De geschiedenis van spoorwegtechnologie

Sinds hun uitvinding hebben spoorwegen een enorme rol gespeeld in de verdere ontwikkeling van beschavingen over de hele wereld. Van het oude Griekenland tot het moderne Amerika, spoorwegen hebben de manier veranderd waarop mensen reizen en werken.

De vroegste vorm van vervoer per spoor dateert al van 600 voor Christus. De Grieken maakten groeven in verharde kalkstenen wegen om te gebruiken in combinatie met voertuigen op wielen, waardoor het vervoer van boten over de landengte van Korinthe werd vergemakkelijkt. Toen de Romeinen de Grieken in 146 v.Chr. Veroverden, raakten de vroege spoorwegen echter in verval en verdwenen ze meer dan 1400 jaar.

Het eerste moderne spoorvervoersysteem keerde pas in de 16e eeuw terug. Zelfs dan zou het nog driehonderd jaar duren voordat de uitvinding van de stoomlocomotief het spoorvervoer wereldwijd zou transformeren. 

De eerste moderne spoorwegen

De voorlopers van moderne treinen debuteerden begin 1550 in Duitsland met de introductie van wagons. Deze primitieve railed-wegen bestonden uit houten rails waarover paardenkarren of karren zich gemakkelijker konden verplaatsen dan over onverharde wegen. In de jaren 1770 waren houten rails vervangen door ijzeren. Deze wagens evolueerden naar tramsporen die zich over Europa verspreidden. In 1789 ontwierp de Engelsman William Jessup de eerste wagens met flenswielen die gegroefd waren, waardoor de wielen de rail beter konden vastgrijpen. Dit belangrijke ontwerpkenmerk werd overgedragen naar latere locomotieven.

Tot de jaren 1800 werden spoorwegen gebouwd van gietijzer. Helaas was gietijzer vatbaar voor roest en was het bros, waardoor het vaak onder stress faalde. In 1820 vond John Birkinshaw een duurzamer materiaal uit, smeedijzer. Deze innovatie, hoewel een verbetering ten opzichte van gietijzer nog steeds gebrekkig was, werd echter de standaard totdat de komst van het Bessemer-proces de goedkopere productie van staal in de late jaren 1860 mogelijk maakte, wat leidde tot de snelle uitbreiding van spoorwegen, niet alleen in heel Amerika maar rond de wereld. Uiteindelijk werd het Bessemer-proces vervangen door het gebruik van open haarden, waardoor de kosten van de staalproductie verder werden verlaagd en treinen tegen het einde van de 19e eeuw de meeste grote steden in de Verenigde Staten konden verbinden..

De industriële revolutie en de stoommachine

Nu de basis was gelegd voor een geavanceerd systeem van spoorwegen, hoefde alleen nog maar een middel te worden gevonden om meer mensen en meer goederen over langere afstanden over een kortere periode te vervoeren. Het antwoord kwam in de vorm van een van de belangrijkste uitvindingen van de industriële revolutie, de stoommachine, die cruciaal was voor de ontwikkeling van de moderne spoorweg en treinen.

In 1803 besloot een man met de naam Samuel Homfray de ontwikkeling van een voertuig op stoom te financieren ter vervanging van de door paarden getrokken karren op de tram. Richard Trevithick bouwde dat voertuig, de eerste stoomlocomotief met stoommachine. Op 22 februari 1804 sleepte de locomotief een lading van 10 ton ijzer, 70 man en vijf extra wagons de negen mijl tussen de ijzerfabrieken in Pen-y-Darron in de stad Merthyr Tydfil, Wales, naar de bodem van Abercynnon vallei. De reis duurde ongeveer twee uur om te voltooien.

In 1812 werd de Engelse uitvinder George Stephenson een mijnbouwingenieur voor de Stockton en Darlington spoorlijn. Tegen 1814 had hij zijn eerste locomotief voor hen gebouwd. Niet lang daarna overtuigde hij de eigenaars om een ​​stoomlocomotief uit te proberen. De eerste poging heette de voortbeweging. Terwijl Stephenson wordt gecrediteerd als de uitvinder van de eerste stoomlocomotiefmotor voor spoorwegen, wordt de uitvinding van Trevithick aangehaald als de eerste tramlocomotief.

In 1821 werd de Engelsman Julius Griffiths de eerste die patent kreeg op een passagierslocomotief. Tegen september 1825 lanceerde de Stockton & Darlington Railroad Company, met behulp van Stephenson's locomotieven, de eerste spoorweg die zowel goederen als passagiers vervoerde die op regelmatige tijden rijden. Deze nieuwe treinen konden zes geladen kolenauto's en 21 personenauto's met een capaciteit van 450 passagiers meer dan negen mijl in ongeveer een uur trekken.

Niet lang daarna opende Stephenson zijn eigen bedrijf, Robert Stephenson and Company. Zijn beroemdste prototype, Stephenson's Rocket, werd ontworpen en gebouwd voor de Rainhill Trials, een evenement uit 1829 door de Liverpool en Manchester Railway om het beste ontwerp te kiezen om hun nieuwe locomotieven aan te drijven. De Raket, de meest geavanceerde locomotief van zijn tijd, won handig en ging verder met het bepalen van de norm waarmee de meeste stoommachines de komende 150 jaar zouden worden gebouwd.

Het Amerikaanse spoorwegsysteem

Kolonel John Stevens wordt beschouwd als de vader van spoorwegen in de Verenigde Staten. In 1826 demonstreerde Stevens de haalbaarheid van stoomlocomotie op een experimenteel cirkelvormig spoor dat werd gebouwd op zijn landgoed in Hoboken, New Jersey, drie jaar voordat Stephenson een praktische stoomlocomotief in Engeland perfectioneerde.

Stevens kreeg in 1815 het eerste spoorwegcharter in Noord-Amerika, maar anderen begonnen subsidies te ontvangen en de werkzaamheden aan de eerste operationele spoorwegen begonnen snel daarna. In 1930 ontwierp en bouwde Peter Cooper de eerste in Amerika gebouwde stoomlocomotief, de klein Duimpje, om te worden gebruikt op een common-carrier spoorweg.

Een andere belangrijke treininnovatie uit de 19e eeuw had niets te maken met voortstuwing of stroomvoorziening. In plaats daarvan ging het allemaal om passagierscomfort. George Pullman vond de Pullman-slaapwagen uit in 1857. Hoewel slaapauto's sinds de jaren 1830 in gebruik waren op Amerikaanse spoorwegen, was de Pullman-auto specifiek ontworpen voor nachtelijke passagiersreizen en werd hij beschouwd als een duidelijke verbetering ten opzichte van zijn voorgangers.

De nadelen van Steam Power

Terwijl stoomaangedreven locomotieven een onmiskenbare impact hadden op transport en economische expansie in de loop van de 19^th eeuw, de technologie was niet zonder zijn nadelen. Een van de meest problematische was de rook die het gevolg was van het verbranden van steenkool en andere brandstofbronnen.

Hoewel de schadelijke bijproducten op het platteland acceptabel waren, werden de gevaren van brandstofuitlaat al vroeg duidelijker naarmate spoorwegen binnendrongen in meer bevolkte gebieden, waardoor op zijn beurt een groeiend aantal ondergrondse tunnels nodig was om treinen naar stedelijke gebieden op te vangen bestemmingen. In een tunnelsituatie kan rook dodelijk worden, vooral als een trein onder de grond blijft steken. Treinen aangedreven door elektriciteit leken een voor de hand liggend alternatief, maar vroege elektrische treintechnologie kon simpelweg stoom niet bijhouden voor lange afstanden.

Elektrische locomotieven Begin langzaam

Het eerste prototype voor een elektrische locomotief werd in 1837 gebouwd door de Schotse chemicus Robert Davidson, aangedreven door galvanische batterijcellen. De volgende locomotief van Davidson, een grotere versie genaamd de Galvani, debuteerde op de Royal Scottish Society of Arts Exhibition in 1841. Het woog zeven ton, had twee direct-drive reluctantiemotoren die vaste elektromagneten gebruikten op ijzeren staven die aan houten cilinders op elke as waren bevestigd. Hoewel het in september 1841 werd getest op de Edinburgh en Glasgow Railway, werd het project door de beperkte kracht van zijn batterijen tenietgedaan. De Galvani werd later vernietigd door spoorwegarbeiders die de alternatieve technologie zagen als een potentiële bedreiging voor hun levensonderhoud.

Het geesteskind van Werner von Siemens, de eerste elektrische passagierstrein, bestaande uit een locomotief en drie auto's, maakte zijn eerste run in 1879 in Berlijn. De trein had een maximumsnelheid van iets meer dan acht mijl per uur (13 km). In de loop van vier maanden vervoerde het 90.000 passagiers op een cirkelvormig spoor van 300 meter. De 150 volt gelijkstroom van de trein werd geleverd via een geïsoleerde derde rail.

Elektrische tramlijnen begonnen aan populariteit te winnen, eerst in Europa en later in de Verenigde Staten, na de eerste verschijning in 1881 in Lichterfelde net buiten Berlijn, Duitsland. Tegen 1883 reed er een elektrische tram in Brighton, Engeland en de tram die in de buurt van Wenen, Oostenrijk werd gelanceerd, was in hetzelfde jaar de eerste in reguliere dienst die werd aangedreven door een bovenleiding. Vijf jaar later gingen elektrische trolleys ontworpen door Frank J. Sprague (een uitvinder die ooit voor Thomas Edison had gewerkt) de sporen op voor de Richmond Union Passenger Railway. 

De overgang voor stoom naar elektrisch

De eerste ondergrondse elektrische spoorlijn werd gelanceerd door de City and South London Railway in 1890. Vijf jaar later bedacht Sprague een baanbrekend meervoudig tractiecontrolesysteem (MU) voor treinen. Elke auto was uitgerust met zijn tractiemotor en motorgestuurde relais. Alle auto's haalden stroom uit de voorkant van de trein en de tractiemotoren werkten tegelijkertijd. De MU's kregen hun eerste praktische installatie voor de South Side Elevated Railroad (nu onderdeel van de Chicago L) in 1897. Met het succes van de uitvinding van Sprague nam elektriciteit snel de overhand als stroomvoorziening naar keuze voor metro's.

In 1895 werd een traject van vier mijl van de Baltimore Belt Line van de Baltimore en Ohio Railroad (B&O) dat verbonden was met de New York de eerste Amerikaanse hoofdraillijn die geëlektrificeerd werd. Stoomlocomotieven trokken naar het zuidelijke einde van de geëlektrificeerde lijn, en werden vervolgens gekoppeld aan elektrisch aangedreven treinen en trokken door de tunnels die Baltimore omringden.

New York City was een van de eerste die stoommachines uit hun treintunnels verbood. In de nasleep van een tunnelbotsing in Park Avenue uit 1902 werd het gebruik van rookgenererende locomotieven ten zuiden van de Harlem rivier verboden. De New York Central Railroad begon tegen 1904 elektrische locomotieven te gebruiken. Begin in 1915, de Chicago, Milwaukee, St. Paul en Pacific Railroad geëlektrificeerde dienst over de Rocky Mountains en naar de West Coast. Tegen de jaren dertig had de Pennsylvania Railroad zijn hele grondgebied ten oosten van Harrisburg, Pennsylvania geëlektrificeerd.

Met de komst van diesel-aangedreven treinen in de jaren 1930 en de daaropvolgende decennia vertraagde de uitbreiding van de infrastructuur voor elektrisch aangedreven treinen. Uiteindelijk zouden diesel en elektriciteit echter worden gecombineerd om verschillende generaties elektro-diesel en hybriden te creëren die het beste van beide technologieën gebruikten en de standaard zou worden voor veel spoorlijnen.

Geavanceerde treintechnologieën

In de jaren 1960 en vroege jaren 1970 was er veel belangstelling voor de mogelijkheid om passagierstreinen te bouwen die veel sneller konden rijden dan conventionele treinen. Vanaf de jaren 1970, interesse in een alternatieve high-speed technologie gericht op magnetische levitatie, of maglev, waarin auto's rijden op een luchtkussen gecreëerd door de elektromagnetische reactie tussen een onboard-apparaat en een ander ingebed in de geleiding.

De eerste hogesnelheidstrein liep tussen Tokio en Osaka in Japan en opende in 1964. Sindsdien zijn er veel meer van dergelijke systemen over de hele wereld gebouwd, waaronder in Spanje, Frankrijk, Duitsland, Italië, Scandinavië, België, Zuid-Korea, China , het Verenigd Koninkrijk en Taiwan. De Verenigde Staten hebben ook gesproken over het installeren van een hogesnelheidstrein tussen San Francisco en Los Angeles en aan de oostkust tussen Boston en Washington, DC.

Dankzij elektrische motoren en verbeteringen in technologieën voor het vervoer per trein kunnen mensen sindsdien met snelheden tot 320 mijl per uur reizen. Nog meer verbeteringen in deze machines bevinden zich in de ontwikkelingsstadia, waaronder de Hyperloop-buistrein, naar verwachting snelheden bereiken van bijna 700 mijl per uur, waarmee de eerste succesvolle prototypetest in 2017 werd voltooid.