10. APLIKASI ELEKTROMAGNETIK
10.1. Magnetic Levitation (MAGLEV)
Salah satu aplikasi penting elektromagnetik adalah ditemukannya kereta maglev (magnetic levitation). Beberapa negara maju telah memanfaatkan kekuatan elektromagnetik untuk mengembangkan kereta berkecepatan tinggi tersebut. Maglev (magnetic levitation) mengandung pengertian bahwa kereta ini akan mengambang di sepanjang lintasan menggunakan prinsip dasar magnet yang menggantikan roda dan rel kereta [6]. Penelitian dan pengembangan maglev, yang memanfaatkan teknologi superkonduktor telak dilaksanakan sejak 1970. Perkembangan maglev secara teknis dimulai pada tahun 2000. Pada Desember 2003, telah dicapai kecepatan maksimum 581 km/jam dari kereta maglev. Maglev, sebuah perpaduan teknologi magnet superkonduktor dan motor linear, mampu merealisasikan kecepatan super tinggi, keamanan, kecilnya dampak terhadap lingkungan dan perawatan yang minimum.
Prinsip kereta magnet adalah melayang di atas medan magnet dan didorong oleh sebuah motor induksi linear. Kereta tersebut mengikuti lintasan pengarah dengan magnet. Kereta ini sering disebut sebagai kereta “magnetically levitation” yang disingkat maglev. Perbedaan utama antara kereta maglev dan kereta konvensional yaitu kereta maglev tidak memiliki mesin. Sebagai ganti bahan baker fosil, medan magnet ditimbulkan oleh medan listrik kumparan pada dinding lintasan dan pada relnya untuk mendorong kereta. Maglev adalah sebuah system di mana kedaraan melaju di atas lintasan dengan mengambang dengan memanfaatkan gaya elektromagnetik yang ditimbulkan antara magnet superkonduktor yang terdapat pada kendaraan dengan kumparan pada tanah. Kereta maglev melayang kira-kira 10mm di atas lintasan dalam sebuah medan
magnet. Kereta tersebut didorong oleh lintasan itu sendiri dengan mengubah-ubah medan magnetnya. Elektromagnet bergerak di sepanjang lintasannya.
10.1.2 Efek Meissner
Effek meisner (ditemukan tahun 1933) adalah efek yang dalam superkonduktor yakni material yang memiliki resistansi nol pada suhu dibawah suhu kritisnya. Medan magnet eksternal yang seharusnya melakukan penetrasi dalam bahan menjadi terblokade dan mengalir diluar bahan dan dekat permukaan bahan sampai kedalaman London (London depth).
10.1 Ilustrasi Efek Meissner
Secara umum, pengembangan teknologi maglev bisa dikategorikan dalam dua prinsip itu, yakni gaya tarik dan gaya tolak magnet. Eksplorasi teknik tersebut dipelopori dua negara maju, yaitu Jerman dan Jepang. Jerman menggunakan EMS (sistem suspensi elektromagnetik) dan Jepang menggunakan EDS (sistem suspensi elektrodinamis). EMS menggunakan prinsip gaya tarik magnet, sedangkan EDS menggunakan gaya tolak magnet. Sistem ini sangat tidak efisien kereta membawa batang magnet yang berkekuatan besar yang nanti digunakan untuk mengangkat kereta tersebut. Karena itu, kita harus berterima kasih kepada fisikawan berkebangsaan Estonia, Lenz. Fisikawan yang hidup pada 1804-1865 itu berhasil menjelaskan fenomena magnetisme dan merumuskannya dalam sebuah hukum
yang terkenal dengan nama hukum Lenz. Hukum tersebut menyatakan, perubahan fluks magnet dalam ruang yang dikelilingi sistem kawat yang membentuk kumparan tertutup akan mengakibatkan terciptanya medan magnet yang melawan perubahan fluks magnet dalam sitem itu. Hal tersebut terjadi karena alam, dalam hal ini kumparan tertutup itu, ingin mempertahankan kondisi awal fluks magnet yang dimiliki ruang dalam lingkaran kawat tertutup tersebut. Hukum itu juga sering disebut kelembaman magnetik. Hukum tersebut kemudian digunakan menciptakan medan magnet yang cukup besar. Medan magnet itu diperhadapkan dengan medan magnet lain yang akan menciptakan gaya tarik, jika kedua kutub magnet yang berhadapan berlawanan arah atau gaya tolak jika kedua kutub magnet tersebut berlawanan, seperti terlihat pada Gambar 10.2.
Gambar 10.2. Sistem Maglev
10.1.3 Struktur Sistem Maglev
Banyak tanah koil, koil aktif untuk penggerak dan koil pasif untuk levitasi (dan bimbingan), ditempatkan di sepanjang trek dalam tanah. Magnet superkonduktor yangterletak di kedua sisi kendaraan. Kendaraan Maglev yang didorong oleh kekuatan magnetdan kumparan levitasi, dan kendaraan terangkat oleh para kekuatan magnet. Sebuah magnet superkonduktor terutama terdiri dari empat gulungan superkonduktor terbuat dari tembaga dan titanium, empat kapal dalam (wadah helium cair terbuat dari stainless steelditutupi oleh aluminium untuk mengurangi kerugian eddy saat ini, empat perisai radiasi (nitrogen cair kasus
pendinginan terbuat dari aluminium) dan kapal lainnya (kasus vakum terbuat dari paduan aluminium). Setiap kapal batin didukung dan tetap ke luar kapal melaluiperisai radiasi dengan berbagai struktur pendukung mekanik (tipe kerucut, jenis batang, dansilinder tipe-batang). Kumparan superkonduktor memiliki bentuk seperti arena pacuan kuda di atletik lapangan.
Gambar 10.3 Susunan Rel Maglev Train
Sayang sekali transportasi yang sangat menakjubkan ini tidak terdapat di indonesia hanya negara negara tertentu yang berani mengembangkan teknologi ini. Transportasi Maglev pertama kali diusulkan lebih dari satu abad yang lalu, tetapi baru menjalani debut peluncuranya pada 2005 lalu. Jerman dan Jepang berada digaris depan teknologi kereta Maglev dan keduanya saat ini sedang menguji prototipe dari maglev yang mereka teliti. Meskipun berdasarkan teknologi serupa kereta Jerman dan Jepang memiliki perbedaan yang berbeda. Di Jerman, insinyur sedang membangun suspensi elektromagnetik (EMS) sistem, yang disebut transrapid. Dalam sistem ini, bagian bawah kereta membungkus di sekitar guideway baja. Elektromagnet melekat pada kereta undercarriage diarahkan ke arah guideway, yang melayang kereta sekitar sepertiga dari satu inci (1 cm) di atas relnya dan terus kereta levitated bahkan ketika itu tidak bergerak. Magnet pedoman lainnya tertanam dalam melatih tubuh tetap stabil selama perjalanan. Jerman telah menunjukkan bahwa Transrapid yang Kereta maglev bisa mencapai 300 mph dengan orang-orang di dalamnya.
Sedangkan insinyur Jepang sedang mengembangkan versi bersaing Maglev kereta api yang menggunakan elektrodinamika suspensi (EDS) sistem, yang didasarkan pada kekuatan memukul mundur magnet. Perbedaan utama antara Jepang dan Jerman Maglev kereta api adalah bahwa Kereta api Jepang menggunakan elektromagnet superkonduktor super dingin. Jenis-jenis elektromagnet dapat menghantarkan listrik bahkan setelah pasokan daya listrik telah dimatikan. Di sistem EMS, yang menggunakan elektromagnet standar, kumparan hanya menghantarkan listrik ketika power supply hadir. Dengan mendinginkan kumparan pada suhu dingin, japanis Sistem menghemat energi. Perbedaan lain antara sistem adalah bahwa kereta api Jepang melayang hampir 4 inci (10 cm) di atas relnya. Satu potensi kelemahan dalam menggunakan sistem EDS adalah bahwa kereta Maglev harus bergulir ban karet hingga mencapai kecepatan lepas landas dari sekitar 62 mph (100 kph). Insinyur Jepang mengatakan roda adalah keuntungan jika kegagalan daya menyebabkan shutdown sistem. Transrapid kereta Jerman dilengkapi dengan baterai cell untuk keadaan emergency.
10.1.4 Prinsip Kerja MagLev Train
. Sesuai dengan namanya, kereta ini bekerja berdasarkan prinsip gaya angkat magnetis. Sehingga sewaktu berjalan, kereta ini tidak menyentuh rel, melainkan melayang diatasnya sekitar10mm. Hampir 98% bahan penyusun relnya terbuat dari magnet superkonduktor. Sehingga kereta sebesar ini bisa tetap lengket dengan relnya walau pada kecepatan 500km/jam.
Gaya dorong kereta ini dihasilkan oleh interaksi antara motor induksi raksasa di dalam kereta dengan rel magnetisnya, yang otomatis menghasilkan gaya dorong yang luar biasa kuatnya. Bila diasumsikan berat 1 buah kereta Maglev 3 gerbong adalah 300 ton, maka hal ini setara dengan seorang manusia yang mendorong 1 buah truk kontainer dengan kecepatan 50 km/jam.
Gambar 10.4 Rel super konduktor
Gaya dorong superkuat itulah yang menyebabkan kereta ini dapat mencapai kecepatan 650 km/jam. Bila di Indonesia ada kereta ini, jarak antara Surabaya- Bogor dapat ditempuh hanya dalam kurun waktu 1 jam 15 menit.
Gambar 10.5 Konstruksi mesin maglev
Biaya pengadaan dan perawatan relnya pun sangat fantastis. Dari data yang diperoleh, biaya untuk membangun per 50 m rel maglev mencapai $600,000.
Jenis Teknologi Maglev terdiri dari:
1. Magnet superkonduktivitas (suspensi elektrodinamik)
2. Elektromagnetik terkontrol (suspensi elektromagnetik)
3. Magnet permanen (Inductrack)
Jepang dan Jerman merupakan dua negara yang aktif dalam pengembangan teknologi maglev menghasilkan banyak pendekatan dan desain. Dalam suatu desain, kereta dapat diangkat oleh gaya tolak magnet dan dapat melaju dengan motor linear.Pengangkatan magnetik murni menggunakan elektromagnet atau magnet permanen tidak stabil karena teori Earnshaw; Diamagnetik dan magnet superkonduktivitas dapat menopang maglev dengan stabil.
Berat dari elektromagnet besar juga merupakan isu utama dalam desain. Medan magnet yang sangat kuat dibutuhkan untuk mengangkat kereta yang berat.Efek dari medan magnetik yang kuat tidak diketahui banyak. Oleh karena itu untuk keamanan penumpang, pelindungan dibutuhkan, yang dapat menambah berat kereta. Konsepnya mudah namun teknik dan desainnya kompleks.
Gambar 10.6 Maglev Transrapid di Shanghai
Sistem yang lebih baru dan tidak terlalu mahal disebut Inductrack. Teknik ini memiliki kemampuan membawa beban yang berhubungan dengan kecepatan kendaraan, karena ia tergantung kepada arus yang diinduksi pada sekumpulan elektromagnetik pasif oleh magnet permanen. Dalam contoh, magnet permanen
berada di gerbong; secara horizontal untuk menciptakan daya angkat, dan secara vertikal untuk memberikan kestabilan. Sekumpulan kabel putar berada di rel. Magnet dan gerbong tidak membutuhkan tenaga, kecuali untuk pergerakan gerbong. Inductrack pada awalnya dikembangkan sebagai motor magnetik dan penopang untuk "flywheel" untuk menyimpan tenaga. Dengan sedikit perubahan, penopang ini diluruskan menjadi jalur lurus. Inductrack dikembangkan oleh fisikawan Wiliiam Post di Lawrence Livermore National Laboratory.
Inductrack menggunakan array Halbach untuk penstabilan. Array Halbach adalah pengaturan dari magnet permanen yang menstabilisasikan putaran kabel yang bergerak tanpa penstabilan elektronik. Array Halback mulanya dikembangkan untuk pembimbing sinar dari percepatan partikel. Mereka juga memiliki medan magnet di pinggir rel, dan mengurangi efek potensial bagi penumpang. Sekarang ini, NASA melakukan riset penggunaan sistem Maglev untuk meluncurkan pesawat ulang alik. Untuk dapat melakukan ini, NASA harus mendapatkan peluncuran pesawat ulang alik maglev mencapai kecepatan pembebasan, suatu tugas yang membutuhkan pewaktuan pulse magnet yang rumit (lihat coilgun) atau arus listrik yang sangat cepat, sangat bertenaga (lihat railgun).
10.1.5 Electromagnetic Suspension (EMS)
Kereta Maglev menggunakan tenaga magnet listrik biasa dari rel, agar kereta dapat terangkat 10 milimeter. Namun, cara ini tidak stabil. Akibatnya, jarak mengambang harus selalu dikontrol. Ketika dayamegnet berkurang, kereta bisa turun dan menabrak rel. Cara ini pertama kali dikembangkan di jerman.
Gambar 10.7 Electromagnetic Suspension (EMS)
10.1.6 Electrondynamic Suspension (EDS)
Metode ini menggunakan tenaga magnet superkonduktor. Tenaga ini mampu mengangkat kereta sejauh 100 hingga 150 milimeter. Cara ini jauh lebij stabil ketimbang cara yang pertama. Daya angkat yang dihasilkan tidak hanya melalui guideway saja, tetapi juga dari kereta itu sendiri. Magnet superkonduktor ini harus selalu didinginkan dengan alat pendingin pada kereta maglev agar tidak mudah rusak. Biasanya menggunakan helium cair yang sangat dingin.
10.1.5 Inductrack System
Merupakan penemuan metode paling terbaru yang memanfaatkan rel sebagai magnet yang permanen sehingga lebih ekonomis secara operasional namun mahal di perancangan.
Gambar 10.9 Inductrack System
Gambar 10.10 Magnet Levitation
Kereta dengan teknologi maglev tidak saja menjawab kebutuhan manusia untuk bergerak dengan kecepatan tinggi, tetapi juga menjawab kenyamanan transportasi. Kereta maglev dilengkapi interior setingkat kelas bisnis dalam sebuah pesawat.
Kereta maglev didesain dengan dimensi manusia yang normal. Berarti, orang setinggi 1,8 meter bisa masuk kereta tanpa harus menunduk. Lingkungan dalam kereta dilengkapi pemanas dan pendingin suhu serta dilengkapi ruang yang bertekanan udara nyaman. Kereta maglev tersebut juga dilengkapi peralatan antigetar. Getaran yang diakibatkan motor kereta bisa diredam sedemikian rupa. Sehingga, setiap penumpang bisa menulis layaknya menulis di atas meja kerja di darat. Sambil bekerja atau santai, setiap penumpang juga bisa menikmati pemandangan di luar kereta dengan sangat nyaman. Sebab, gerbong kereta dilengkapi kaca panjang dan lebar.
Tentunya, sangat tidak efisien kereta membawa batang magnet yang berkekuatan besar yang nanti digunakan untuk mengangkat kereta tersebut. Karena itu, kita harus berterima kasih kepada fisikawan berkebangsaan Estonia, Lenz. Fisikawan yang hidup pada 1804-1865 itu berhasil menjelaskan fenomena magnetisme dan merumuskannya dalam sebuah hukum yang terkenal dengan nama hukum Lenz.
Hukum tersebut menyatakan, perubahan fluks magnet dalam ruang yang dikelilingi sistem kawat yang membentuk kumparan tertutup akan mengakibatkan terciptanya medan magnet yang melawan perubahan fluks magnet dalam sitem itu. Hal tersebut terjadi karena alam, dalam hal ini kumparan tertutup itu, ingin mempertahankan kondisi awal fluks magnet yang dimiliki ruang dalam lingkaran kawat tertutup tersebut. Hukum itu juga sering disebut kelembaman magnetik.
Hukum tersebut kemudian digunakan menciptakan medan magnet yang cukup besar. Medan magnet itu diperhadapkan dengan medan magnet lain yang akan menciptakan gaya tarik, jika kedua kutub magnet yang berhadapan berlawanan arah atau gaya tolak jika kedua kutub magnet tersebut berlawanan.
Dengan teknologi tingginya, kereta maglev memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan kereta konvensional, utamanya yaitu dari segi perawatan. Karena kereta berjalan dengan mengambang maka tidak ada kontak dan tidak membuhkan komponen yang digunakan di luar. Hal tersebut berarti tidak memerlukan perawatan. Selain itu kereta juga tidak menemui gaya gesek selain gaya gesek udara. Keunggulan lainnya adalah suara yang ditimbulkan tidak
sebising kereta konvensional karena tidak ada gesekan roda dan rel seperti pada kereta konvensional. Pada radius 100 m Magev menimbulkan noise sebesar 69 dB. Pada radius yang sama lalu lintas jalan di pusat kota menimbulkan noise 80 dB. Akan tetapi, kebisingan akibat gesekan dengan udara tetap ada.
Kereta maglev melayang di udara mengurangi gesekan. Kurangnya gesekan dan desain aerodynamic kereta memungkinkan kereta sebagai transportasi darat dengan kecepatan yang tak pernak diperkirakan, yaitu berkecepatan lebih dari 500 km per jam atau dua kali kereta tercepat Amtrak. Sebagai perbandingan, BOEING 777 yang digunakan untuk penerbangan jarak jauh dapat mencapai kecepatan tertinggi sekitar 905 km per jam.
Ditinjau dari segi elektromagnetnya, kereta maglev juga memiliki beberapa keunggulan, yaitu :
a. Intensitas medan magnet yang ditimbulkan sangat rendah, bahkan lebih kecil dari yang biasa ditimbulkan oleh alat-alat rumah tangga seperti pengering rambut, pemanggang dan gergaji mesin.
b. Menggunakan energi 30 % lebih kecil daripada kereta berkecepatan tinggi saat berjalan dengan kecepatan yang sama (sepertiga kali lebih kuat dengan konsumsi energi yang sama). Hal ini dapat ditunjukkan oleh tabel 10.1.
Tabel 10.1 Perbandingan kecepatan kereta
Kecepatan (km/jam) Kereta Es (Wh/km) Kereta Maglev (Wh/km) 200 32 32 250 44 37 300 71 47 400 - 71
c. Getaran akan lebih tidak terasa dibandingkan dengan kereta konvensional. Dari segi keamanannya, kereta maglev ini akan jauh lebih aman dan resiko kecelakaan sangat kecil karena kumparan akan aktif hanya jika dilewati dan
kereta akan selalu berjalan pada sinkronisasi dan dengan kecepatan yang sama. Di samping itu, dari segi bahan yang digunakan juga mengakibatkan kereta ini lebih tahan terhadap panas/ api karena menggunakan bahan nonpvc yang tidak dapat terbakar dan merupakan penghantar panas yang buruk. Maglev yang tidak memerlukan bahan bakar juga meningkatkan ketahanan terhadap resiko terbakar.
Kereta ini juga lebih ramah terhadap lingkungan. Lintasan maglev membutuhkan ruang yang lebih kecil dan kereta ini dapat berjalan pada kemiringan yang lebih besar dibandingkan kereta konvensional. Hal ini dapat mengurangi penebangan yang berarti akan mengurangi kerusakan struktur kota karena pembangunan lintasan.