واگن‌های راهآهن خودرانی که با باتری کار می‌کنند، صنعت باربری ریلی و جاده‌ای را متحول می‌کنند
ناوگان ریلی و قطارهای باربری در 200 سال گذشته تغییرات کمی داشته‌اند و همچنان شاهد عبور زنجیره‌ای از واگن‌های به‌هم‌پیوسته‌ای هستیم که توسط لوکوموتیوهای غول‌پیکر روی ریل‌ها حرکت می‌کنند و کالاها را از مقصدی به مقصد دیگر انتقال می‌دهند. طرفداران صنعت راهآهن معتقد هستند خیلی چیزها تغییر کرده و اشتباه نمی‌کنند! اما عملکرد قطارهای باری از زمان اختراع تاکنون تغییر زیادی نکرده است. با این‌حال، به‌نظر می‌رسد تغییرات بزرگی در راه است. سه مهندس اسبق شرکت اسپیس‌‌ایکس پس از جدایی از این شرکت، استارت‌آپی به‌نام Parallel Systems تاسیس کردند و به دور از رسانه‌های خبری روی توسعه فناوری جدیدی کار کردند که قرار است تحولی بزرگ در صنعت حملونقل ریلی به‌وجود آورد.
انرژی پاک در خدمت خطوط ریلی
این کسب‌وکار نوپا به‌تازگی اولین نمونه از دستاورد خود را با تکیه بر پیشرفت‌های صنعت باتری‌سازی و خودروهای خودران و با هدف ایجاد تغییرات گسترده در دنیای قطارهای باری معرفی کرده و بر این باور است که اختراع آن‌ها می‌تواند تحولی عظیم در این حوزه به‌وجود آورد. به‌طوری که قطارهای باری با صدای کمتری حرکت کنند و به‌جای سوخت‌های فسیلی از انرژی پاک استفاده کنند.
این‌که نوآوری آن‌ها تا چه اندازه با استقبال روبه‌رو شود به رویکرد شرکت‌های فعال در زمینه حملونقل کالاها و جذب سرمایه‌گذار بستگی دارد. حوزه فعالیت پارالل‌سیستمز محدود به جایگزینی موتورهای برقی جدید با موتورهای دیزلی قدیمی لوکوموتیوها نیست، بلکه این شرکت سعی دارد از موتورهای برقی در تک‌تک واگن‌ها استفاده کند. هم‌اکنون بخش بزرگی از قطارهای برقی مسافربری از فناوری پیشران‌های برقی استفاده می‌کنند، اما فرایند گسترش استفاده از این فناوری در بخش قطارهای باری با کندی روبه‌رو است. این مشکلی است که شرکت پارالل‌سیستمز به‌دنبال حل آن است.
راه‌حلی که پارالل‌سیستمز ارائه کرده به این صورت عمل می‌کند که هر یک از خودروهای ریلی از یک باتری، موتور برقی، چهار چرخ و مجموعه‌ای از حسگرها برای حرکت به‌شکل خودران استفاده می‌کنند. با توجه به این‌که بخش زیادی از کالاها در سراسر جهان در داخل کانتینرهای ۲۰ فوتی قرار گرفته و حمل می‌شوند، خودروهای ریلی جدید برای جابه‌جایی این نوع کانتینرها طراحی شده‌اند، به‌گونه‌ای که کانتینر فاصله بین محور دو خودرو را پر می‌کند و به آن بوژی (Bogies) گفته می‌شود (شکل 1). ایده اصلی مهندسان پارالل‌سیستمز این است که هر کانتینر باری به‌وسیله دو خودرو برقی بهصورت خودران و بدون نیاز به اپراتور به مقصد برسد. درست مشابه حالتی که ماشین‌های خودران بر مبنای آن کار می‌کنند.
شکل 1
عملکرد این سیستم عظیم و سنگین چگونه است؟
دو وسیله حمل کالای مجهز به چرخ (Vehicles) در فاصله‌ای مناسب از یک‌دیگر قرار می‌گیرند. سپس یک جرثقیل کانتینر را پایین می‌آورد تا هر طرف آن روی یک وسیله قرار گیرد. در ادامه، دو خودرو با استفاده از موتورهای برقی و دوربین‌های برد‌کوتاه و برد‌بلند و مجموعه‌ای از حسگرها بهصورت خودران بهسمت مقصد حرکت می‌کنند. با توجه به این‌که هر یک از خودروها تمام ابزار لازم برای مسیریابی و کنترل سرعت را دارند، نیازی نیست زنجیره‌ای از خودروهای به‌هم چسبیده را داشته باشیم. البته، این امکان وجود دارد تا خودروها بهصورت گروه‌های بزرگ بهسمت مقصد حرکت کنند (شکل 2).
مت سول، مدیر اجرایی این استارت‌آپ، میگوید: «ما بر این باور هستیم که اندازه ناوگانی بر پایه این فناوری در حالت ایده‌آل باید بین 10 تا 50 خودرو باشد. در گروه‌های ده‌تایی، بار آيرودینامیکی به بهترین حالت میان خودروها تقسیم می‌شود، اما به‌لحاظ تجاری اگر محموله سپرده‌شده بزرگ‌تر باشد به حداکثر 50 خودرو نیاز خواهیم داشت. مطابق با استانداردهای امروزی صنعت حملونقل ریلی، یک قطار با 50 واگن، قطاری کوتاه به‌حساب می‌آید. قطارها همیشه بزرگ و طویل بوده‌اند، اما در سال‌های اخیر قطارهای باری طولانی‌تر شده‌اند، زیرا با این کار جابه‌جایی بار به‌صرفه‌تر می‌شود. جالب آن‌که طول برخی قطارها به 4.8 کیلومتر هم می‌رسد. چنین دستگاه عظیمی را نمی‌توان در هر مکانی پارک کرد». سوول و شرکت تحت سرپرستی او امیدوار هستند با کوتاه‌تر شدن طول قطارها، حمل کالا از طریق شبکه ریلی به مناطق بیشتری امکان‌پذیر شود، به‌ویژه مناطقی که تامین کالاهای آن از طریق کامیون‌های باربری انجام می‌شود. او میگوید: «ما سهم شبکه راهآهن در حملونقل کالاها را بیشتر خواهیم کرد». خودروهای برقی پارالل‌سیستمز با هربار شارژ می‌توانند 805 کیلومتر مسافت را طی کنند و دو خودرو با کمک یک‌دیگر می‌توانند یک کانتینر یا دو کانتینر که در مجموع 29 هزار کیلوگرم وزن دارند را جابه‌جا کنند. سیستم بینایی مبتنی بر دوربین و حسگر خودروها می‌تواند دیگر خودروها، موانع، شیب و انحنای مسیر را تشخیص دهد. سوول بر این باور است که این سیستم برای مسیریابی خودرو و حرکت به‌شکل خودران در محیط‌هایی که پیچیدگی کمی دارند، مناسب است و به‌راحتی می‌تواند کالاها را جابه‌جا کند. بااین‌حال، او به این نکته اشاره دارد که اپراتور انسانی می‌تواند به خودروها برای تصمیم‌گیری در موقعیت‌های خاص و حساس کمک کند. اولین نسل از خودروهای این شرکت در پیست ریلی در جنوب کالیفرنیا با موفقیت آزمایش شده و نسل دوم و بازطراحی‌شده آن قرار است در نیمه دوم سال 2022 آزمایش شوند تا نسل سوم این خودروها آماده تولید و روانه بازار شوند.
شکل 2
ورود فناوری‌های هوشمند و نوین به ناوگان باربری ریلی
آیا فناوری جدید این ظرفیت را دارد تا تحولی بزرگ در صنعت حملونقل ریلی ایجاد کند؟ همانند هر کسب‌وکار نوپایی، شرکت پارالل‌سیستمز با مشکلات زیادی روبه‌رو است. موفقیت این شرکت در حملونقل ریلی به افزایش استفاده از راهآهن در مناطقی بستگی دارد که تحت سیطره ناوگانی از کامیون‌ها است. به بیان دقیق‌تر، در این مناطق ریل‌های راهآهن وجود ندارند، از بین رفته‌‌اند یا به تعمیرات گسترده نیاز دارند. پاسی لاووتالا، مدیر برنامه حملونقل ریلی در دانشگاه فناوری میشیگان میگوید: «موفقیت این ایده به گستردگی شبکه ریلی و ایستگاه‌های راهآهن قابل استفاده بستگی دارد. بیشتر شهرهای کوچک یا فاقد راهآهن هستند یا راهآهن آن‌ها در شرایط بهره‌برداری کامل و ایده‌آل قرار ندارند».
بعد از احداث خطوط ریلی یا تعمیر آن‌ها، شرکت‌های حملونقل باید زیرساخت‌های لازم برای جابه‌جایی کانتینر، بهره‌برداری و نگه‌داری خودروهای برقی را احداث کنند. این مشکلات حل‌نشدنی نیستند، اما برای رفع موانع به سرمایه‌گذاری قابل توجهی نیاز است. مشکلات لجستیکی بزرگ‌ترین مسئله‌ای است که شرکت پارال‌سیستمز با آن روبه‌رو است. ترافیک شبکه راهآهن سراسری به دو روش سیستم سیگنالینگ بلوکی (BS) سرنام Block Signaling و کنترل قطار مثبت (PTC) سرنام Positive Train Control کنترل می‌شود. در سیستم سیگنالینگ بلوکی، خطوط به شکل بلوک نشان داده می‌شوند و حرکت بلوک‌ها از طریق اپراتورهای انسانی کنترل می‌شود، اپراتورهایی که به آن‌ها اعزام‌کننده‌ها (Dispatchers) گفته می‌شود. در مکانیزم سیستم کنترل قطار مثبت، از سیگنال‌های موقعیت‌یاب جهانی (GPS) و فناوری‌های مشابه برای کنترل حرکت قطارها استفاده می‌شود. حرکت قطارها در بخش بزرگی از راهآهن سراسری در کشورهای مختلف مثل ایالات متحده با سیستم سیگنالینگ کنترل می‌شود. استفاده از سیستم نوین کنترل مثبت می‌تواند روند حرکت قطارها را تسریع کند و بهره‌وری شبکه راهآهن را افزایش دهد.
در بسیاری از کشورها صنعت راهآهن از سیستم کنترل مثبت قطار به‌شکل محدود استفاده کرده است. به‌طور مثال، در سال 2008، دولت ایالات متحده طبق قانونی موظف شد 93 هزار کیلومتر از 225 هزار کیلومتر شبکه راهآهن سراسری این کشور را به سیستم کنترل مثبت مجهز کند، هدفی که 12 سال بعد و در سال 2020 محقق شد. با این‌حال، هنوز بخش بزرگی از راهآهن ایالات متحده از سیستم کنترل مثبت قطار بهره نمی‌برد. این درست همان نقطه‌ای است که باعث توقف ورود فناوری‌های جدید به حوزه ناوگان باربری ریلی شده است. لاووتالا میگوید: «با استفاده از سامانه‌های خودکار نوین، می‌توانید قطارها را با سرعت بیشتر و در فواصل کم از یک‌دیگر به حرکت در‌آورید، اما هنوز مجبور هستید از سیستم منسوخ‌شده سیگنالینگ بلوک استفاده کنید. در این حالت، قطارها مجبور هستند در فواصل مشخصی از یک‌دیگر حرکت کنند که این فاصله همواره 3 کیلومتر است. این سیستم برای کنترل قطارهای طویل مناسب است، به‌همین دلیل، یکی از شرایط مهم برای عملیاتی کردن راه‌حل پارالل‌سیستمز به‌روز‌رسانی شبکه راهآهن است. استفاده از سیستم‌های منسوخ در شبکه راهآهن و فقدان بازتوزیع کانتینرهای باری در مسیرهای طولانی، باعث می‌شود ایده شرکت پارالل‌سیستمز در کوتاه‌مدت به جواب نرسد. با این‌حال، ایده آن‌ها جالب است و اگر روی آن سرمایه‌گذاری کافی شود، تحول‌آفرین است».
جنگ بر سر انتقال کالاها
صرف‌نظر از ایده استارتاپ پارالل‌سیستمز برای معرفی فناوری‌های جدید، صنعت راهآهن برای گسترش و پیشرفت باید مشکلات فعلی را برطرف کند. لاووتالا میگوید: «من بر این باور هستم که اگر صنعت راهآهن و شرکت‌های فعال در آن تمایل دارند سهم بیشتری از بازار حملونقل را به خود اختصاص دهند، باید روی جابه‌جایی کالاها در مسیرهای کوتاه‌تر تمرکز کنند. در این مسیر، صنعت راهآهن با رقیبی بزرگ که کامیون‌های باری هستند روبه‌رو است. جالب آن‌که کامیون‌های باری زودتر از صنعت راهآهن پذیرای ورود فناوری‌های جدید و برقی بوده است. کامیون‌های برقی خودران می‌توانند هزینه حملونقل کالا را به میزان قابل توجهی کم کنند. خودران‌کردن کامل کامیون‌ها بهتنهایی هزینه‌های شرکت‌های باربری را نصف می‌کند و مالکان خودروها نیز هزینه‌های جانبی کمتری را به‌ویژه در بازرسی‌های دوره‌ای تجهیزات و تعویض قطعات معیوب متحمل می‌شوند. همچنین، این صنعت با تکیه بر فناوری پیشران‌های برقی می‌تواند میزان انتشار آلاینده‌های کربنی را کم کند. در مجموع باید بگوییم استفاده از ناوگان کامیون‌های برقی و خودران می‌تواند به کاهش هزینه‌ها و آلایندگی بینجامد، حال اگر چنین دستاوردی به صنعت حملونقل کالاهای ریلی وارد شود، هزینه‌ها کمتر و سودآوری بیشتر می‌شود».
سوول میگوید: «مزیت صنعت راهآهن همیشه این بوده که جابه‌جایی بار با آن درمقایسه با کامیون ارزان‌تر است؛ اما اکنون کامیون‌داران قرار است هزینه‌های خود را به‌طور چشم‌گیری کاهش دهند. در این صورت، چه آینده‌ای در انتظار صنعت راهآهن است؟ ما این‌جا هستیم تا راه‌حلی برای این مسئله ابداع کنیم».
چرا استفاده از سیستم حملونقل خودران الکتریکی اهمیت زیادی دارد؟
امسال، بار دیگر سازمان ملل هشدار داد اگر دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ در خصوص تغییرات اقلیمی بی‌تفاوت باشند، بازهم شاهد سونامی و گرم‌تر شدن زمین خواهیم بود. بادهای گرم بی‌سابقه در شمال غرب آمریکا، آتش‌سوزی‌های گسترده در کالیفرنیا، اورگان، واشنگتن و ایالت‌های همجوار آن‌ها، قدرتمندتر شدن گردبادهای گرمسیری در اقیانوس آرام و سیل‌های سهمگین و ویران‌گر که بخش‌های مختلف اروپا و چین را گرفتار کردند، تنها بخشی از اتفاقات ناگوار آبوهوایی در سال 2021 میلادی بودند.
اگر هنوز امیدی به جلوگیری از نوسانات شدید اقلیمی وجود دارد، باید میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای را به‌طور قابل توجهی کاهش داد. این حرف به‌معنای رفتن بهسمت منابع تجدیدپذیر انرژی و حذف کربن از سیستم حملونقل ناوگان عمومی است که تقریبا یک‌چهارم انتشار گاز دی‌اکسیدکرین در دنیا را به‌خود اختصاص داده است. به‌همین دلیل است که شاهد حضور خودروهای الکتریکی در کشورهای مختلف هستیم. خودروهایی که قرار است میزان سربی را که روزانه استشمام می‌کنیم به‌حداقل برسانند.
گیل تال، مدیر مرکز تحقیقات خودروهای برقی و ترکیبی شرکت پلاگین (Plugin) در دانشگاه کالیفرنیا میگوید: «تا همین چند سال قبل، برخی خودروسازان بر این باور بودند که خودروهای الکتریکی یک تب زودگذر هستند و پس از مدتی از دنیای فناوری حذف می‌شوند، اما به وضوح مشخص است که خودروهای الکتریکی ماندگار هستند و این دستاورد حتا به ناوگان باربری راهآهن نیز وارد شده است.»
در سطح جهانی، فروش خودروهای الکتریکی در نیمه اول سال 2021 رشد چشم‌گیری داشته و استقبال به اندازه‌ای زیاد بود که فناوری فوق به کامیون‌ها نیز وارد شد. شرکت‌های خودروسازی مانند جنرال‌موتورز، فولکس‌واگن و نیسان عرصه مدل‌های جدید خودروهای الکتریکی را برای یک دهه آینده در دستور کار قرار دادند. جنرال‌موتورز و هوندا اعلام کرده‌اند تا سال 2040 تمام خودروهای خود را برقی می‌کنند. فورد از نسخه‌های الکتریکی برخی از خودروهای خود رونمایی کرده است.
تال میگوید: « درکنار تقاضای مصرف‌کننده برای خودروهای الکتریکی که باعث افزایش فروش شده، آن‌چه اهمیت بیشتری دارد خط‌مشی‌ها و حمایت‌های دولتی از خودروسازان و صنعت خودروسازی است که باعث رونق این صنعت شده است. قوانین محکم اتحادیه اروپا در زمینه کنترل انتشار گازهای گلخانه‌ای توسط صنعت خودروسازی در سال 2021 باعث شد تا خودروسازانی که قبل از این خودروی برقی تولید می‌کردند، میزان تولیدات خود را افزایش دهند. چین در سال 2020 اعلام کرد میزان فروش خودروهای برقی در این کشور تا سال 2030 به میزان 40 درصد افزایش پیدا خواهد کرد. تمامی این تلاش‌ها با هدف حذف تدریجی موتورهای احتراق داخلی در حال انجام است. اکنون استارت‌آپ پارالل‌سیستمز در نظر دارد چنین تحولی در صنعت حملونقل باری انجام دهد و وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد. با این‌حال، مشکل بزرگی در این زمینه وجود دارد؛ به‌لحاظ طبیعی شرکت‌هایی که روی ساخت خودروهای الکتریکی سرمایه‌گذاری می‌کنند به زیرساخت‌های سنگین و هزینه‌بر نیازی ندارند، در حالی که در صنعت ریلی نیازمند احداث خطوط در مناطقی هستید که زیرساخت لازم وجود ندارد. از طرفی قطارها به باتری‌های سنگین و گران‌قیمتی نیاز دارند تا بتوانند بدون مشکل کار کنند. هزینه ساخت چنین باتری‌هایی کم نیست. مشکلات این‌چنینی با حمایت‌ها و مشوق‌های دولتی و سرمایه‌گذارانی که حاضر شوند روی چنین پروژه‌هایی سرمایه‌گذاری کنند قابل حل است».
برای جایگزینی تجهیزاتی که از سوخت فسیلی استفاده می‌کنند با نمونه‌های الکتریکی، باید به چند معیار مهم دقت کرد. هزینه نهایی تولید باید کاهش پیدا کند. ایستگاه‌های شارژ باید به‌راحتی در دسترس باشند؛ درست مشابه با زمان‌های قدیم که قطارها در ایستگاه‌ها بدون مشکل سوخت‌گیری می‌کردند و طول عمر باتری‌ها افزایش یابد. به‌طور مثال، در صنعت خودروسازی و نزدیک به پنج سال قبل، خودروها پس از پیمودن حدود 100 مایل نیاز به شارژ مجدد داشتند. امروزه به‌طور متوسط برای پیمودن حدود 250 مایل فاصله تقریبی نیویورک تا واشنگتن باتری ماشین به شارژ مجدد نیاز دارد. در صنعت باربری ریلی، این موضوع به فاصله و میزان باری که توسط این وسایل نقلیه چرخ‌دار جابه‌جا می‌شود بستگی دارد.
به‌طور معمول، برای تولید باتری‌های موردنیاز خودروها و ناوگان ریلی به موادی نیاز است که کمیاب هستند. به بیان دقیق‌تر، دسترسی به آن‌ها دشوار است و نیازمند حفاری‌ها و استخراج این مواد از دل زمین است. البته راه‌حل‌هایی برای غلبه بر این مشکل وجود دارد. به‌طور مثال، بازیافت باتری‌ها برای کاهش وابستگی به مواد اولیه، موضوع مهمی است که شرکت‌ها و پژوهشگران در حال کار روی آن هستند. در انتها باید خاطر نشان کرد که سرمایه‌گذاری روی وسایل نقلیه الکتریکی بهتنهایی مانع تغییرات آبوهوایی نمی‌شود و باید بخش‌های مختلف صنعت نیز روند استفاده از سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند.
