PENERAPAN SUPERKONDUKTOR DALAM TEKNOLOGI TRANSPORTASI KERETA MAGLEV (MAGNETIC LEVITATION) MAKALAH. Oleh FITRIA SEPTIANI NIM

Transkripsi

1 PENERAPAN SUPERKONDUKTOR DALAM TEKNOLOGI TRANSPORTASI KERETA MAGLEV (MAGNETIC LEVITATION) MAKALAH disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah umum Bahasa Indonesia Oleh FITRIA SEPTIANI NIM PROGRAM STUDI TEKNIK OTOMASI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2014

2 ABSTRAK Padatnya aktivitas dalam era globalisasi menuntut manusia untuk bertindak secara efektif dan efisien. Oleh karena itu, ilmuwan-ilmuwan di seluruh dunia berlombalomba dalam menemukan teknologi baru yang semakin memudahkan manusia menjalankan aktivitasnya, salah satunya adalah pengembangan teknologi dalam bahanbahan listrik. Mengingat listrik sudah menjadi bagian utama bagi kehidupan seluruh manusia di bumi, penemuan bahan-bahan listrik menjadi sorotan utama bagi produsen dan konsumen demi penggunaan listrik yang seefisen mungkin. Abad ke-19 merupakan terobosan baru dalam dunia kelistrikan. Pada saat itu, bahan superkonduktor ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes, fisikawan asal Jerman. Bahan superkonduktor adalah bahan listrik yang memiliki sifat hambatan sama dengan nol pada suhu tertentu sehingga daya listrik yang diperoleh utuh, tidak ada rugi sedikitpun. Prospek bahan superkonduktor yang cerah menjadikan para ilmuwan gencar melakukan penelitian dan pengembangan. Hingga pada abad ke-20, penerapan bahan superkonduktor dibuktikan melalui peluncuran Kereta Maglev (Magnet Levitation) yang memiliki kecepatan super tinggi oleh Negara-negara maju seperti Jepang, Cina, Jerman, Amerika Serikat dan Inggris. Kecepatan kereta ini menjadikan perjalanan lebih efektif bagi masyarakat penggunanya, sehingga masyarakat bisa menggunakan waktunya lebih efisien untuk berbagai macam aktivitas yang membutuhkan jasa transportasi. Bahan superkonduktor berperan sebagai penggerak Kereta Maglev. Jadi, bahan superkonduktor menjadi poin penting dalam pembuatan Kereta Maglev. i

3 ABSTRACT In the era of globalization, the denseness of activity is demanding humans to act effectively and efficiently. Therefore, scientists around the world are competing in discovering new technologies that further facilitate the people to carry out its activities, one of which is the development of technology in electrical materials. Considering that electricity has become a major part for the whole of human life on earth, the discovery of electrical materials become the main attention for both producers and consumers to use electricity as effeicient as possible. The 19th century is a new breakthrough for the world of electricity. At that time, superconducting material was discovered by a German physicist, Heike Kamerlingh Onnes. Superconductors are materials that have no resistance at a certain temperature so, the electrical power obtained intact there is no power loss at all. Bright prospect of the superconductors invention made scientists incentive in research and development. Until the 20th century, the application of superconducting materials was proved by the train Maglev (Magnetic Levitation) that had a super high speed, was launched by developed countries such as Japan, China, Germany, USA and UK. High speed train makes the trip even more effective for the citizen, so that people could use their time more efficiently to a wide range of activities that require transportation services. Superconducting materials have important act to drive Maglev train. Thus, the superconducting material becomes critical points in the manufacturing of Maglev train. ii

4 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum warahmatullahi wabarakatuh. Alhamdulillahirabbilalamin, banyak nikmat yang Allah SWT berikan, tetapi sedikit sekali yang kita ingat. Segala puji hanya layak untuk Allah SWT atas segala berkat, rahmat, taufik, serta hidayah-nya yang tiada terkira besarnya, sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah yang dibuat untuk memenuhi mata kuliah umum Bahasa Indonesia Semester II tingkat D-4 tahun 2014 dengan judul Penerapan Superkonduktor dalam Teknologi Transportasi Kereta Maglev (Magnetic Levitation). Penulis mengucapkan terimakasih kepada Ibu Sri Murniati selaku pembimbing penyusunan makalah ini. Meskipun penulis berharap isi makalah ini bebas dari kekurangan dan kesalahan, namun pastilah karya ini tak sempurna dan tidak luput dari kesalahan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk kemajuan sesama. Akhir kata penulis berharap agar makalah ini bermanfaat bagi semua pembaca. Bandung, 31 Maret 2014 Penyusun iii

5 DAFTAR ISI ABSTRAK.i ABSTRACT..ii KATA PENGANTAR..iii DAFTAR ISI.iv DAFTAR GAMBAR, GRAFIK DAN TABEL.vi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Ruang Lingkup Kajian Tujuan Penulisan Cara Memperoleh Data..3 BAB II LANDASAN TEORI Sejarah Superkonduktor Pengertian Superkonduktor Sifat Kelistrikan Superkonduktor Sifat Quantum Superkonduktor Sifat Kemagnetan Superkonduktor Efek Meissner Suhu Kritis pada Superkonduktor Tipe-tipe Superkonduktor Superkonduktor Tipe I Superkonduktor Tipe II Kelompok Superkonduktor Superkonduktor Bersuhu Kritis Rendah Superkonduktor Bersuhu Kritis Tinggi Suhu Pemadaman Superkonduktor Perkembangan Superkonduktor iv

6 BAB III PEMBAHASAN Aplikasi Superkonduktor pada Kereta Maglev Definisi Kereta Maglev Prinsip Kerja Kereta Maglev Kelebihan dan Kekurangan Kereta Maglev BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA v

7 DAFTAR GAMBAR, GRAFIK DAN TABEL Gambar 1. Atom Logam Keadaan Normal (kanan) dan Atom Logam Keadaan Superkonduktor (kiri)....6 Gambar 2. Efek Meissner pada Superkonduktor....8 Gambar 3. Struktur Orthorhombic Gambar 4. The Yamanashi MLX01 Maglev Train Japan Gambar 5. Ilustrasi Pemasangan Magnet pada Rel dan Kereta Maglev Grafik 1. Hubungan Resitivitas (ρ) dengan Suhu (T) pada Bahan Superkonduktor....5 Grafik 2. Hubungan Antara Hambatan (Ohm) dan Suhu (Kelvin) pada Bahan YBa 2 Cu 3 O Grafik 3. Hubungan Magnetisasi Terhadap Medan Magnet Grafik 4. Magnetisasi Superkonduktor Tipe II Terhadap Medan Magnet Grafik 5. Hubungan Sumbu Kristal dengan Kenaikan Suhu pada Bahan Superkonduktor Grafik 6. Peningkatan Suhu Kritis terhadap Tahun Penemuan Bahan Superkonduktor Tabel 1. Bahan-bahan Superkonduktor beserta Suhu Kritisnya vi

8 3 `BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Era globalisasi menjadikan dua puluh empat jam sehari sangat singkat bagi manusia. Padatnya aktivitas menuntut manusia untuk bertindak secara efektif dan efisien. Oleh karena itu, ilmuwan-ilmuwan di seluruh dunia saat ini berlomba-lomba dalam menemukan teknologi baru yang semakin memudahkan manusia menjalankan aktivitasnya, salah satunya adalah pengembangan teknologi dalam bahan-bahan listrik. Listrik sudah menjadi bagian utama kehidupan bagi seluruh manusia di bumi. Umat manusia membutuhkan listrik untuk maju dalam era globalisasi. Sebelum abad ke- 19, bahan-bahan listrik dibedakan menjadi tiga kelompok saja, yakni konduktor, semikonduktor dan isolator. Pengelompokkan ini berdasarkan kemampuan bahan dalam menghantarkan listrik. Konduktor pada saat itu merupakan penghantar listrik yang paling baik, diikuti dengan semikonduktor, sedangkan isolator merupakan bahan yang tidak dapat menghantarkan listrik sama sekali. Namun, penggunaan konduktor dalam transmisi listrik saat itu dinilai jauh dari efisien. Besarnya dana, tenaga dan area yang dibutuhkan untuk memanfaatkan listrik menjadi keluhan produsen dan konsumen. Hal ini menjadikan bahan-bahan listrik yang efisien, bahkan se-efisien mungkin dalam penggunaannya menjadi perhatian utama para ilmuwan. Sehingga, penelitian-penelitian bahan listrik yang bertujuan untuk mengurangi rugi daya pada listrik pun berkembang pesat di awal abad ke-19. Penelitian seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911 membuka pintu bahan-bahan listrik ke era baru. Onnes menemukan gebrakan baru dalam bahan listrik yang kini disebut dengan bahan superkonduktor, yakni suatu bahan listrik yang memiliki sifat hambatan sama dengan nol pada suhu tertentu sehingga daya listrik yang diperoleh utuh, tidak ada rugi sedikitpun. Penemuan cemerlang Onnes langsung menjadi pusat perhatian di seluruh 1

9 2 belahan dunia. Prospek yang cerah dari bahan superkonduktor menjadikan penelitianpenelitian terkait gencar dilaksanakan. Perkembangan superkonduktor pun akhirnya menjadi implementasi yang nyata saat Negara-negara maju seperti Jepang, Cina, Jerman, Amerika Serikat dan Inggris meluncurkan transportasi massal kereta cepat Maglev (Magnetic Levitation) pada abad ke-20. Penggunaan superkonduktor sebagai penggerak kereta menjadikan Kereta Maglev yang berkecepatan tinggi, yakni sekitar km/jam memungkinkan penggunanya berpergian jauh hanya dalam hitungan menit. Ditambah lagi, Kereta Maglev tidak mencemari lingkungan karena bebas dari polusi karbon yang saat ini merupakan ancaman utama bagi seluruh makhluk hidup terkait kelestarian lingkungan. Kereta Maglev yang ramah lingkungan menjadi solusi tepat bagi tuntutan masyarakat yang ingin menjalankan aktivitas lebih efektif dengan cara menghemat waktu berpergian. Negara berkembang seperti Indonesia yang padat penduduk telah lama bermasalah dengan kemacetan di kota-kota besarnya. Padahal, kota-kota besar seperti Jakarta merupakan pusat aktivitas ekonomi Indonesia yang berperan penting dalam pertumbuhan Negara. Kemacetan menjadi salah satu faktor penghambat masyarakat dalam menjalankan aktivitasnya. Masyarakat Indonesia membutuhkan sarana transportasi massal tanpa hambatan. Kini rasanya menjadi saat yang tepat untuk menelaah lebih dalam konsep Kereta Maglev sebagai penerapan bahan superkonduktor demi kemajuan negeri Indonesia tercinta.

10 3 1.2 Ruang Lingkup Kajian Penemuan superkondutor membawa era baru pada dunia kelistrikan. Aplikasi bahan-bahan superkonduktor membawa harapan cerah dalam dunia globalilasi yang menuntut serba efeketif dan efisien. Penggunaan superkondutor untuk menjadikan suatu alat lebih efisien karena sifat kelistrikannya yang tanpa hambatan dapat diterapkan pada banyak hal. Namun, dalam makalah ini hanya dibahas pada salah satu aplikasinya, yakni sarana transportasi massal super cepat Kereta Maglev. Karena pada saat ini, Kereta Maglev menjadi perhitungan bagi seluruh negara di dunia demi memenuhi kebutuhan masyarakat yang ingin efektif sekaligus efisien dalam melaksanakan perjalanan aktivitasnya. 1.3 Tujuan Penulisan Makalah ini disusun dengan tujuan sebagai berikut : 1. Memahami karakteristik bahan superkonduktor. 2. Memahami prinsip kerja Kereta Maglev. 3. Memahami peran superkonduktor dalam Kereta Maglev. 4. Mengetahui keuntungan dan kekurangan Kereta Maglev. 1.4 Cara Memperoleh Data Perolehan data makalah ini dilakukan secara murni kajian pustaka baik dari buku-buku, artikel internet maupun hasil tertulis penelitian-penelitian terkait bahan superkonduktor dan Kereta Maglev yang disimpan dalam dokumen elektronik. Sedikit pengetahuan penulis tentang bahan superkondutor dalam mata kuliah Bahan-Bahan Listrik menjadi data pendukung makalah ini. 1

11 4 `BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sejarah Superkonduktor Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K atau 269ºC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes mendapatkan hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Kemudian suhu 4,2 K disebut sebagai suhu kritis (Tc) untuk material merkuri dimana pada suhu tersebut, arus mengalir melalui material secara terus-menerus dengan hambatan nol. Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes lalu dilakukan dengan mengalirkan arus pada suatu kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya yang dilanjutkan dengan pengukuran arusnya pada waktu satu tahun kemudian. Ternyata, arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. 4

12 5 Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913 (Wiendartun, 2012:1). 2.2 Definisi Superkonduktor Superkonduktor erat kaitannya dengan hambatan pada listrik. Maryati (2010:5) menyatakan bahwa superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Artinya, superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan. Karakteristik dari bahan superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek Meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya. Menurut Wiendartun (2012:2), grafik hubungan antara resitivitas (ρ) dan suhu (T) pada bahan superkonduktor digambarkan sebagai berikut : Grafik 1. Hubungan Resitivitas (ρ) dengan Suhu (T) pada Bahan Superkonduktor. 2.3 Sifat Kelistrikan Superkonduktor Bahan logam konduktor tersusun dari kisi-kisi, basis dan elektron bebas. Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akan mendapat percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala arah dan menumbuk atomatom pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor. 4

13 6 Berbeda dengan logam konduktor, pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara elektron dengan inti atom. Namun, elektron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari atom kisi. Efek ini dapat dijelaskan oleh Teori BCS (Berdeen, Cooper, dan Schrieffer). Ketika elektron melewati kisi, inti yang bermuatan positif menarik elektron yang bermuatan negatif dan mengakibatkan elektron bergetar (Kusmahetiningsih, 2011). Gambar 1 yang dipaparkan oleh Wiendartun (2012:3) menunjukkan perbedaan antara atom logam dalam keadaan normal dengan atom logam dalam keadaan superkonduktor. Keadaan Normal Keadaan Superkonduktor Gambar 1. Atom Logam Keadaan Normal (kanan) dan Atom Logam Keadaan Superkonduktor (kiri). 2.4 Sifat Quantum Superkonduktor Teori tentang superkonduktor yang lebih terinci melibatkan mekanika kuantum yang mendalam, diajukan oleh Berdeen, Cooper dan Schrieffer pada tahun 1975 dikenal sebagai Teori BCS yang akhirnya memenangkan hadiah Nobel pada tahun Teori BCS dijelaskan sebagai berikut. Teori BCS mengatakan jika ada dua buah elektron yang melewati kisi, elektron kedua akan mendekati elektron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih besar. Gaya ini melebihi gaya tolak-menolak antar elektron sehingga elektron-elektron dalam superkonduktor selalu dalam keadaan berpasang- 4

14 7 pasangan dan seluruhnya berada dalam keadaan kuantum yang sama. Pasanganpasangan ini disebut pasangan Cooper. Bila dibandingkan dengan elektron konduksi dalam konduktor biasa, pada konduktor biasa elektron bergerak sendiri-sendiri dan akan kehilangan sebagian energinya jika ia terhambur oleh noda atom (impurities) atau oleh phonon, dimana phonon adalah kuantum energi getaran kerangka (lattice) kristal bahan. Elektron tersebut akan menimbulkan distorsi terhadap kerangka kristal sehingga menimbulkan daerah tarikan. Tarikan ini dalam superkonduktor pada suhu rendah bisa mengalahkan tolakan Gaya Coulomb antar electron. Sehingga dengan tukar menukar phonon, dua elektron justru akan membentuk ikatan menjadi pasangan Cooper. Oleh karena keadaan kuantum elektron-elektron yang sama, suatu elektron tidak dapat terhambur tanpa mengganggu pasangannya. Pada suhu T < Tc getaran kerangka tidak memiliki cukup energi untuk mematahkan ikatan pasangan tersebut. Akibatnya, elektron-elektron dalam material menjadi tahan terhadap hamburan. Pasangan elektron ini akan melalui kisi tanpa gangguan dengan kata lain tanpa hambatan. Sehingga dalam keadaan tersebut, material disebut sebagai superkonduktor (Kusmahetiningsih, 2011). 2.5 Sifat Kemagnetan Superkonduktor Sifat lain dari superkonduktor yaitu bersifat diamagnetisme sempurna. Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek yang sama dapat diamati jika medan magnet diberikan pada bahan dalam suhu normal kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada suhu kritis, medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner Efek Meissner Menurut Meissner (dalam Kusmahetiningsih, 2011), ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet 4

15 8 akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 100 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol. Peristiwa ini dinamakan Efek Meissner dan merupakan karakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet. Ilustrasi sederhana Efek Meissner digambarkan sebagai berikut. Gambar 2. Efek Meissner pada Superkonduktor. Efek Meissner ini sangat kuat sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka Efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya. Batas kuatnya medan magnet sehingga bahan superkonduktor memiliki medan magnet disebut dengan medan magnet kritis. Jika medan magnet yang diberikan pada bahan superkonduktor melebihi batas medan magnet kritisnya, maka bahan superkonduktor tidak akan mengalami Efek Meissner lagi. 2.6 Suhu Kritis pada Superkonduktor Suhu kritis menjadi poin yang penting untuk memanfaatkan sifat superkonduktivitas suatu bahan. Wiendartun (2012:6) mengatakan bahwa suhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran elektron akan bertambah sehingga banyak Phonons yang 4

16 9 dipancarkan. Ketika mencapai suhu kritis tertentu, maka Phonons akan memecahkan pasangan Cooper dan bahan kembali ke keadaan normal. Contoh grafik hambatan terhadap suhu pada bahan YBa 2 Cu 3 O 7 digambarkan Kusmahetiningsih (2011) sebagai berikut. Grafik 2. Hubungan Antara Hambatan (Ohm) dan Suhu (Kelvin) pada Bahan YBa 2 Cu 3 O Tipe-tipe Superkonduktor Berdasarkan interaksi dengan medan magnetnya, maka superkonduktor dapat dibagi menjadi dua tipe yaitu Superkonduktor Tipe I dan Superkonduktor Tipe II. Pembagian ini didasarkan pada teori BCS (Bardeen, Cooper dan Schrieffer) Superkonduktor Tipe I Superkonduktor tipe I secara fisik ditandai dengan gejala superkonduktivitas yang menghilang secara total saat mencapai nilai medan magnet kritisnya. Hal ini dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (Cooper) yang diungkapkan pada Teori BCS. Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion-ion logam yang 4

17 10 bermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan Efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan normal (Nurzaman, 2012). Berikut merupakan grafik besarnya penolakan medan magnet bertahap dari titik nol ke titik medan magnet kritis (Bc), hingga daerah yang melebihi titik medan magnet kritis (Ba). Grafik 3. Hubungan Magnetisasi Terhadap Medan Magnet Superkonduktor Tipe II Superkonduktor tipe II menitikberatkan perbedaannya dengan superkonduktor tipe I dalam gejala superkonduktivitasnya yang tidak 4

18 11 menghilang secara tiba-tiba saat mencapai nilai medan magnet kritis. Namun, gejala superkonduktivitas menurun bertahap hingga sama dengan konduktor biasa. Superkonduktor tipe ini tidak dapat dijelaskan dengan Teori BCS karena tidak terjadi Efek Meissner persis seperti yang dikemukakan Teori BCS sebelumnya. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor tipe II ini. Teori Abrisokov dikemukakan sebagai berikut. Abrisokov mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (Vortices) dan bagaimana medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini. Sehingga secara mendetail, dapat diprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor (Nurzaman, 2012). Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba, tetapi secara bertahap. Pada suhu kritis, bahan akan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I. Grafik 4 yang dipaparkan Nurzaman (2012) terkait magnetisasi superkonduktor tipe II terhadap medan magnet. 4

19 12 Grafik 4. Magnetisasi Superkonduktor Tipe II Terhadap Medan Magnet. 2.8 Kelompok Superkonduktor Bahan superkonduktor dikelompokkan menjadi dua berdasarkan nilai suhu kritisnya Superkonduktor Bersuhu Kritis Rendah Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih kecil dari 23 K dan telah banyak ditinggalkan penggunaannya karena biaya yang mahal untuk mendinginkan bahan Superkonduktor Bersuhu Kritis Tinggi Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih besar dari 78 K. Superkonduktor bersuhu kritis tinggi merupakan bahan yang menjadi pusat perhatian dalam penelitian dan pengembangan masa kini. Prospek cerah dari pengaplikasian superkonduktor menjadikan peneliti gencar menemukan material yang mengalami gejala superkonduktivitas pada suhu kamar normal. Contoh superkonduktor bersuhu kritis tinggi adalah sampel bahan YBa 2 Cu 3 O 7-x. Bahan ini memiliki struktur kristal orthorhombic yang ditunjukkan seperti gambar berikut. 4

20 13 Gambar 3. Struktur Orthorhombic. 2.9 Suhu Pemadaman Superkonduktor Suhu pemadaman merupakan batas suhu untuk merusak sifat superkonduktor. Artinya pada suhu ini, material akan kehilangan gejala superkonduktivitasnya. Berikut merupakan grafik yang dikemukakan oleh Wiendartun (2012:10) terkait bentuk kristal pada bahan superkonduktor. Grafik 5. Hubungan Sumbu Kristal dengan Kenaikan Suhu pada Bahan Superkonduktor. 4

21 14 Pada grafik diatas dapat kita lihat bahwa semakin tinggi suhu yang diberikan pada bahan superkonduktor, maka struktur kristal superkonduktor tidak lagi berbentuk orthorhombic. Dengan adanya perubahan struktur kristal superkonduktor, suatu bahan akan kehilangan sifat superkonduktornya 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 4

22 15 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 Hg 0,8 T 10. 2Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8,33. (Wiendartun, 2012:13) Berikut tabel 1 menyajikan penemuan bahan-bahan superkonduktor dari tahun 1911 hingga tahun

23 16 Tabel 1. Penemuan Bahan-bahan Superkonduktor beserta Suhu Kritisnya. Bahan Tc (K) Ditemukan Raksa Hg (α ) 4, Timbal Pb 7, Niobium nitrida 16, an Niobium-3-timah 18, an Al0,8Ge0,2Nb3 20, an Niobium germanium Lanthanum barium tembaga oksida 23, Yitrium barium tembaga oksida (1-2-3 atau YBCO) Thalium barium kalsium tembaga oksida Hg 0,8 T 10. 2Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8,

24 17 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 : 17

25 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 17

26 19 (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 17

27 20 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 : 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 17

28 21 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 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 ( 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 17

29 22 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. 3.4 Kelebihan dan Kekurangan Kereta Maglev Kelebihan utama dari kereta ini adalah kemampuannya yang bisa melayang di atas rel, sehingga tidak menimbulkan gesekan dan bergerak dengan sangat cepat. Konsekuensinya, secara teoritis tidak akan ada penggantian rel atau roda kereta karena tidak akan ada yang aus (biaya perawatan dapat dihemat). Selain dapat melaju dengan cepat, kereta Maglev sangat mudah direm, sehingga tingkat keamanannya lebih baik daripada kereta biasa. Dengan berjalan mengambang, penumpang akan merasa nyaman karena tidak ada getaran sedikitpun. Keuntungan sampingan lainnya adalah tidak ada gaya resistansi akibat gesekan. Gaya resistansi udara tentunya masih ada. Untuk itu dikembangkan lagi Kereta Maglev yang lebih aerodinamis. Dikarenakan bentuk dan kecepatan kereta yang fantastis, kebisingan (suara) yang ditimbulkan disaat kereta ini bergerak hampir sama dengan sebuah pesawat jet, dan di perhitungkan lebih mengganggu daripada kereta konvensional. Sebuah studi membuktikan suara yang ditimbulkan oleh Kereta Maglev dengan kereta konvensional biasa lebih bising sekitar 5dB yaitu 78% nya. Kekurangan lain kereta ini adalah di mahalnya investasi terutama pengadaan relnya. Menurut Rifky (2009), berat dari elektromagnet yang besar juga merupakan isu utama dalam desain Kereta Maglev. Medan magnet yang sangat kuat dibutuhkan untuk mengangkat kereta yang berat. Efek dari medan magnetik yang kuat tidak diketahui banyak. Waluyo (2004) mengatakan bahwa untuk keamanan penumpang, pelindungan dibutuhkan, yang[sic!] dapat menambah berat kereta. Konsepnya mudah namun teknik dan desainnya kompleks. 17

30 26 DAFTAR PUSTAKA Agustian, M. Irsan Aplikasi Gaya Levitasi Magnet. [29 April 2014]. Andi (Eds) Ilmuwan NIST - UCSB Membuat Peralatan Superkonduktor Bersifat Seperti Pasangan Atom. [7 April 2014]. Arifuddin, Syahrul Bagaimanakah Prinsip Kerja Maglev, Kereta Tercepat di Dunia?. [7 April 2014]. Kurniadi Era Baru Superkonduktor. htm [7 April 2014]. Kusmahetiningsih, Nining Superkonduktor. [7 April 2014]. Nurzaman, Iyus Superkonduktor. [7 April 2014]. Oqif. null. Sensasi Melayang di Kereta Maglev. [28 April 2014]. Rifky Kereta Maglev. [28 April 2014]. 25

31 26 Sen, Cun dan Ismunandar Mengenal Superkonduktor dalam Kompas. 25 Januari. Bandung. Surya, Yohanes. null. Kereta Terbang (Prinsip Kerja Kereta Magnet). [28 April 2014]. Waluyo, Agung Alternatif Transportasi Masa Mendatang : Melayang dengan Kereta Maglev. [28 April 2014]. Wiendartun Superkonduktor. Makalah tidak diterbitkan. Bandung: Universitas Pendidikan Indonesia. Wikimedia Kereta Maglev. [7 April 2014]. 26