarna. Wabtec-tåget laddade sina batterier, genom regenerativ bromsning, på den branta 4 000 fot långa nedfarten från Tehachapi-passet till San Joaquin-dalen, till exempel.

Ett annat batteridrivet lokomotiv kommer att förankra ett demonstrationsprojekt av Pacific Harbour Line i hamnarna i Los Angeles och Long Beach. Lokomotivet på 3 200 hästkrafter, tillverkat av Progress Rail, en enhet inom Caterpillar, kan transportera bilar runt hamnen i 24 timmar på en laddning. Union Pacific har precis köpt ett batteridrivet lokomotiv för användning i en av sina växlar i Kalifornien också.

Carrie Schindler, chef för transit- och järnvägsprogram för San Bernardino County Transportation Authority, sa att dess Stadler tvåbils tågset kommer att tas i bruk på en nybyggd nio mils linje mellan San Bernardino och Redlands, vilket gör 16 tur och retur per dag vid 79 mph.

Ett elektriskt tåg är mer energieffektivt än en elbil, per passagerare, säger Vogel, Stadlers ingenjörschef.

Schindler sa att programmet på 23 miljoner dollar för teknikutveckling och tåguppsättningar kommer att möjliggöra betydande utsläppsminskningar utan de enorma kostnaderna för att bygga högspänningsledningar. Caltrains pendlarsystem mellan San Jose och San Francisco betalar 2 miljarder dollar för bara 80 miles av luftledningar.

För närvarande verkar det osannolikt att Kaliforniens kultågsmyndighet kommer att ta till sig tekniken. När man tillfrågades om det vid en nyligen genomförd lagstiftningsutfrågning sa verkställande direktör Brian Kelly att föreslagna trådlösa tåg inte skulle uppfylla mandatet för 220 mph-hastighet, skrivet i lag. Järnvägsmyndigheten håller på att utfärda ett kontrakt i år för ett trådbundet system och relaterade tåg, även om han sa att myndigheten kommer att övervaka batteritekniken.

Järnvägsmyndighetens planer kom upp i de senaste förhandlingarna med den lagstiftande församlingen om ytterligare finansiering, vilket väckte oro över huruvida kultåget inte överväger potentialen för en spelförändrande teknik. Lagstiftande ledare lämnade utan någon överenskommelse om att anslå mer pengar, enligt en person som är bekant med samtalen med stängda dörrar men inte var behörig att tala offentligt om dem.