BAB II LANDASAN TEORI
2.10 Perkembangan Superkonduktor
Perkembangan bahan superkonduktor oleh ilmuwan ditandai dengan peningkatan suhu kritis pada bahan yang ditemukan. Perkembangan peningkatan suhu kritis (Tc) pada superkonduktor ditunjukkan dalam grafik yang dipaparkan oleh Wiendartun (2012:12) berikut.
Grafik 6. Peningkatan Suhu Kritis terhadap Tahun Penemuan Bahan Superkonduktor.
Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa terjadi peningkatan dalam suhu kritis superkonduktor. Penemuan terkait material superkonduktor dipelopori oleh Heike
Kamerlingh Onnes pada tahun 1911 yang menemukan merkuri (logam raksa) sebagai bahan superkonduktor pada suhu yang sangat rendah yakni 4,2 K.
Selanjutnya, ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor selain merkuri.
Beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon bersifat superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah superkonduktor.
Pada tahun 1986 Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rüschlikon, Switzerland berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Keramik tidak menghantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian. Setelah itu, penemuan superkonduktor suhu tinggi berkembang pesat yang diungkapkan sebagai berikut.
Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi. Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0,8T10. 2Ba2Ca2Cu3O8,33. (Wiendartun, 2012:13)
Berikut tabel 1 menyajikan penemuan bahan-bahan superkonduktor dari tahun 1911 hingga tahun 1987.
16
4
Tabel 1. Penemuan Bahan-bahan Superkonduktor beserta Suhu Kritisnya.
Bahan Tc (K) Ditemukan
Raksa Hg (α ) 4,2 1911
Timbal Pb 7,2 1913
Niobium nitrida 16,0 1960-an
Niobium-3-timah 18,1 1960-an
BAB III PEMBAHASAN
3.1 Aplikasi Superkonduktor pada Kereta Maglev
Pemanfaatan superkonduktor yang bersifat „tanpa hambatan‟ diterapkan secara luas dalam bidang kelistrikan. Dalam dunia kelistrikan, hambatan merupakan hal yang dihindari karena dengan adanya hambatan, arus akan terbuang menjadi energi panas yang tidak diinginkan. Bahkan penggunaan superkonduktor di bidang transportasi listrik baru-baru ini memanfaatkan Efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta super cepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 Maglev Train. Kereta api ini bergerak melayang di atas magnet superkonduktor. Dengan melayang, gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan.
Hal ini menyebabkan kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, yaitu berkisar pada nilai 343 mph atau 550 km per jam. Berikut gambar 4 menunjukkan kereta Maglev produksi Jepang The Yamanashi MLX01 Maglev Train.
Gambar 4. The Yamanashi MLX01 Maglev Train Japan.
Sumber : http://cdn2.ubergizmo.com/wp-content/uploads/2011/06/Everetti_Maglev.jpg
18
17 3.2 Definisi Kereta Maglev
Secara bahasa, Kereta Maglev berarti kereta yang mengambang secara magnetis.
Kereta ini secara konsisten dikembangkan pada tahun 2004 di Jepang dengan mengadopsi teknologi dari Jerman. Di tahun yang sama, Cina justru mendahului Jepang untuk meresmikan penggunaan kereta ini. Mahalnya biaya pembuatan rel menjadikan Kereta Maglev hanya digunakan secara komersil pada tahun 2007 oleh dua Negara saja, yaitu Jepang dan Cina.
Arifuddin (2014) mengatakan bahwa Kereta Maglev merupakan pengembangan dari penemuan teknologi pendorongan kereta oleh motor induksi linear yang dipatenkan oleh James R. Powell dan Gordon Danby pada tahun 1969 yang meneruskan teknologi motor induksi dasar yang dikembangkan oleh Eric Laithwaite.
Sederhananya, Kereta Maglev adalah kereta tanpa roda yang menggunakan tenaga magnet untuk melayang, menggerakkan, dan mengontrol jalannya kereta. Kereta dengan teknologi Maglev sangat mungkin menggantikan transportasi massal dengan kecepatan yang tinggi, percepatan besar, efisiensi energi yang tinggi, dan ramah lingkungan.
3.3 Prinsip Kerja Kereta Maglev
Terkenal dengan julukan ‘terbang tanpa sayap’, Kereta Maglev bergerak mengambang sekitar 110 mm diatas rel tanpa struktur sayap. Prinsip dasar pengambangan kereta bukan melalui sayap yang merupakan bagian terpenting untuk terbang dalam ilmu aerodinamika, melainkan didapat melalui interaksi antara rel magnetik dengan mesin induksi yang juga menghasilkan medan magnetik di dalam kereta.
Maglev atau "levitasi magnet" adalah teknik mengangkat objek menggunakan prinsip magnet dalam fisika dasar. Dua kutub magnet yang sama (misalnya, utara-utara atau selatan-selatan) akan tolak-menolak. Sedangkan dua kutub magnet yang berlainan, yaitu utara dan selatan, akan tarik-menarik.
Rifky (2009) mengemukaan bahwa “untuk kereta jenis ini (Maglev) terdapat 3 kategori berdasarkan ketergantungannya, yaitu pada magnet superkonduktivitas
(suspensi elektrodinamik), pada elektromagnetik terkontrol (suspensi elektromagnetik), dan magnet permanen (Inductrack)”.
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. Teknik ini tidak menggunakan prinsip tolak-menolak dan tarik-menarik antar kutub magnet secara mentah-mentah karena tentunya, sangat tidak efisien kereta membawa batang magnet berkekuatan besar yang nanti digunakan untuk mengangkat kereta tersebut. Karena itu, digunakanlah Hukum Lenz yang dikemukakan sebagai berikut.
Hukum Lenz 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 magnetic (Waluyo, 2004).
Hukum tersebut kemudian digunakan menciptakan medan magnet yang cukup besar. Medan magnet itu dihadapkan 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.
Rel (lintasan) Kereta Maglev berbeda dengan rel kereta yang sudah kita kenal selama ini. Pada kedua sisi lintasan rel Kereta Maglev terdapat dinding-dinding yang dilengkapi dengan kumparan-kumparan kawat. Oleh prinsip induksi elektromagnet, kumparan-kumparan kawat ini dapat menjadi magnet. Kereta bisa bergerak maju karena adanya interaksi antara magnet-magnet pada dinding-dinding itu dengan magnet-magnet
20
17
yang dipasang pada kereta. Gambar 5 merupakan ilustrasi pemasangan magnet-magnet pada dinding rel dan Kereta Maglev.
Gambar 5. Ilustrasi Pemasangan Magnet pada Rel dan Kereta Maglev.
Sumber : http://prinsipkereta.weba tu.com/Gambar/keretamagnet_clip_image004.gif
Berdasarkan gambar 5 dapat dilihat adanya jajaran magnet di sepanjang dinding dan di sepanjang kereta (huruf-huruf U menunjukkan kutub Utara, dan S menunjukkan kutub Selatan). Jajaran magnet di sepanjang dinding ini dihasilkan oleh arus listrik bolak-balik dari stasiun-stasiun terdekat. Kutub Utara (U) di gerbong kereta paling depan ditarik oleh kutub Selatan dan ditolak oleh kutub Utara dinding lintasan. Hal yang sama terjadi pada sisi kereta yang lain. Pada gambar, panah berwarna hijau menunjukkan gaya tarik antara kutub Utara dan Selatan yang menarik maju kereta.
Panah kecil berwarna biru menunjukkan gaya tolak antar kutub sejenis (Utara dengan Utara, Selatan dengan Selatan). Gaya tarik dan gaya tolak yang bekerja bersamaan ini membuat kereta bergerak maju dengan mulus tanpa menyentuh rel sama sekali.
Selain menjadi sumber penggerak kereta, rel pada Kereta Maglev berfungsi sebagai pengendali arah laju kereta yang diungkapkan sebagai berikut.
Dinding yang memagari lintasan kereta ini tidak hanya berfungsi untuk menarik dan mendorong kereta supaya bergerak maju dan mengangkat kereta sehingga bisa melayang. Ada satu fungsi lainnya yang tidak kalah pentingnya, yaitu sebagai pengendali arah laju kereta (guidance). Maksudnya adalah supaya kereta
tidak pernah keluar jalur dan tetap berada di tengah-tengah lintasan setiap saat.
Prinsip magnet kembali digunakan sebagai pengendali. Ketika kereta oleng ke kiri, gerakan kereta ini mengakibatkan kumparan kawat dinding kiri dan kanan menjadi magnet. Magnet pada dinding kiri dan dinding kanan diusahakan memiliki kutub yang sama, misalnya kutub Utara. Misalnya gerbong kereta yang berhadapan dengan dinding di sisi kiri memiliki kutub Utara juga, dan gerbong kereta yang berhadapan dengan dinding di sisi kanan memiliki kutub Selatan.
Pada sisi kiri akan terjadi tolak-menolak antara kutub Utara dari dinding dan kutub Utara gerbong kereta. Pada sisi kanan terjadi tarik-menarik antara kutub Utara dinding dan kutub Selatan kereta. Gaya-gaya ini akan mengembalikan kereta pada posisi sebelum oleng. Demikian juga jika kereta oleng ke kanan, kereta akan dikembalikan ke posisi semula oleh gaya magnet ini. Jadi gaya magnet ini akan mempertahankan kereta supaya tetap berada di lintasannya (stabil di tengah-tengah lintasan), tidak akan keluar jalur (Surya dalam http://
http://prinsipkereta.webatu.com/keretamagnet.html)
Prinsip kemagnetan pada Kereta Maglev semakin maju dengan aplikasi konsep superkonduktor. Karena tidak memiliki hambatan, bahan superkonduktor ini dapat menolak medan magnet yang merupakan Efek Meissner superkonduktor. Ini berarti magnet yang diletakkan di atas bahan superkonduktor akan melayang (terbang) karena tidak bisa mendekati bahan superkonduktor itu (mengalami gaya tolak).
Oleh karena itu, aplikasi superkonduktor pada Kereta Maglev merupakan perhatian utama dalam keefektifan gaya tolak-menolak magnet yang digunakan sebagai prinsip dasar Kereta Maglev.
Riset-riset pengembangan superkonduktor untuk diterapkan pada Kereta Maglev terus digencarkan oleh ilmuwan saat ini. Dari Wikipedia (http://id.wikipedia.org/wiki/Kereta_Maglev, 2013) pada tanggal 31 Desember 2000, superkonduktor temperatur tinggi berawak pertama secara sukses diuji di barat daya Universitas Jiaotong, Chengdu, Cina. Sistem ini berdasarkan prinsip "bulk"
konduktor temperatur tinggi dapat diangkat atau dilayangkan secara stabil di atas atau di
22
17
bawah magnet permanen. Muatannya di atas 530 kg dan jarak pelayangannya lebih dari 20 mm. Sistem ini menggunakan nitrogen cair, yang sangat murah, untuk mendinginkan superkonduktor.