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大気圧鉄道は、空気圧差を利用して鉄道車両を推進する動力源となる。この方式では、静止した動力源から車両に動力を伝達できるため、移動式発電装置を搭載する必要がない。空気圧、あるいは部分的な真空（すなわち、負の相対圧）は、連続したパイプを通して車両に伝達され、車両はパイプ内を移動するピストンを搭載している。ピストンを車両に取り付けるためには、何らかの再封可能なスロットが必要となる。あるいは、車両全体を大きなパイプ内のピストンとして機能させるか、ピストンと電磁的に結合させることもできる。
19世紀初頭には、この原理のいくつかの変形が提案され、多くの実用的な形態が実施されたが、いずれも予期せぬ欠点によって克服され、数年以内に廃止された。
最新の独自システムが開発され、短距離用途で使用されている。ブラジルのポルトアレグレにあるポルトアレグレ地下鉄空港接続線はその一例である。
鉄道の黎明期には、単独の車両や車両群は人や馬によって牽引されていました。機械動力の理解が進むにつれて、機関車、すなわち鉄の馬が開発されました。しかし、これらの機関車には深刻な制約がありました。特に、当時使用されていた貨車よりもはるかに重かったため、レールを頻繁に破損させていました。また、鉄製の車輪とレールの接触面における粘着力（つまり滑り）の欠如も制約の一つであり、例えばキルマーノック・アンド・トゥルーン鉄道での試験ではその問題が顕著でした。
多くの技術者は、静止した動力源、すなわち固定式エンジンから走行中の列車へ動力を伝達することに注目した。このようなエンジンはより頑丈で、設置スペースも広く、潜在的に高出力となる可能性があった。実用的な電力供給が実現する以前は、動力伝達の手段としてケーブルシステムか空気圧が用いられていた。
1799年、ロンドンのジョージ・メドハーストは鋳鉄管を通して空気圧で商品を運ぶというアイデアについて議論し、1812年にはトンネルを通して乗客を乗せた車両を空気で送るというアイデアを提案した。[ 1 ]
メドハーストは2つの代替システムを提案した。1つは車両自体がピストンであるシステム、もう1つは比較的小さなチューブに別のピストンが付いているシステムである。彼は自分のアイデアを特許取得せず、それ以上発展させることもなかった。[ 2 ]
1824年、ジョン・ヴァランスは、乗客や貨物を乗せた車両が通過できるほど大きなチューブで構成された大気圧鉄道の特許を取得した。チューブは鋳鉄製の円筒でできており、町から町へと伸び、片端には強力な排気装置が設置される予定だった。円筒形の車両はチューブの内径よりわずかに小さく、ピストンとして機能し、チューブの開口部から空気が流入し、もう一方の端から空気が排出される力によって動く。1826年、ヴァランスはブライトンの施設で直径6フィート（1.8メートル）のチューブを使ったシステムの模型を製作した。レールはチューブの下部に鋳込まれ、チューブと車両の間の環状空間は熊の皮で密閉された。ブレーキは車両の両端のドアを開けることで行われた。ヴァランスのシステムは機能したが、コストと、チューブの中に閉じ込められることを嫌がる乗客がいることから、この計画は非経済的であると考えられた。[ 3 ] [ 2 ]
1835年、ヘンリー・ピンカスは、真空度が低く漏れ損失が制限された、9平方フィート（0.84平方メートル）の正方形断面のチューブを使用したシステムを特許取得した。 [ 4 ]彼は後に小口径の真空管に変更した。彼は、ピストンが車両に接続できるようにするスロットを連続ロープで密閉することを提案した。車両のローラーがピストン接続部の前でロープを持ち上げ、その後ロープを戻す。
彼はケンジントン運河沿いにデモンストレーション用の路線を建設し、国立空気圧鉄道協会の設立趣意書を発行した。投資家の関心を引くことができず、ロープが伸びた際に彼のシステムは故障した。しかし、再封可能なスロットを備えた小径パイプという彼のコンセプトは、多くの後継システムの原型となった。[ 2 ]
ジェイコブとジョセフ・サムダは造船技師であり、サザーク製鉄所を所有していた。二人はともに土木学会の会員であった。サミュエル・クレッグはガス技師であり、彼らは共同で大気システムの開発に取り組んだ。1835年頃、彼らはメドハーストの著作を読み、小口径の真空管システムを開発した。クレッグは、管の溝を密閉するための縦方向のフラップバルブの開発に取り組んだ。
1838年、彼らは「バルブの新たな改良」に関する特許を取得し、サザークに実物大の模型を製作した。1840年、ジェイコブ・サムダとクレッグは、当時まだ一般に開放されていなかったワームホルト・スクラブス（後にワームウッド・スクラブスと改名）のウェスト・ロンドン鉄道の半マイルの線路をリースした。同年、クレッグはポルトガルへ渡り、そこでガス業界でのキャリアを追求した。
サムダのシステムは、鉄道線路のレール間に敷設された連続した（継ぎ目のない）鋳鉄管で構成されており、管の上部にはスロットが設けられていた。列車の先頭車両はピストン車であり、そのピストンは管内に挿入されていた。ピストンはスロットを貫通するブラケットシステムによって保持され、実際のピストンはブラケットがスロットを抜ける位置より前方のポールに取り付けられていた。スロットは、ピストンブラケットの直前で開き、直後で閉じられる連続した革製のフラップによって大気から遮断されていた。列車の前方にあるポンプステーションが管内の空気を汲み出し、ピストンの後方の気圧によってピストンが前方に押し出される仕組みになっていた。
ワームウッド・スクラブスでの実証実験は2年間行われた。牽引パイプの直径は9インチで、動力源として16 馬力の定置式エンジンが使用された。路線の勾配は115分の1で一定だった。サムダは、後述する論文の中で、パイプは一方向のみで使用されることを示唆しており、ポンプ場が1つしか建設されなかったという事実は、後にダルキー線（下記参照）で行われたように、列車が上昇後に軌道の下端に引き戻されたことを示唆している。多くの運行は一般公開されていた。サムダは、いくつかの運行における負荷、真空度、速度を引用している。例えば、
大気圧鉄道に関する構想には世間の大きな関心が寄せられており、サムダが自身の計画を練っているのと同時期に、他の人々も様々なアイデアを提案していた。
1841年、ジョセフ・サムダは『鉄道における移動の目的に対する大気圧の適応に関する論文』を出版した。[ 5 ]
それは50ページに及び、サムダは自身のシステムについて説明した。まずは牽引パイプから。
動力は、レール間に敷設された連続パイプまたは幹線を通して列車に伝達されます。このパイプは、線路脇に固定された定置式蒸気機関によって作動する空気ポンプによって排気されます。これらのポンプ間の距離は、道路の性質と交通量に応じて1マイルから3マイルまで変化します。このパイプ内に挿入されるピストンは、各列車の先頭車両に側面の開口部を通して取り付けられ、前方に発生する排気によって前進します。連続パイプはレール間に固定され、レールを支える枕木にボルトで固定されています。パイプの内側は穴が開けられていませんが、表面を均一にし、移動するピストンが通過する際に不要な摩擦が生じないように、厚さ1/10インチの獣脂で裏打ちまたはコーティングされています。
閉鎖弁の動作は極めて重要だった。
パイプの上面には、幅約2インチの連続したスリットまたは溝があります。この溝は、レールの全長にわたって伸びる弁で覆われています。この弁は、鉄板の間にリベット留めされた革の帯でできており、上部の鉄板は溝よりも幅が広く、内部に真空が生じた際に外部の空気が革をパイプ内に押し込むのを防ぐ役割を果たします。弁が閉じているときに溝にはまる下部の鉄板は、パイプの円形を形成し、空気がピストンを通過するのを防ぎます。この弁の一方の端は、パイプに鋳造された縦方向のリブにねじボルトで固定された鉄棒によってしっかりと押さえられており、鉄棒と鉄棒の間の革が、一般的なポンプ弁と同様にヒンジとして機能します。弁のもう一方の端は、蜜蝋と獣脂の混合物が入った溝にはまり込みます。この混合物は、大気の温度では固体ですが、それより数度高い温度に加熱されると流動性になります。この弁の上には、雪や雨から弁を守るための保護カバーがあり、革で蝶番で繋がれた長さ約5フィートの薄い鉄板でできており、各板の端はピストンの動きの方向に次の板の下に重なり合っているため、各板が順番に持ち上がるようになっている。[注1 ]
ピストンキャリッジがバルブを開き、その後閉じる。
各列車の最初の車両の下面には、ピストンとその付属部品が取り付けられています。ピストンから水平に伸びるロッドは、ピストンの約6フィート後方にある連結アームに取り付けられています。この連結アームはパイプの連続した溝を通り、車両に固定されているため、管内の空気がなくなると列車に動きを与えます。ピストンロッドには、4つの鋼製車輪（連結アームの前方に2つ、後方に2つ）も取り付けられており、これらはバルブを持ち上げ、連結アームが通過するための空間を形成し、ピストンの背面に空気を取り込む役割を果たします。もう1つの鋼製車輪は、スプリングによって調整され、アームが通過した直後に上部プレート上を転がることでバルブが完全に閉じるように、車両に取り付けられています。車両の下面には、小型ストーブで常に加熱されている長さ約10フィートの銅管またはヒーターが取り付けられており、バルブを持ち上げることで破断した組成物の表面を加熱して溶かします。溶融した組成物は冷却されると固化し、バルブを気密に密閉します。このように、通過する列車はそれぞれ、次の列車を受け入れるのに適した状態でパイプを離れる。
パイプへの出入りについて以下のように説明しました。
連続パイプは、列車が進むにつれて開く分離弁によって、固定蒸気機関のそれぞれの距離に応じて適切なセクションに分割されます。これらの弁は、あるセクションから別のセクションへ移動する際に停止や速度低下が必要ないように構成されています。出口分離弁、つまり蒸気機関に最も近いセクションの端にある分離弁は、ピストンの前方の空気の圧縮によって開きます。これは、ピストンが空気ポンプと連通する分岐管を通過した後で必ず発生します。入口分離弁（次のパイプセクションの開始付近にある弁）は平衡弁またはバランス弁であり、ピストンがパイプに入るとすぐに開きます。主パイプは深いソケット継手で接続され、それぞれの継手にはパッキンの中央付近に環状空間が残され、半流動性物質が充填されています。これにより、パイプへの空気の漏れが防止されます。[ 6 ]
当時、鉄道は急速に発展しており、当時の技術的な制約に対する解決策が切実に求められていたが、必ずしも合理的に評価されていたわけではなかった。サムダの論文は、彼のシステムの利点を次のように述べている。
サムダ氏はまた、広く浸透していた自身のシステムに対する批判にも反論した。
1844年4月、ジェイコブとジョセフ・サムダは彼らのシステムに関する特許を取得した。その後まもなくジョセフ・サムダが亡くなり、弟のジェイコブが研究を引き継いだ。特許は3つの部分に分かれており、最初の部分は気圧パイプとピストンシステムについて、2番目の部分は水が豊富な地域では異なる高さの水槽を使って真空を作り出す方法について、そして3番目の部分は気圧鉄道の踏切について扱っていた。[ 2 ]
ダブリン・キングスタウン鉄道は1834年に開通し、ダン・レアリー港（当時はキングスタウンと呼ばれていた）とアイルランドのダブリンを結んだ。標準軌の路線だった。1840年、約2マイル離れたダルキーまで路線を延伸することが望まれた。ルート上の馬車鉄道が買収され、改造された。この鉄道は、港の建設のために採石場から石を運ぶのに使われていた。勾配は急で（115分の1、440ヤードの区間は57分の1）、カーブも多く、最も急なカーブは半径570ヤードだった。これは当時使用されていた機関車にとって大きな困難だった。会社の会計係であるジェームズ・ピムはロンドンを訪れており、サムダの計画を聞いて視察した。彼はそれが自社の要求に完璧であると考え、政府に26,000ポンドの融資を請願した後、[ 7 ]ダルキー線に設置することが合意された。こうしてダルキー大気鉄道が誕生した。
全長2,400ヤードの区間の上流端、ダルキーに1基のポンプステーションを備えた15インチの牽引パイプが使用されていた。エンジンは110馬力で、直径36フィートのフライホイールを備えていた。キングスタウン発の列車の出発予定時刻の5分前にポンプエンジンが作動し、2分で15インチの真空を作り出した。列車はピストンがパイプに入る位置まで手動で押され、発車準備が整うまでブレーキがかけられたままだった。準備が整うとブレーキが解除され、列車は発車した。（後に電信機が設置され、エンジンの運行に時刻表を頼る必要がなくなった。）
1843年8月17日、チューブは初めて空になり、翌日には試運転が行われた。8月19日土曜日、路線は一般に開放された。[注2 ]運行中は、平均時速30 マイルに達した。キングスタウンへの帰路は、勾配を重力で下るため、速度は遅くなった。1844年3月までに、1日に35本の列車が運行され、週4,500人の乗客がこの路線を利用したが、そのほとんどは単に物珍しさからだった。
記録によると、フランク・エリントンという名の青年が、列車に連結されていないピストン式客車に乗っていたことがあった。ブレーキを解除すると、その軽い車両は高速で飛び出し、75秒でその距離を走り抜け、平均時速は65マイル（105キロ）に達した。
これは商業的に運行された最初の気圧式鉄道であったため、イザムバード・キングダム・ブルネル、ロバート・スチーブンソン、サー・ウィリアム・キュービットなど、当時の多くの著名な技術者の注目を集めた。[ 2 ] [ 8 ]
この路線は10年間順調に運行を続け、イギリスの路線の大気圧システムよりも長く存続したが、パリ-サンジェルマン線は1860年まで運行された。[ 9 ]
1855年にこのシステムが廃止されたとき、プリンセスという名の2-2-2蒸気機関車が採用された。ちなみに、これはアイルランドで製造された最初の蒸気機関車である。小型の機関車ではあったが、数年間は急勾配の路線で問題なく運行された。[ 2 ]
1835年、ペレール兄弟はパリ・サンジェルマン鉄道会社から事業権を獲得した。彼らは1837年に全長19km の路線を開通させたが、セーヌ川左岸の河岸埠頭であるル・ペックまでしか延伸しなかった。サンジェルマン・アン・レーまで到達するには急勾配が必要であり、当時の機関車ではその勾配を登ることができないと考えられていたためである。粘着力が限界要因とみなされていた。
ダルキー鉄道の成功を聞きつけたフランスの公共事業大臣（M. Teste）と国務次官（M. Le Grande）は、M. Mallet [注3 ]をダルキーに派遣した。彼は、そこに設置されたシステムとその可能性について徹底的な技術評価を記し、その中にはジョセフ・サムダと行った測定結果も含まれていた。[ 4 ] [ 7 ] [ 10 ]
彼の関心がきっかけとなり、ペレール兄弟はサンジェルマン城への延伸にこのシステムを採用することを決定し、1845年に建設が開始された。セーヌ川を渡る木造橋、それに続く20連アーチの石造高架橋、そして城の下を通る2本のトンネルが建設された。延伸部分は1847年4月15日に開通し、 全長1.5km、勾配は28分の1（ 35mm/m）であった。
牽引パイプはレール間に敷設され、直径は63cm （25インチ）、上部にスロットが設けられていた。スロットは2枚の革製フラップで閉じられていた。ポンプは、サンジェルマンの2つのトンネルの間に設置された出力200馬力の蒸気機関2基によって駆動された。上り坂での列車の速度は時速35km（22マイル）であった。下り坂では、列車はペックまで重力によって走行し、そこで蒸気機関車がパリまでの運行を引き継いだ。
このシステムは技術的には成功していたが、より強力な蒸気機関車の開発により、1860年7月3日に廃止された。この日から、蒸気機関車はパリからサンジェルマンまで全線を走り、勾配を登る際にはプッシャー機関車が補助していた。この方式は、路線の電化まで60年以上続いた。[ 11 ]
オハイオ州立大学ジャーナルの特派員が詳細を説明したところによると、チューブは2つの部分に分かれていたようだ。
線路の中央には鉄製の管が敷設されており、その直径の約3分の1が路盤に埋め込まれている。5,500ヤードの区間では、管の直径はわずか1¾フィート（21インチ）である。この区間の勾配は緩やかなため、サンジェルマンへの急勾配で必要な力ほどの力は必要ない。サンジェルマンでは、3,800ヤードの区間で管の直径は2フィート1インチ（25インチ）となっている。
蒸気機関には蓄電池が備わっていた。
各エンジンには2つの大型シリンダーが取り付けられており、毎秒14立方フィートの空気を排出する。排気装置に取り付けられた空気容器（クラウディエール）内の圧力は、絶対圧6気圧に相当する。
彼はその弁について次のように説明した。
管の全長にわたって上部に切り込みが入れられ、約 5 インチの開口部が残されている。切り込みの各端にはオフセットがあり、その上に嵌まる弁の端を引っ掛けるようになっている。弁は厚さ 1/2 インチの靴底革でできており、強度を高めるために上面と対応する下面の両方に鉄板が取り付けられている 。鉄板の厚さはおそらく 1/4 インチである 。鉄板は約 9 インチの長さで、上下の端は 3/4 インチ離れて配置され、接合部を形成しているため、革弁に柔軟性と同時に強度を与えている。[ 12 ]
クレイトンは、公共事業総監を務めていた技師マレットの名前を記録し、少し異なる説明をしている。クレイトンによれば、マレットは編み込みロープを使ってスロットを塞いだという。また、運転の合間に真空室で蒸気を凝縮させて真空を作り出したとも述べているが、これは圧力蓄積器の誤解だった可能性がある。[ 2 ]
ロンドン・アンド・クロイドン鉄道(L&CR) は、ロンドン・アンド・クロイドン鉄道法 1835 年( 5 & 6 Will. 4 . c. x) という議会の認可法を得て、ロンドン・アンド・グリニッジ鉄道(L&GR)との分岐点からクロイドンまでの路線を建設した。当時、L&GR の路線は建設中であり、議会はロンドンの同じ地区に 2 つの鉄道ターミナルを建設することに反対したため、L&CR は L&GR のロンドン・ブリッジ駅を共有しなければならなかった。この路線は通常の機関車運行のために建設された。3 番目の会社であるロンドン・アンド・ブライトン鉄道(L&BR) が設立され、L&CR の上を通ってロンドンへのルートを共有することになった。
1839年に路線が開通した際、クロイドン近郊線で頻繁に停車する列車が原因で混雑が発生していることが判明した。これは特にニュークロスからダートマスアームズまでの100分の1の上り坂で問題となっていた。[ 4 ] L&CRの技師ウィリアム・キュービットは、この問題に対する解決策として、既存の複線本線の東側に3本目の線路を敷設し、両方向のすべての近郊列車がそれを使用するという案を提案した。これにより、より速いブライトン行きの列車は停車列車の後に遅れることなく運行できる。キュービットはダルキー線を視察した際に感銘を受けており、新しいL&CRの3本目の線路は大気圧動力を使用する予定だった。近郊線はエプソムまで延伸され、こちらも単線大気圧動力線となる予定だった。これらの取り決めが採用され、1843 年 7 月 4 日にロンドン・クロイドン鉄道法( 6 & 7 Vict. c. lxii) が成立し、必要な権限が与えられ、ブリックレイヤーズ・アームズを終点とする路線も認可されました。また、L&GR と協定を結び、彼らの路線の共通区間に線路を1本追加することになりました。1844 年 5 月 1 日、ブリックレイヤーズ・アームズ終点が開業し、ロンドン・ブリッジ行きの列車に加えて、そこから頻繁に列車が運行されるようになりました。[ 2 ] [ 4 ] [ 13 ]
L&CR線はノーウッド・ジャンクション（当時は宿屋にちなんでジョリー・セイラーと呼ばれていた）で南西に分岐し、L&BR線を横断する必要があった。大気圧管のため平地での横断は不可能だったため、横断を可能にするために高架橋が建設された。これは鉄道界で最初の例だった。 [ 14 ]これは、アプローチ勾配が50分の1の木造高架橋の形をとっていた。同様の高架橋がコーベッツ・レーン・ジャンクションにも建設される予定だった。そこではL&CRの追加線が既存線の北東側に建設される予定だったが、これは実現しなかった。
フォレスト・ヒル（当時は地元の宿屋にちなんでダートマス・アームズと呼ばれていた）とクロイドン（後にウェスト・クロイドンと改名）の間には、直径15インチの牽引パイプが設置された。サムダは気圧装置の設置を監督したが、ダルキーの設備で革製のスロットバルブを覆っていた蝶番付きの鉄板であるウェザーフラップは省略された。L&CRには、ジェームズ・ピアソンという気圧技師がいた。モーズレー、サン・アンド・フィールド社 は、ダートマス・アームズ、ジョリー・セイラー、クロイドンに3台の100馬力蒸気機関とポンプを供給し、それらのために精巧な機関室が建てられた。それらはWHブレイクスピアによってゴシック様式で設計され、高い煙突があり、そこから排気された空気が高所に排出された。[注4 ]
路線上には2本の針を備えた電信システムが設置され、駅員が遠隔地の機関庫に列車の出発準備が整ったことを知らせることができるようになった。
ダートマス・アームズからクロイドンまでのこの区間は、1846年1月に大気輸送システムでの運行を開始した。
牽引管のスロットとピストンブラケットは左右対称でした。つまり、スロットの閉鎖フラップは片側で連続的にヒンジで固定され、ピストン支持ブラケットはフラップの必要な開口を最小限に抑えるようにクランクで回転しました。このため、ピストンキャリッジは運行終了時にターンテーブル上で単純に回転させることはできませんでした。代わりに、ピストンキャリッジは両端に取り付けられていましたが、ピストンは手動で新しい先頭端に移されました。ピストンキャリッジ自体は、列車の先頭端まで手動（または馬力）で移動させる必要がありました。ダートマスアームズ駅のプラットフォームは、2つの蒸気機関車が運行する線路の間にある島でした。キュービットは、大気圧ピストンキャリッジが通常の線路に入ることができるように、特別なポイントシステムを設計しました。[注5 ]
貿易委員会の検査官であるパスリー将軍は、1845年11月1日にこの路線を視察し、全線開通を承認した。タイムズ紙はこの出来事を報じた。特別列車が蒸気機関車に牽引されてロンドン・ブリッジを出発し、フォレスト・ヒルで機関車が切り離され、
ピストンキャリッジが置き換えられ、列車は大気圧によって作動するようになった。列車は 10 両の客車 (ピストンが取り付けられている客車を含む) からなり、重量は 50 トン以上であった。 2 時 7 分 30 分に列車はダートマス アームズの停車地点を出発し、8 分 45 分にピストンが弁に入った[注 6 ]その時すぐに、このシステムの顕著な利点の 1 つは、始動時の動きが穏やかでほとんど知覚できないことであるとわかった。機関車路線で駅を出発する際には、神経質で臆病な乗客を驚かせるのに十分な、時には絶対的な「ショック」に相当する「ガクッ」という揺れをしばしば経験してきた。しかし、ここではそのようなことは何も経験しなかった。ピストンがパイプに入ってから 1 分 15 分以内に、強い向かい風に対して到達した速度は時速 12 マイルであった。次の 1 分、つまり 2 時 11 分には時速 25 マイルに達した。 2時13分には時速34マイル、2時14分には時速40マイル、2時15分には時速52マイルで走行し、この速度は2時16分まで維持されたが、その後速度が低下し始め、2時17分半に列車はクロイドン終点に到着した。こうしてダートマス・アームズから5マイルの道のりを8分45秒で走破した。ピストン客車の気圧計は25インチの真空を示し、機関室の気圧計は28インチの真空を示した。[注7 ] [ 15 ]
公式の一般公開運転が成功したことは広く報道され、直ちに大気を利用した長距離鉄道の新たな計画が推進され、サウス・デボン鉄道の株価は一夜にして急騰した。
11月8日付のパスリーの報告は好意的で、路線の開通は承認された。しかし、取締役たちはもう少し経験を積みたいと考え、開通をためらった。1845年12月19日、フォレストヒル定置式機関のクランクシャフトが破損し、機関は使用不能となった。しかし、部品はすぐに交換され、1846年1月16日に路線は開通した。
その日の午前11時、クロイドン機関車の1台のクランクシャフトが破損した。2台の機関車が用意されていたため、もう1台の機関車を使用して運行を続けることができたが、午後7時20分にその機関車も同じ運命をたどった。 [注8 ] 再び修理が行われたが、1846年2月10日、クロイドン機関車の2台とも故障した。
これは大気システム支持者にとって痛烈な打撃だった。評判の良いエンジンメーカーから調達した定置エンジンの製造上の欠陥は、大気システム自体の実用性について何も語っていないが、サムダがL&CRの取締役会に言ったように、
「一般の人々は（知ることができないため）停電の原因を区別することができず、あらゆる異常は気象システムのせいだと考えられている。」[ 16 ]
2か月後、フォレストヒルの機関車の1台の梁が折れた。当時、取締役たちはエプソム拡張計画を進めており、モーズレー社からの機関車購入計画を急遽見直し、入札を募った。バーミンガムのボルトン・アンド・ワット社が契約を獲得したが、その価格は競合他社よりもかなり低かった。
ロンドン・ブライトン鉄道は1846年7月6日にロンドン・アンド・クロード鉄道（L&CR）と合併し、ロンドン・ブライトン・アンド・サウスコースト鉄道（LB&SCR）が設立された。当面の間、この大会社の経営陣はL&CRの意向を引き継ぎ、大気圧式鉄道システムを採用した。
1846年の夏は異常に暑く乾燥しており、牽引パイプのフラップバルブに深刻な問題が生じ始めた。革製のフラップを閉じたときにしっかりと密閉することが不可欠だったが、天候によって革が硬くなっていた。列車が通過するたびに継ぎ目を密閉するはずだった獣脂と蜜蝋の混合物については、サムダは当初「この混合物は大気の温度では固体であり、それより数度高い温度に加熱されると流動化する」[ 5 ]と述べており、暑い天候がまさにその効果をもたらした。サムダのシステムに関する当初の説明には、フラップを覆う金属製のウェザーバルブが含まれていたが、L&CRではこれが省略されていたため、バルブが天候にさらされ、また、ある観察者の報告によると、女性が線路に落としたハンカチなどのゴミが吸い込まれることを助長した。フラップの座面にゴミが詰まると、その効果が低下するだけだった。
さらに、獣脂（動物性脂肪を精製したもの）はネズミにとって魅力的なものでした。1859年の資料によると、ネズミは夜中に鉄管に入り込んで獣脂を食べ、毎朝最初の列車のためにポンプが作動すると「数百匹」が殺されたと報告されています。[ 17 ]列車を動かすのに十分な真空を作り出すことができなかったため、遅延が頻繁に発生し、高架橋の急勾配での停車は日常茶飯事で、マスコミで広く報道されました。
取締役たちは、大気システム、特に3基のエンジンを搭載する予定だったエプソム拡張計画について不安を感じ始めた。1846年12月、彼らはボルトンとワットに計画の中止について相談し、供給契約を1年間停止すると2,300ポンドの費用がかかると告げられた。取締役たちはこれに同意した。
1846/7年の冬は新たな気象上の困難をもたらした。異常な寒さで革製のフラップが硬くなり、雪がチューブに入り込んだため[注9 ]、大気圧式列車の運休がさらに増えた。1847年2月、蒸気機関車による代用運転中に線路作業員が死亡した。これは悲劇的な不幸な出来事であったが、大気圧式列車がまたもや運休しているという報道が広まる結果となった。[ 18 ]
この長い期間を通して、取締役たちは、ロンドン橋方面への延伸に資金が費やされているにもかかわらず、大気送水システムの推進にますます熱意を失っていったに違いない。（このシステムは、北行きは重力、南行きはダートマス・アームズ揚水場を利用して、1847年1月にダートマス・アームズからニュー・クロスまで開通した。）国民の信頼が重要な状況では、取締役たちは、少なくとも最終決定が下されるまでは、疑念を公に表明することはできなかった。1847年5月4日、[ 19 ]取締役たちは「クロイドン大気送水管は撤去され、計画は放棄された」と発表した。
理由はすぐに公表されなかったようだが、きっかけは貿易省の検査官がブライトン線とエプソム線の分岐点に第二分岐点を設けるよう主張したことだったようだ。これが何を指しているのかは不明で、単に苦渋の決断のタイミングを正当化するためだったのかもしれない。理由が何であれ、LB&SCRではそれ以上の雰囲気作りの工事は行われなかった。[ 2 ]
グレート・ウェスタン鉄道（GWR）とブリストル・アンド・エクセター鉄道は協力して、1844年5月1日にエクセターに到達し、広軌鉄道でロンドンとエクセターを結んだ。デヴォンシャーの関係者は、プリマスまで路線を延伸することが重要だと考えたが、地形が大きな障害となった。高地が多く、容易に通過できるルートがなかったのだ。
かなりの論争を経て、サウス・デボン鉄道会社（SDR）は1844年7月4日にサウス・デボン鉄道法（7 & 8 Vict. c. lxvii）を取得し、路線の建設を認可した。
同社のエンジニアは、革新的なエンジニア、イザムバード・キングダム・ブルネルだった。彼はダルキー線を視察し、その路線の大気圧式鉄道システムの性能に感銘を受けていた。サムダは常に自身のシステムの利点を主張しており、その利点には（彼によれば）はるかに優れた登坂能力と線路の軽量化が含まれるという。これにより、丘陵地帯の路線でも通常よりも急勾配な設計が可能になり、建設コストを大幅に削減できると考えた。
ブルネルが計画段階で大気圧式鉄道システムを採用することを決定していれば、当時の機関車技術では不可能だったルートを開拓できたはずだ。現在も使用されているサウス・デボン鉄道のルートは勾配が急で、一般的に「難解」とされている。評論家たちは、この難しさの原因を大気圧式鉄道用に設計されたことにあると指摘することが多い。例えば、
セコンは、路線の地形について説明し、ニュートン・アボットの先では、
この地域の地形は、勾配の良い鉄道を建設するには非常に不向きである。しかし、当時、サウス・デボン鉄道会社の技師であったブルネル氏は、この欠点を問題視しなかった。彼は大気圧方式で路線を建設することを提案しており、この方式の利点の1つとして、急勾配の斜面でも平地と同じように簡単に作業できることを挙げていたからである。[ 20 ]
実際、大気システムの採用を検討するという決定は、議会法が可決された後になされたものであり、そのルートは議会に提出される前に最終決定されていたに違いない。
法案可決から8週間後、株主たちは「法案可決以来、 サムダ兄弟社から 、サウスデボン線に同社の牽引システムを適用する提案が提出された」と知らされた。ブルネルと取締役の代表団はダルキー線を視察するよう求められていた。報告書は、その結果として、
路線の多くの地点で勾配と曲線の両方がこの原理の適用を特に有利にするという事実を考慮して、取締役会は電気電信を含む大気システムをサウスデボン鉄道の全線で採用することを決定しました。[ 23 ]
エクセターからニュートン・アボット（当初はニュートンと呼ばれていた）までの区間の建設はすぐに始まった。この最初の部分はほぼ平坦で、丘陵地帯だったのはニュートンから先の区間だった。45馬力（34kW ）のポンプエンジンと機械の供給契約は1845年1月18日に締結され、同年7月1日までに納入されることになっていた。牽引パイプの製造は困難に直面した。パイプは溝を成形した状態で鋳造されることになっていたが[注10 ]、当初は歪みが深刻な問題だった。
機械の納入とパイプの敷設は大幅に遅れたが、その作業がまだ進行中の1846年8月11日、ニュートン以遠の丘陵地帯に必要な機関車の契約が締結された。これらの機関車は、64馬力（48kW ）、場合によっては82馬力（61kW）と、より強力なものとなり、牽引パイプの直径もより大きくなる予定だった。
エクセターとテインマス間の列車運行は1846年5月30日に開始されたが、これはGWRから借りた蒸気機関車で運行されていた。1847年9月13日[注11 ]にようやく最初の旅客列車が大気システムで運行を開始した[ 24 ] [ 25 ]。大気貨物列車は数日前に運行されていた可能性がある。
当初は、宣伝されていた蒸気機関車による運行に加え、大気圧式列車が1日4本運行されていたが、やがて蒸気機関車に取って代わった。当初、大気圧式列車はテインマスまでしか運行されておらず、そこから蒸気機関車がピストン客車を含む列車をニュートンまで牽引し、ニュートンでピストン客車を切り離して列車は運行を続けた。11月9日からニュートンまでの大気圧式列車の運行が一部開始され、1848年3月2日からはこの区間のすべての列車が大気圧式となった。
1847年から1848年の冬にかけて、テインマスへの定期便が運行された。記録された最高速度は、28ロングトン（28トン）を牽引して4マイル（6.4km ）を走行した際の平均時速64マイル（103km /h ） 、100ロングトン（100トン）を牽引した際の時速35マイル（56km /h ）であった。
この時期には、大気圧式鉄道の2つの重要な制約が克服されました。1つ目は、駅に補助牽引管が設置されたことです。これは線路の外側に敷設されていたため、分岐器の邪魔になりませんでした。ピストン車はロープでこの牽引管に接続され（牽引管自体にもピストンがあったはずです）、列車は駅に引き込まれ、本線への接続口まで進むことができました。2つ目は、牽引管の踏切装置です。道路通行のために、牽引管の上に蝶番式のカバープレートが設置されていましたが、牽引管の空気がなくなると、分岐管が小さなピストンを作動させてカバーを持ち上げ、ピストン車が安全に通過できるようにするとともに、道路利用者への警告の役割も果たしました。当時の技術図面を見ると、牽引管は通常よりもかなり低く、上端はレールヘッドとほぼ同じ高さで、中央は横梁の中央と同じ高さになっています。軌間がどのように維持されていたかについては、図面には示されていません。
列車は一見順調に運行していたものの、技術的な計算ミスがあった。ブルネルは当初、ニュートンまでの平坦区間には12インチ（300 mm）、起伏の多い区間には15インチ（380 mm）のパイプを指定していたようで、定置エンジンの出力と真空ポンプを指定する際に、出力を大幅に不足させていたようだ[26]。12インチ（300 mm）のパイプは廃棄され、代わりに15インチ（380 mm）のパイプが設置され、起伏の多い区間には22インチ（560 mm）のパイプが設置され始めた。エンジン制御ガバナーに変更が加えられ、設計値より50%速く走行できるように出力が引き上げられた。石炭消費量は予想をはるかに上回り、列車1マイルあたり1シリング0ペンス（リースしたGWR蒸気機関車のレンタル料金2シリング6ペンス）ではなく、3シリング1.5ペンスだったと報告された。これは、電信がまだ設置されておらず、列車が遅れていても時刻表に従ってポンプで送る必要があったことが一因かもしれない。8月2日に電信が準備できた後、その後の数週間の石炭消費量は25%減少した。[ 27 ]
1847年から1848年の冬、牽引パイプのスロットを密閉する革製のフラップバルブに不具合が生じ始めた。冬の寒い日には、雨で濡れた革が霜で固く凍ってしまった。そのため、列車が通過した後にバルブがきちんと閉まらず、パイプ内に空気が入り込み、ポンプの効率が低下した。翌年の春と夏は暑く乾燥した天候が続き、革製のバルブも乾燥してしまい、同様の結果となった。ブルネルは柔軟性を保つために、革に鯨油を塗布した。パイプ上の酸化鉄と革に含まれるタンニンとの間で化学反応が起こったと言われている。ピストンの革製カップシールにも問題があった。
評論家たちは、サウスデボン線では、ダルキー線でフラップバルブを覆うために使用されていた鉄製の風防フラップが省略されていたことを指摘している。ダルキー線では、ピストンブラケットのすぐ手前で鉄板が折り曲げられていた。サウスデボン線でこれが省略された理由は記録されていないが、高速走行時にはこの構造は相当な機械的力を必要とし、騒音を発生させたに違いない。
5月と6月には、さらに深刻な問題が発生した。フラップの一部が固定部分から剥がれてしまい、急いで交換する必要が生じたのだ。サムダは同社とシステムの保守契約を結んでおり、耐候性カバーの設置を勧めたが、採用されなかった。これでは差し迫った問題は解決せず、革製のフラップを完全に交換する必要があった。その費用は3万2000ポンドと見積もられたが、当時としては非常に高額だったため、サムダは対応を拒否した。
欠陥のあるシステムを稼働させ続けようとする中で契約上の行き詰まりが生じ、終焉が近いことは避けられなかった。1848年8月29日の株主総会で、取締役たちはあらゆる困難を報告せざるを得ず、ブルネルが気圧式システムの廃止を勧告したこと、グレート・ウェスタン鉄道と蒸気機関車の提供に関する取り決めが進められていること、そして気圧式システムは1848年9月9日をもって廃止されることを告げた。
ブルネルが取締役に提出した報告書（会議で公開された）は包括的な内容で、彼は自身の微妙な立場とサムダの契約上の義務にも留意していた。彼は3つの供給業者から入手した定置式エンジンについて次のように述べている。「これらのエンジンは、全体として成功したとは言えません。どれもまだ経済的に稼働しておらず、燃料の消費量が非常に多いものもあります。」極端な天候、暑さ、霜、豪雨における革弁の不具合については、
同じ対策が3つすべてに適用でき、弁の革に油とニスを塗って防水性を保つことで、雨天時に水が染み込んだり、寒冷時に凍結して弁が硬くなりすぎて閉じられなくなったりするのを防ぎます。また、同じ対策で革が熱で乾燥して縮むのも防ぎます。熱による主な不都合は、組成物の融解ではなく、革の乾燥と縮みだからです。ピストンキャリッジ内のタンクから弁に少量の水をかけることも、非常に乾燥した天候では有効であることがわかっています。これは、漏れの原因が熱ではなく乾燥であることを示しています。
しかし、もっと深刻な問題があった。
「縦方向の弁の大部分が、プレート間の接合部における革の裂け目によって破損した。革はまずこれらの箇所で部分的にひび割れ、特に乾燥した天候時にかなりの漏れを引き起こした。その後、完全に裂けてしまった。」
牽引パイプとバルブの保守はサムダ社の契約上の責任であったが、ブルネル氏は、同社が不注意な保管をしていたこと、そしてバルブが列車で使用される前にしばらく設置されていたことを非難していると述べた。ブルネル氏は責任問題については言及を避け、緩和策の可能性を示唆したが、結論として次のように述べた。
建設費用は予想をはるかに上回り、旅行者も労働者も慣れ親しんでいるシステムとは全く異なるシステムを運用することの難しさは、あまりにも大きいことが判明しました。したがって、さらなる試行錯誤の後、現在敷設されている部分の運用コストを大幅に削減できることは間違いありませんが、ニュートン以降にこのシステムを継続する動機付けとなる可能性は期待できません。[ 28 ]
一部の株主の間では激しい反発が生じ、特にサムダとブルネルは激しく批判されたが、路線の気圧システムは完成した。
トーマス・ギルはサウス・デボン社の取締役会長を務めており、大気システムを継続することを望んでいた。そのため、彼はその職を辞任し、1848年11月にシステムの維持を訴えるパンフレットを出版した。ギルは十分な支持を集め、1849年1月6日に臨時株主総会が開催された。長時間の技術的な議論が行われ、その中でギルはクラークとヴァーリーが大気システムを完成させ、路線の一部区間で維持する契約を結ぶ用意があると述べた。ギルによれば、他にも25人の発明家が、自分たちの発明品を路線で試したいと熱望していた。会議は8時間続いたが、最終的に投票が行われ、出席した株主の過半数がシステムの継続に賛成し、賛成645株、反対567株となった。しかし、会議に出席したくない株主が多数の委任状を保有しており、それらの投票により、5,324対1,230でシステムの廃止が確定した。
それが、サウスデボン鉄道における大気システムの終焉だった。
愛好家グループの間では、革製のフラップが破損した原因の一つは、獣脂に引き寄せられたネズミがそれをかじったことだとよく言われている。初期の頃はネズミが牽引パイプに引き込まれたと言われているが、上記の危機会議ではこれについて言及はなかった。歴史家のコリン・ディヴァルは、ネズミが鉄道でそのような問題を引き起こしたという「文書による証拠は全くない」と考えている。[ 29 ]
実演ラインのピストンキャリッジは、開放型の4輪トラックだった。図面には制御装置は一切描かれていない。ピストンを支える梁は「パーチ」と呼ばれ、車軸に直接取り付けられ、中央で旋回する構造になっていた。取り付けブラケットの後部にはカウンターウェイト（「コールター」と呼ばれる）が取り付けられていた。
通常の列車編成は2両で、車掌室と3等客室を備えたピストン式客車と、後部に展望窓のある2等客車から成っていた。1等客車はなかった。車掌はスクリューブレーキを装備していたが、その他の制御装置はなかった。降下は重力によって行われ、車掌はピストン装置を片側に振り回すレバーを持っていたため、ピストンがチューブの外に出た状態で降下することができた。
運行を開始したル・ペックからサン・ジェルマンまでの区間は、ダルキー線とほぼ同じ長さで、重力による降下はチューブ内のピストンで行われ、空気圧が速度を減速させるのに役立つ点を除いて、同様の方法で運行された。上部のターミナルには側線があり、ロープで切り替えが行われた。[ 30 ]
ピストン式客車は、両端に運転台がある6輪の貨車で、両端運転台があった。運転席は客車内部にあり、開放された場所ではなかった。中央車軸はバネがなく、ピストン機構が直接車軸に接続されていた。運転席には真空計（水銀マノメーター）があり、金属管でピストンの頭部に接続されていた。一部の車両には、モーゼス・リカルドの発明である速度計が取り付けられていた。ブレーキの他に、運転席にはバイパスバルブがあり、ピストンの前に部分的に排気された牽引管に空気を送り込み、牽引力を低減していた。これは、高架橋からの1/50の下り坂で使用されていたようだ。レバーとバルブの配置は、サムダの論文の図に示されている。
サムダの特許の一部には、直径が可変のピストンが含まれており、同じピストン式車両で牽引管のサイズが異なる区間を走行できるようになっていました。クレイトンは次のように説明しています。走行中に運転士が切り替えを制御でき、レバーでピストンヘッドの後部にある傘のような装置を操作し、ヒンジ付きの鋼鉄製のリブを備えていました。ピストン用のブラケットを収容するために、牽引管のスロット、つまり管の上部は、管の直径に関係なく同じ高さである必要があり、密閉すべき追加の空間はすべて下方と横方向にあるようにしました。この「傘」状の構造は非対称でした。実際には、サウスデボン鉄道ではこの装置は使用されませんでした。なぜなら、そこの22インチの管は一度も開けられなかったからです。また、フォレストヒルでの切り替えは、大気システムがそこで終了するまでのわずか4か月しか続きませんでした。[ 31 ]可変径ピストンはサンジェルマン鉄道でも使用される予定で、ナンテールからル・ペックまでは15インチのパイプ、サンジェルマンまでの3.5%の勾配では25インチのパイプが使用される予定だった。25インチの区間のみが完成したため、単純なピストンが使用された。[ 30 ]
デイントン機関室では、ポンプへの入口パイプに真空受容器が設置される予定だった。これは明らかに牽引パイプに吸い込まれる可能性のある破片を捕捉するためのもので、職員が時々破片を取り除くための開閉可能なドアが付いていた。[ 32 ]
2つの実証用鉄道は、ピストンだけでなく車両全体をチューブ内に収める構造で建設された。どちらの場合も、車両は一方の方向には大気圧によって、もう一方の方向には加圧によって押し出され、どちらの場合も蒸気機関車のような煙やガスを出さずに地下を走行させることを目的としていた。
19世紀に行われた実用的な大気システムの構築（前述）は、技術的な欠陥によって失敗に終わった。しかし現代では、最新の素材を用いることで、実用的なシステムの実現が可能になった。
20世紀末、ブラジルのエアロモベル社は、大気圧を利用した自動旅客輸送システムを開発した。軽量の列車は、空気ダクトを形成する高架の中空コンクリート箱桁に取り付けられたレール上を走行する。各車両は、ダクト内の四角いプレート（ピストン）に取り付けられており、ゴム製のフラップで密閉された縦方向のスロットを通るマストで接続されている。路線沿いには固定式の電動空気ポンプが設置されており、ダクト内に空気を送り込んで正圧を発生させるか、ダクト内の空気を排出して部分的な真空状態を作り出す。ピストンプレートにかかる圧力差によって車両が動く。
照明とブレーキ用の電力は、車両が走行する線路を流れる低電圧（50 V）電流によって列車に供給され、これは車載バッテリーの充電に使用されます。列車には駅で正確に停止するための従来型のブレーキが装備されており、プレートに圧力差がかかっていない場合は自動的にブレーキが作動します。満載の車両の積載量と自重の比率は約 1:1 で、これは従来型の代替手段よりも最大 3 倍優れています。[ 35 ]車両は無人で、線路脇の制御によって動作が決定されます。[ 36 ]エアロモベルは、1970 年代後半にブラジル人のオスカー HW コースターによって設計されました。[ 37 ]
このシステムは、 1989年にインドネシアのジャカルタにあるタマン・ミニ・インドネシア・インダーで初めて導入されました。テーマパークにサービスを提供するために建設されたもので、 6つの駅と3つの列車を備えた2マイル（3.22 km）のループです。[ 38 ] 2010年代後半にこのシステムは閉鎖されました。その後、1つの列車によるディーゼル運転に切り替えられ、2019年に再開されました。[ 39 ]
2番目の路線であるメトロ・エアポート・コネクションは2013年8月に開通した。この路線はポルト・アレグレ地下鉄のエスタサオン・アエロポルト（空港駅）とサルガド・フィリョ国際空港の第1ターミナルを結んでいる。[ 40 ]単線で、全長は0.6マイル（1km ）、所要時間は90秒である。最初の150人乗り車両は2013年4月に納入され、その後300人乗りの2番目の車両が納入された。
2018年12月、エアロモベルと中国鉄路工程集団（CREG）の協力により、中国に空気圧鉄道の研究開発センターが開設された。[ 41 ] 両社は2017年初頭からプロジェクトで協力しており、[ 42 ]カノアス向けに提案された着工済みだが頓挫したシステムもその一つである。[ 43 ]
ガーナの首都アクラに計画されている、5路線、全長194キロメートル（121マイル）の高架式ライトレールネットワークであるアクラ・スカイトレインも、この技術を採用する予定だ。2019年、ガーナ政府は南アフリカのコンソーシアムと、推定費用26億ドルでこのプロジェクトを開発するための建設・運営・譲渡（BOT）方式のコンセッション契約を締結した。2021年6月現在 このプロジェクトは、実現可能性調査の段階から先に進んでいません。
2020年12月、エアロモベル技術を所有するエアロム社が、サンパウロ/グアルーリョス国際空港にGRU空港旅客輸送システムを設置する企業に選ばれたことが発表された。路線は全長2.6キロメートル（1.6マイル）で、4つの駅が設置される予定である。[ 44 ] [ 45 ]
米国のフライト・レール・コーポレーションは、真空と空気圧を利用して乗客モジュールを高架軌道に沿って移動させる高速大気列車のコンセプトを開発した。固定式の動力システムは、トラス構造のレール下部中央に配置された連続空気圧チューブ内で、ピストンの前方に真空、後方に圧力を発生させる。自由ピストンは上部の乗客モジュールに磁気的に結合されており、この構造により動力チューブを密閉して漏れを防ぐことができる。輸送ユニットは、動力チューブの上部にある一対の平行な鋼製レール上を走行する。
同社は現在、屋外の試験用ガイドウェイで1/6スケールのパイロットモデルを稼働させている。ガイドウェイは長さ2,095フィート（639メートル）で、2%、6%、10%の勾配が含まれている。パイロットモデルは最高時速25マイル（40キロメートル/時）で走行する。同社は、本格的な実装では時速200マイル（320キロメートル/時）を超える速度が可能になると述べている。[ 46 ] [ 47 ]しかし、2024年に創設者マックス・P・シュリンガーが死去したため、プロジェクトは中断された。[ 48 ] [ 49 ]