Maglev, Hyperloop e il Futuro dei Treni

L’Importanza dei Treni

Ruolo Industriale

The entire industrial era was built on the back of one technology: railroads and trains. By creating a low-cost way to move goods inland, railroads and trains boosted productivity massively. Later, the combustion engine for cars and trucks and then the jet engine for planes would take the spotlight.

Ma ancora oggi, ogni economia industriale dipende dai treni per sostenere la sua produzione al di là delle regioni costiere (sostenute dal commercio marittimo). I treni sono particolarmente cruciali per il trasporto di materie prime e prodotti industriali di massa come acciaio, automobili, ecc.

In alcuni casi, può assumere forme estreme, come la linea ferroviaria di 704 chilometri (437 miglia) che collega il centro minerario del ferro nel mezzo del Sahara in Mauritania, con un treno lungo 3 chilometri, che trasporta 200‑300 carri merci, per un totale di oltre 25.000 tonnellate di materiale in un’unica volta.

Fonte: Tourifique

In tal senso, la logistica basata sui treni è anche cruciale per tutti gli eserciti moderni, come dimostra l’importanza delle ferrovie strategiche nella guerra in Ucraina, che trasportavano migliaia di proiettili e munizioni quotidianamente al fronte.

Viaggi ad Alta Velocità

Modern trains have also evolved beyond the massive heavy industrial workhorse to compete efficiently with highways and airports.

No place is this more evident than in China, which has the world’s most dense high-speed railway network. At the end of 2023, the network had a total length of 45,000 km (28,000 miles), making up 2/3rds of the world’s high-speed railroads.

High-speed railroads, with speeds in the 200–380 km/h (120–240 mph) range, provide efficient transportation between cities.

Geografia Contrapposta

Train networks are highly dependent on public policy and national investment decisions. This is due to a combination of factors:

• La maggior parte delle reti ferroviarie è nazionalizzata o oligopolistica a causa della natura centralizzata della tecnologia.
• Le ferrovie richiedono permessi complessi e spesso costringono i proprietari terrieri a vendere terreni o concedere diritti di accesso per rendere possibili nuovi progetti.
• Gli alti costi di investimento per nuove ferrovie vengono ammortizzati in decenni, rendendo la maggior parte degli investitori privati riluttanti ad attendere così a lungo.
• Le ferrovie spesso cambiano la demografia, l’economia e lo sviluppo complessivo di intere regioni e centri urbani, rendendo il loro percorso altamente politico.

Quindi non è forse sorprendente che più la politica di un paese è centralizzata, più i treni hanno successo nel superare auto e autostrade.

Cina

China stands at the top of the railroad network. Not only does it have this 45,000km high-speed railroad network, but it also has another 114,000 network of slower railroads dedicated to servicing local areas and industrial facilities.

Fonte: Reddit

Entro la fine del 2035, la Cina prevede di raggiungere 200.000 chilometri (124.274 miglia) di binari ferroviari, inclusi circa 70.000 km di ferrovie ad alta velocità.

All cities with a population of over 200,000 will be covered by the railway network before 2035, and those with a population of more than 500,000 will be connected to high-speed tracks, according to the latest plan.

China will also promote railway construction in places dominated by ethnic minority groups, as well as border areas and underdeveloped regions in central and western China, to help alleviate poverty and revitalize the countryside, the company said.

Fonte: Reuters / State-owned China State Railway Group

La stessa importanza delle ferrovie si può osservare in Asia, con ad esempio i 132.310 km di binari dell’India, sebbene di tipo molto più lento.

Europa

Another train-friendly region is Europe, with a 202 131 km network but only 11.666km of high-speed railroads, mostly located in Western Europe.

The EU aims to triple high-speed rail traffic by 2050, viewing it as pivotal for a more efficient transport system amidst urbanization.

Fonte: Wikipedia

In Europa, tuttavia i treni possono ritardare nel trasporto commerciale internazionale, a causa di un complesso insieme di più tensioni (sia AC che DC) e sistemi di segnalazione, nonché di diversi scartamenti (la distanza tra i binari), ad esempio Portogallo + Spagna usano il proprio, e Finlandia + gli Stati baltici usano lo scartamento russo. Tuttavia, il 70% del traffico merci (per lo più internazionale) attraverso le Alpi svizzere avviene su rotaia.

Fonte: Wikipedia

Nord America

Lastly, North America, especially the USA, is lagging in train network for passengers, with mostly slow-moving Amtrak and freight railroads.

The US, however, has the largest rail transport network in the world, with 260,000 km of tracks (160,000 miles).  Historically, this has been key in the US development and the conquest of the West, notably with the first transcontinental railroad with train tracks central to connecting the hinterland to the coastal regions.

Dal Vapore all’Elettricità

The first trains were powered by the very first steam engine, deriving their energy from coal. This was a revolution from the previous transport network only powered by wind and animal muscles, and created a massive economic boom everywhere it was implemented. Later on, it switched to diesel for more powerful and less polluting locomotives.

Finally, a new stage would be achieved with electrification, allowing for the train to not anymore carry its own fuel, and instead use more efficiently energy produced directly at power plants.

Fonte: Mesas Stamps

Electrification also opened the way for trains powered by fossil fuels, whether from nuclear energy or renewable. This makes modern trains a much less polluting alternative mode of transportation, with a radically lower carbon footprint.

For example, in the UK, despite the decarbonization of the electric still lagging behind, every type of rail transport, from national railroad to tram and subway, emitted only 35-28 grams of carbon dioxide-equivalents per passenger kilometer, below EVs (47g) and 5x less than diesel & petrol cars (170g).

Fonte: Our World In Data

Il Futuro dei Treni

Maglev

Far from a stagnant and aging technology, train transportation is at the forefront of technological evolution and electrification.

A key innovation is the maglev train (magnetic levitation), first launched commercially in 2004. This science-fiction-looking technology allows the trains to literally levitate above the tracks.

• Riduce notevolmente l’attrito, diminuendo le perdite energetiche complessive.
• Meno attrito riduce anche la produzione di calore, consentendo velocità molto più elevate.
• Senza contatto, gli unici limiti di velocità sono legati alla resistenza dell’aria e alla capacità del sistema maglev.
• L’assenza di contatto crea un’esperienza molto fluida, con molte meno vibrazioni rispetto alle ruote di acciaio, anche a velocità molto elevate.

Il funzionamento del maglev si basa sulla generazione di campi magnetici massicci, utilizzando magneti superconduttori (senza resistenza elettrica). Per farlo, i magneti devono essere raffreddati a -450°F / -267°C.

Fonte: Department Of Energy

Another big benefit is safety. Maglev trains are “driven” by the powered guideway. Any two trains traveling the same route cannot catch up and crash into one another because they’re all being powered to move at the same speed.

Similarly, traditional train derailments that occur because of cornering too quickly can’t happen with Maglev. The further a Maglev train gets from its normal position between the guideway walls, the stronger the magnetic force pushing it back into place becomes.

Il mercato dei treni maglev è stimato a $2,17 Miliardi nel 2023 e dovrebbe crescere a $3,13 Miliardi entro il 2031, con un CAGR del 4,7%.

Velocità Illimitata?

La velocità più alta raggiunta da un maglev è stata ottenuta dal maglev superconduttivo L0 della JR Central giapponese, che ha raggiunto una velocità massima di 603 chilometri all’ora (375 mph) nel 2015.

Probabilmente questo è vicino al limite massimo raggiungibile per i maglev, a causa dell’aumento della resistenza dell’aria con l’aumentare della velocità.

In ogni caso, viaggiare al di sopra della velocità del suono (1.235 km/h / 767 mph) creerebbe un boom supersonico dannoso sia per l’infrastruttura ferroviaria sia per l’ambiente circostante.

Adozione di massa?

Il maglev è ancora una tecnologia relativamente rara, con la maggior parte delle ferrovie ad alta velocità che raggiungono la loro velocità con metodi convenzionali.

Tuttavia, l’adozione su larga scala dei maglev potrebbe eliminare gran parte della necessità di trasporto aereo regionale, come in Europa o nel continente nordamericano, poiché 400‑600 km/h possono competere con gli aerei, soprattutto considerando i ritardi associati agli aeroporti e all’imbarco (controlli di sicurezza, bagagli, ecc.).

E combinato con la decarbonizzazione della rete elettrica, potrebbe avere un impatto enorme sulle emissioni globali di carbonio.

Le location ideali sarebbero probabilmente all’interno e tra le megalopoli mondiali, in particolare sulle coste statunitensi, a nord dell’India, sull’isola di Giava (Indonesia) e nell’Europa occidentale.

Fonte: Pinterest

Hyperloop

E se i treni maglev non fossero limitati dalla velocità del suono?

Questa idea può sembrare inizialmente stravagante, ma esiste un modo per evitare la creazione di un boom sonico e l’eccessiva frizione dell’aria: semplicemente rimuovere l’aria. Questo è il concetto di hyperloop, popolarizzato da Elon Musk in un white paper nel 2013, che proponeva un viaggio da Los Angeles a San Francisco in soli 30 minuti.

Fonte: The Verge

L’idea è di racchiudere il treno maglev in un tubo o tunnel depressurizzato. In questo modo, il sistema maglev può accelerare senza essere limitato dalla frizione dell’aria.

L’idea ha subito raccolto un seguito di culto ed è stata sviluppata da Hyperloop One, precedentemente Virgin Hyperloop. Tuttavia, questa azienda ha chiuso definitivamente nel 2023, dopo aver esaurito i fondi.

Questo ostacolo ha spinto molti a dichiarare prematuramente la morte del concetto, definendolo (gioco di parole voluto) un sogno irrealizzabile. È stato prematuro, poiché altre iniziative simili all’hyperloop stanno avanzando.

Prototipi Hyperloop

Il primo è l’olandese Hardt Hyperloop che ha annunciato di aver testato con successo il suo veicolo hyperloop nel settembre 2024. Questa è solo la prova del veicolo in movimento e del mantenimento del vuoto, ma è un primo passo.

Altre aziende attive su questo tema nei paesi occidentali sono la Boring Company di Musk e l’italiana HyperloopTT.

In Cina, appassionata di treni, un treno maglev ha recentemente completato un test in un tubo lungo 2 chilometri (1,2 miglia) con un ambiente a basso vuoto nella provincia di Shanxi. Questo è stato testato dalla China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC).

Il progetto punta a una velocità di 1.000 chilometri (621 miglia) all’ora. Il sistema ha anche precedentemente raggiunto una velocità record di 623 chilometri (387 miglia) all’ora in un test senza vuoto.

L’obiettivo non sarebbe fermarsi a 1.000 km/h ma arrivare fino a 4.000 km/h a lungo termine.

Quindi, in teoria, potrebbe essere usato per viaggi intercontinentali, paragonandosi a ipersonici spaziali commerciali non ancora esistenti, riducendo, ad esempio, il viaggio da Berlino a Pechino a sole 2‑3 ore o da Los Angeles a New York a appena 1‑2 ore.

Tuttavia, i sistemi hyperloop necessiteranno di molti progressi nel design e nell’ingegneria per diventare realtà. Tra le poche difficoltà ci saranno:

• Mantenere in modo sicuro un forte vuoto lungo l’intera linea.
  • Ciò include la gestione del rischio di perdita improvvisa e indesiderata del vuoto dopo un incidente o anche un attacco terroristico.
• Fornire in modo sicuro ed efficiente l’enorme quantità di energia richiesta dal sistema.
• Integrare l’hyperloop nella rete esistente di ferrovie e stazioni ferroviarie.
• Costruire infrastrutture dedicate.
  • Le velocità estreme coinvolte limiteranno le opzioni di percorso, costringendo lo sviluppatore dell’hyperloop a fare affidamento su costosi super-ponte e tunnel per superare gli ostacoli.

Altre Innovazioni

Il trasporto ferroviario è una tecnologia che storicamente ha sempre beneficiato dell’innovazione in altri settori. Inizialmente ha sfruttato il motore a vapore usato per pompare acqua nelle miniere di carbone, poi il nuovo motore diesel, e infine l’elettricità e i magneti superconduttori.

Pertanto, ha senso osservare il futuro dei treni nel più ampio contesto del progresso tecnologico.

Superconduttori ad Alta Temperatura

Una parte chiave del sistema maglev e hyperloop è la necessità di magneti superconduttori. Questi richiedono le temperature ultra‑basse odierne, tecnicamente difficili e ad alta intensità energetica.

Ciò potrebbe cambiare presto, con materiali superconduttori che richiedono meno freddo o addirittura temperature ambiente. Abbiamo discusso in dettaglio il loro sviluppo e le ultime notizie in “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution”.

In generale, se la superconduttività fosse raggiunta a temperature molto più alte, il maglev diventerebbe un’opzione di gran lunga superiore rispetto alla classica ferrovia ad alta velocità.

Renderebbe inoltre banale la trasmissione di quantità assurde di energia su lunghe distanze, rendendo le energie rinnovabili, l’hyperloop e altre tecnologie che alterano la civiltà, come la fusione nucleare, molto più economiche.

IA, Treni Autonomi & Ferrovie Intelligenti

Automazione e IA sono altre tecnologie in rapida evoluzione. Mentre immaginiamo lo sviluppo di auto a guida autonoma, capaci di gestire la complessità delle strade urbane, ha senso che dovremmo raggiungere i treni autonomi ancora prima. Questo è particolarmente vero perché i treni operano in un ambiente molto più controllato e conosciuto, anche se a velocità ancora più elevate.

L’IA, così come la connettività 5G e l’IoT (Internet of Things), può aiutare in una moltitudine di compiti legati alle ferrovie, includendo:

• Sorveglianza sicura.
• Aggiornamenti in tempo reale e biglietteria intelligente.
• Servizi ferroviari automatizzati.
• Treni autonomi.
• Manutenzione predittiva.
• Connettività, controllo automatico dei treni e segnalazione digitale.

Un’altra attività che potrebbe essere potenziata con la digitalizzazione, l’IA e anche la blockchain è la logistica. Caricamento e scaricamento di carri merci, scambio di vagoni tra treni, trasporto transfrontaliero e interconnessione con il trasporto su camion, tutto potrebbe essere semi o completamente automatizzato, rendendo il trasporto ferroviario merci molto più efficiente e conveniente.

Scavare Tunnel

Un’altra opzione che potremmo vedere è un trasporto molto più ampio (incluso il ferroviario) attraverso il tunneling. Questa è un’altra delle ossessioni personali di Elon Musk, con la Boring Company probabilmente fondata per aiutare allo stesso modo a risolvere i problemi di trasporto sulla Terra quanto a costruire habitat su Marte.

Potrebbe essere un’opzione preferita per i futuri sistemi hyperloop, poiché un tunnel sarà più stabile, meno vulnerabile agli incidenti e, in generale, più facile da mantenere in un forte vuoto rispetto a un tubo sospeso.

Mass driver

L’idea chiave di un mass driver è che una navetta possa essere inviata in orbita accelerandola sufficientemente a terra, così da non necessitare di propellente a bordo.

In sostanza, sarebbe un hyperloop, ma con l’obiettivo di raggiungere la velocità di fuga per spingere un’astronave in orbita senza propellenti a bordo.

La pista di lancio dovrà inoltre essere lunga centinaia, se non migliaia di chilometri, con l’area più promettente il plateau tibetano.

Fonte: Acepedia

Forse non sorprendentemente, la Cina sta già valutando lo sviluppo di tale tecnologia, quindi potrebbe essere più vicina di quanto ci aspettiamo.

Se avrà successo, potrebbe ridurre di un ulteriore fattore 10 il prezzo di lancio orbitale già notevolmente ridotto da SpaceX (SPCX ), con stime che fissano i costi a soli $60/kg.

A titolo secondario, questo tipo di sistema potrebbe essere prima utilizzato con modelli di dimensioni più piccole per spingere aerei a una velocità in cui i motori scramjet ipersonici possono funzionare, consentendo voli ipersonici molto rapidi.

Quindi, se gli hyperloop transcontinentali non sono un’opzione economicamente fattibile, potrebbe essere che il mass driver / hyperloop di lancio per il volo ipersonico possa comunque utilizzare questa tecnologia.

Investire nella Tecnologia Relativa ai Treni

Nonostante attirino molta meno attenzione rispetto all’aerospazio o ai veicoli elettrici, i treni, i maglev e forse in futuro gli hyperloop sono in prima linea nella rivoluzione dei mezzi di trasporto dell’umanità e dell’economia.

Finora la Cina ha guidato la strada, ma il resto del mondo sta prendendo atto e cerca di espandere massicciamente la propria capacità ferroviaria.

Se non sei interessato a scegliere aziende legate ai treni, puoi anche considerare gli ETF come SmartETFs Smart Transportation & Technology ETF (MOTO), iShares US Transportation ETF (IYT) o SPDR S&P Transportation ETF (XTN), che offriranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sul settore dei trasporti e delle ferrovie, strategicamente vitale.

Compagnie Ferroviarie & di Treni

1. Siemens Aktiengesellschaft (SIE.DE)

Siemens è un’azienda solida nel settore industriale, con attività in elettronica per industrie pesanti, infrastrutture, mobilità e sanità.

Fonte: Siemens

Le attività dell’azienda nell’IoT sono distribuite in diversi segmenti, inclusi l’automazione (62% del totale delle industrie digitali) e le infrastrutture intelligenti.

L’attività sanitaria si concentra maggiormente su imaging, analisi e robotica, mentre il segmento mobilità riguarda principalmente treni e infrastrutture ferroviarie.

L’azienda vede una grande opportunità nell’automazione a causa della diminuzione globale della popolazione e della “glocalizzazione” (o “re-shoring” della capacità industriale più vicina ai mercati finali). L’aumento della presenza di energie rinnovabili nella rete elettrica incrementa anche la domanda di una “smart grid” in grado di gestire queste fonti più intermittenti e variabili.

Nel settore di nicchia in cui opera, Siemens è un concorrente molto forte, classificandosi al #1 per automazione di fabbrica, automazione ferroviaria, automazione della rete e software industriale verticale (inclusi 1.300 esperti di cybersecurity).

Fonte: Siemens

Siemens è un titolo posizionato per beneficiare dell’elettrificazione, del re-shoring, dell’IoT, dell’automazione, delle ferrovie e dell’aumento generale del livello tecnologico nei processi industriali.

Come leader nella produzione di attrezzature ferroviarie, ne beneficerà direttamente dagli investimenti nel settore, così come indirettamente dalla tendenza alla reindustrializzazione.

Grazie alla sua ampia gamma di tecnologie, sarà in prima linea nella costruzione di ferrovie intelligenti, sfruttando la sua esperienza in automazione e IoT proveniente da altri settori già più digitalizzati.

2. Alstom (ALO.PA)

L’azienda francese è stata tra le prime a creare un treno ad alta velocità, che è diventato il famoso TGV (“Train à Grande Vitesse”).

Oggi è la #1 a livello globale nel materiale rotabile (veicoli ferroviari, oltre 4.600 carrozze/anno), nei servizi e nei sistemi chiavi in mano, e la #2 nella segnalazione, in parte grazie all’acquisizione di Bombardier Transportation nel 2021.

Fonte: Alstom

Alstom è leader nell’automazione delle reti ferroviarie, avendo raggiunto il più alto livello di automazione, GoA4, sulle linee regionali francesi entro il 2023.

Fonte: Alstom

Ci è riuscita attraverso il suo “Automatic Train Operation”, che include controllo automatico dei treni, protezione e supervisione.

Questo sistema comporta un consumo energetico inferiore del 45% e una capacità di passeggeri superiore del 30% per linea.

Pur essendo leader nel suo settore, l’azienda ha attraversato alcuni anni turbolenti per quanto riguarda i risultati finanziari, iniziando con un salvataggio da 3,2 miliardi di euro dal governo francese nel 2003.

Da allora, il gruppo Alstom ha ceduto le sue attività nella costruzione navale e nella trasmissione elettrica al gigante nucleare Areva nel 2004, poi le divisioni energia e rete a GE nel 2014, e il suo business di turbine a gas pesanti ad Ansaldo Energia.

Ciò rende il nuovo Alstom un’azienda focalizzata esclusivamente sui treni, rispetto al complesso conglomerato industriale dei primi anni 2000.

Il gruppo ha lavorato per ricostruire la sua redditività e il suo backlog di ordini, con una forte crescita nelle consegne future dal 2022.

Fonte: Alstom

In generale, l’azienda prevede un potenziale di mercato a medio termine fino a >230 miliardi di euro per il periodo 2025‑2028, consentendole di scegliere quali contratti saranno redditizi, oltre a gestire l’espansione delle capacità produttive.