Eerste aanzet voor veiligheidsconcept hyperloop

Hoe zorg je ervoor dat gestroomlijnde capsules voor personen- en vrachtvervoer veilig met duizend kilometer per uur door lagedrukbuizen bewegen? Wat is er nodig om passagiers bij incidenten snel te kunnen evacueren? En hoe garandeer je dat voortdurend bekend is waar elkaar opvolgende capsules zich bevinden? Een aantal leden van het vierde Delft Hyperloop-studententeam deed onderzoek naar dit soort veiligheidsvraagstukken.

In 2013 lanceerde Elon Musk, CEO van Tesla en SpaceX, het plan voor een nieuw vervoerssysteem: de Hyperloop. Dit systeem moet een alternatief vormen voor korte en middellange vliegreizen en gaat uit van gestroomlijnde capsules – pods – die met circa duizend kilometer per uur door buizen met lage druk bewegen. Voor snel transport tussen steden zijn in de stadscentra ondergrondse stations voorzien met goede aansluitingen op andere vervoerssystemen. In stedelijk gebieden liggen de buizen ondergronds, in het buitengebied bovengronds. De pods hebben ongeveer vijf minuten nodig om op hun maximale snelheid te komen die rond de duizend kilometer per uur ligt. Dat betekent dat je in ongeveer een half uur van Amsterdam naar Parijs reist.

Om de ontwikkeling van een werkend prototype te stimuleren, zette Musk een competitie op voor studententeams met als opdracht een schaalmodel van een pod te ontwikkelen op de helft van de ware grootte. Deze modellen werden vervolgens getest in een 1,2 kilometer lange lagedrukbuis in Californië, die was gebouwd door SpaceX.

De eerste competitie vond in 2016 plaats. Bij deze wedstrijd werd de pod beoordeeld op snelheid, veiligheid, efficiency en de schaalbaarheid van het ontwerp. Het Delftse studententeam Delft Hyperloop won de eerste prijs. Het jaar erop nam een tweede team uit Delft deel aan de competitie die ditmaal alleen draaide om de maximale snelheid. Ook dit jaar behoorde de Delftenaren bij de prijswinnaars, dit keer met de tweede plaats. De volgende competitieronde – die weer gericht was op topsnelheid – doorliep het derde Delftse studentteam ook goed, ze voldeden aan alle veiligheidschecks en mochten samen met drie andere teams meedoen aan de recordpoging. Op basis van testresultaten verwachtte het team een topsnelheid van zo’n 600 kilometer per uur te halen. Helaas ging er iets mis en begonnen de remmen al na 90 meter te werken. Daardoor bleef de teller steken op 202 kilometer per uur.

Even veilig

Afgelopen studiejaar ging een vierde team van Delft Hyperloop van start. Van de 33 studenten bouwden de meesten een nieuwe pod, waarbij ze het prototype van het jaar daarvoor gebruikten om onderdelen te testen. Daarnaast werkte een klein aantal aan de ontwikkeling van een veiligheidsconcept voor het vervoerssysteem. Melanie Beek, leider van dit veiligheidsteam: “Net als de voorgaande teams richtten we ons niet alleen op een zo’n snel mogelijke pod, maar ook op de kansen van hyperloop als toekomstig vervoerssysteem. Vanuit die invalshoek hebben wij samen met diverse partners uit het bedrijfsleven onderzocht hoe je ervoor kunt zorgen dat de hyperloop in ieder geval even veilig is als andere vervoerssystemen.”

Haar collega Job ter Kuile vult aan: “Om een totaal nieuw vervoerssysteem als hyperloop geaccepteerd te krijgen, is het cruciaal dat de veiligheid ervan al in de ontwikkelfase is geanalyseerd en aangetoond. Dat was tot voor kort nog onvoldoende gedaan en daarom hebben wij het afgelopen jaar gewerkt aan een veiligheidsconcept voor een Europees hyperloopsysteem. Omdat hyperloop wordt gepresenteerd als een duurzaam alternatief voor korte en middellange vliegreizen, hebben we als doelstelling genomen dat een Europees hyperloopsysteem minimaal hetzelfde veiligheidsniveau dient te hebben als vluchten van Europese luchtvaartmaatschappijen in termen van passagiersslachtoffers per gevlogen passagierskilometer.”

Brandveiligheid

Samen met hun teamgenoten hebben Beek en Ter Kuile onder begeleiding van veiligheidskundige Ben van den Horn van Arcadis – die ook coördinator van het Kennisplatform Tunnelveiligheid (KPT) is – naar allerlei veiligheidsaspecten gekeken. Een daarvan is brandveiligheid, een onderwerp dat ook in ‘tunnelland’ veel aandacht vereist. De kans op brand in de buizen van een hyperloopsysteem is gering vanwege de bijna-vacuümtoestand in de buizen. De voor brand noodzakelijke zuurstof ontbreekt hier namelijk grotendeels. Dat geldt niet voor de delen van het systeem waar wel atmosferische druk heerst, zoals in stations, luchtsluizen en evacuatieroutes. Goede branddetectie in combinatie met brandblusinstallaties is in deze ruimten een vereiste om een eventuele brand snel te doven.

De kans op brand in de buizen van een hyperloopsysteem is gering vanwege de bijna-vacuümtoestand in de buizen.

In de capsules vormen brand en rook een serieus risico, zeker omdat ze volledig afgesloten zijn van de omgeving. Om dit risico te beheersen, zijn er diverse preventieve maatregelen bedacht. In ruimtes met passagiers gaat het onder andere om de toepassing van brandvertragende materialen, hoogwaardige rookdetectie en rook- en brandbestrijdende maatregelen zoals een water-mistsysteem. In compartimenten met elektronica en accu’s is het creëren van zuurstofarme situaties een oplossing. Een andere optie betreft de toepassing van een systeem met halon dat ook in de vrachtcompartimenten van vliegtuigen wordt gebruikt. Bij brand kan dit gas in compartimenten zonder passagiers worden geïnjecteerd om het vuur te doven.

Evacuatie

Ter Kuile: “Naast deze maatregelen is het van groot belang dat passagiers bij brand of een ander incident zo snel mogelijk geëvacueerd kunnen worden. Hiervoor hebben we verschillende evacuatieopties onderzocht. De eerste gaat uit van ‘safe havens’, veilige plekken waar passagiers de pod en het hyperloopsysteem kunnen verlaten bij een noodgeval in de pod. Metrosystemen gebruiken voor deze safe havens de stations, omdat die relatief dicht bij elkaar liggen. Aangezien de hyperloop bedoeld is voor vervoer over lange afstanden zijn hier extra safe havens nodig. Een andere optie die we hebben onderzocht, is de zogeheten ‘in-tube-evacuatie’ met nooddeuren in de hyperloopbuis. Deze evacuatievorm is nodig als een pod door een incident geen safe haven of station kan bereiken. Wij gaan ervan uit dat beide opties nodig zijn voor een veilig hyperloopsysteem.”

Beek vult aan: “Beide vormen van evacuatie vergen speciale maatregelen. Immers, in de buizen van hyperloop heerst een zeer lage druk, zodat de pods snel en energie-efficiënt kunnen bewegen. Die lage druk maakt het onmogelijk om de pod te verlaten. Daarom moeten zowel in de safe havens als op de locaties voor in-tube-evacuaties voorzieningen worden aangebracht om tijdelijk atmosferische druk te creëren.”

Veiligheidsbeleving

Het veiligheidsteam onderzocht ook andere onderwerpen, waaronder een veilig communicatiesysteem. De autonome pods die op relatief korte afstand van elkaar met hoge snelheid door de buizen bewegen moeten continu met elkaar, met het controlecentrum en met de buitenwereld communiceren. Hiervoor is een snel, veilig en betrouwbaar communicatiesysteem nodig. Op basis van hun onderzoek raden de studenten een zogeheten light fidelity-systeem (LiFi) aan waarbij data via licht razendsnel worden verzonden. Een ander onderwerp dat ze hebben onderzocht betreft de veiligheidsbeleving van passagiers. Bij een revolutionair vervoerssysteem dat werkt met autonome voertuigen is het van groot belang dat passagiers zich veilig voelen. Dat kan worden bevorderd door ontwerpkeuzen – denk aan zo ruimtelijk en open mogelijke passagierscompartimenten, het gebruik van lichte kleuren en comfortabele ronde vormen, zichtbare veiligheidsvoorzieningen en voorzieningen die reizigers verbinden met de buitenwereld – en door een goede informatievoorziening over de reis en de werking van de hyperloop.

Nieuw record

Terwijl het team van Beek en Ter Kuile onderzoek deed naar de verschillende veiligheidsaspecten, werkten de andere leden van Delft Hyperloop hard aan het schaalmodel van de pod om dit keer een snelheidsrecord neer te zetten. De teleurstelling was dan ook groot toen zij in de loop van het jaar hoorden dat SpaceX de competitie voorlopig heeft uitgesteld. Gelukkig konden de studenten een recordpoging doen op een eigen testbaan in Hilversum met een lengte van 380 meter. Die poging in de buitenlucht bij atmosferische druk werd een succes: in juni bereikten ze een maximale snelheid van 360 kilometer per uur over een traject van 300 meter.