Makalah Aplikasi Bahan Superkonduktor dan Konduktor Super Ionik Disusun guna memenuhi tugas mata kuliah Fisika Zat Padat Dosen Pengampu Mata Kuliah: Drs. Albertus Djoko Lesmono, M.Si
Disusun Oleh : Intan Nurjannah
(130210102072) (130210102072)
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA JURUSAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS JEMBER 2016
Kata Pengantar
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan nikmat kepada kita sehingga kita senantiasa diberkahi kesehatan, dan penulis bisa menyelesaikan makalah aplikasi bahan superkonduktor dan konduktor super ionik ini. Dalam makalah ini, diuraikan mengenai aplikasi bahan superkonduktor dan konduktor super ionic pada peralatan atau tekhnologi masa kini. Harapan yang paling besar dari pembuatan makalah ini ialah, mudah-mudahan apa yang kami susun ini dapat bermanfaat sebagai tambahan ilmu dan informasi mengenai bahan superkonduktor, baik untuk pribadi maupun untuk pembaca, khususnya mahasiswa fisika yang sedang menempuh mata kuliah fisika z at padat. Akhirnya, kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan semangat serta fasilitas kepada kami, hingga terselesaikannya makalah ini. Terimakasih kepada dosen pengampu mata kuliah, bapak Drs. Albertus Djoko Lesmono, M.Si, yang telah memberikan ilmunya kepada kami, mengenai mata kuliah fisika zat padat. Mudah-mudahan Allah Swt. Selalu memberikan rahmat dan bimbinganNya kepada kita semua. Amin.
Jember, 01 Juni 2016
Penyusun
ii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL............................................................................................. i KATA PENGANTAR .......................................................................................... ii DAFTAR ISI ......................................................................................................... iii BAB I 1.1 Latar Belakang ................................................................................................ 1 1.2 Tujuan ............................................................................................................ 2 1.3 Rumusan Masalah ........................................................................................... 2 BAB II Pembahasan ......................................................................................................... 3 BAB III 3.1 Kesimpulan ..................................................................................................... 21 3.2 Saran. .............................................................................................................. 21 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 22
iii
BAB 1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Masyarakat pada umumnya mengetahui bahan yang bersifat konduktor, semikonduktor, dan isolator sebagai bahan penghantar listrik sebatas ukuran baik atau tidaknya bahan tersebut menghantarkan listrik. Umumnya konduktor didefinisikan sebagai bahan yang mudah mengalirkan arus listrik jika dihubungkan dengan sumber tegangan; isolator sebagai bahan - bahan yang akan menghambat
arus
listrik
bila
dihubungkan
dengan
sumber
tegangan;
semikonduktor adalah bahan - bahan yang pada kondisi tertentu akan bersifat sebagai isolator dan pada kondisi lain akan bersifat sebagai konduktor. Selain ketiga jenis bahan tersebut, masih ada satu jenis bahan yang disebut superkonduktor. Superkonduktor adalah bahan yang dapat menghantarkan arus listrik tanpa hambatan. Gejala superkonduktivitas pertama kali ditemukan oleh seorang Fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes pada tahun 1911 di Leiden Belanda. Dalam penelitiannya, hambatan listrik merkuri (Hg) mendadak menuju nol ketika suhunya diturunkan sampai mendekati 4K atau – 269oC. Temperatur terjadinya peristiwa superkonduktivitas disebut dengan temperatur transisi atau temperature critis (Tc), dimana suatu bahan berada dalam fase transisi yaitu dari kondisi memiliki hambatan listrik normal ke kondisi superkonduksi. Sejak ditemukan material superkonduktor oleh H.K Onnes, penelitian tentang bahan superkonduktor terus dikembangkan untuk mendapatkan material
superkonduktor
dengan
sifat-sifat/karakteristik
yang
lebih
baik
(Windartun, 2008). Seiring
perkembangan
teknologi,
superkonduktor
semakin
banyak
digunakan, misalnya kereta api super cepat yang dikenal dengan sebutan Magnetic Levitation (MagLev) dan pembuatan elektromagnet. Pada makalah ini akan dibahas mengenai aplikasi superkonduktor yang merupakan bahan penghantar listrik tidak murni yang memiliki sifat dual-karakter
1
(bisa berupa konduktor atau isolator), yang diterapkan pada alat atau teknologi masa kini.
1.2 Tujuan
1.2.1
Mahasiswa dapat memahami konsep superkonduktor
1.2.2
Mahasiswa mampu memahami aplikasi superkonduktor pada kereta api super cepat
1.2.3
Mahasiswa mampu memahami aplikasi superkonduktor pada High Temperature Superconducting (HTS) Generator
1.2.4
Mahasiswa mampu memahami aplikasi superkonduktor pada MRI
1.2.5
Mahasiswa mampu memahami pengertian bahan konduktor super ionic (KSI)
1.3 Rumusan Masalah
1.3.1
Bagaimana memahami konsep superkonduktor?
1.3.2
Bagaimana memahami aplikasi superkonduktor pada kereta api super cepat?
1.3.3
Bagaimana memahami memahami aplikasi superkonduktor pada High Temperature Superconducting (HTS) Generator ?
1.3.4
Bagaimana memahami aplikasi superkonduktor pada MRI?
1.3.5
Bagaimana memahami pengertian bahan konduktor super ionik (KSI)?
2
BAB II. PEMBAHASAN
2.1
Pengertian dan Sejarah Superkonduktor
Superkonduktor adalah fenomena dimana resistansi sebuah material turun menjadi 0 dan semua atom menjadi statis (efek kuantum dari Heisenberg Uncertainty Principle tidak kita perhitungkan untuk kesederhanaan). Tentunya, untuk menjadikan atom-atom material itu menjadi statis, temperatur yang sangat rendah dibutuhkan. Temperatur dimana sebuah material menjadi konduktor dinamakan critical temperature. Temperatur ini berbeda-beda untuk setiap material. Material pertama yang ditemukan efek superkonduktivitasnya, Merkuri, mempunyai critical temperature serendah 4 derajat Kelvin (-269 derajat Celcius!). Secara logis, pakar-pakar menginginkan critical temperature ini supaya setinggi mungkin karena biaya untuk mendinginkan material itu akan berkurang. Tetapi, meskipun semakin banyak material yang mempunyai efek superkonduktifitas dengan critical temperature yang lebih tinggi ditemukan di milenium ketiga, tidak banyak penggunaan praktikal karena pertama, mereka tidak bisa mendapat arus listrik setinggi material-material yang lebih dulu ditemukan. Kedua, mereka tidak bisa membuat medan magnet yang kuat dan yang ketiga, sangatlah susah untuk membengkokkan material-material yang baru ditemukan menjadi kawat, dsb. Jadi, hanya superkonduktor generasi perta ma yang lebih banyak digunakan dalam hidup kita. Keuntungan dari menggunakan superkonduktor antara lain: 1.
Tidak ada energi yang terbuang ketika superkonduktor ini menghantar arus listrik. Milyaran rupiah bisa kita selamatkan dengan menggunakan superkonduktor daripada konduktor biasa.
2.
Karena
tidak
ada
resistansi
dalam
superkonduktor,
sirkuit
yang
menggunakan superkonduktor tidak akan menjadi panas dan jadi, semakin banyak sirkuit yang bisa kita kompres per centimeter kubiknya. Kalau kita menggunakan konduktor biasa, sirkuit itu bisa terbakar jika kita mau
3
mengkompres semakin banyak material karena panas yang terakumulasi dari resistansi material tersebut. 3.
superkonduktor ini bisa berfungsi sebagai transistor (sejenis komponen sirkuit yang bisa mengamplifikasi signal listrik dan digunakan di semua peralatan modern yang menggunakan listrik) tetapi bisa berfungsi 100 kali lebih cepat. Ini juga dikenal sebagai Josephson Junctions dan kalau dua Josephson Junctions ini kita gabung dengan tepat, mereka bisa mendeteksi medan Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya, transmisi
listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi). Memang saat ini penggunaan superkonduktor belum praktis, dikarenakan masalah perlunya pendinginan. Suhu kritis superkonduktor masih jauh di bawah suhu kamar. Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan di bawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu di mana terjadi perubahan
sifat
konduktivitas
menjadi
superkonduktor
disebut
dengan
temperaturkritis(Tc). Fisikawan asal Belanda Heike Kamerlingh Onnes melakukan eksperimen pengukuran resistansi air raksa murni yang didinginkan dengan helium cair pada suhu 4 K (Kelvin) atau -269 C (Celcius). Dari experiment tersebut, Onnes mengambil kesimpulan bahwa hambatan suatu logam akan turun (bahkan hilang sama sekali) ketika mendinginkan logam tersebut dibawah suhu ruang (suhu yang sangat dingin) atau setidaknya lebih rendah dari suhu kritis (critical temperature, Tc) logam tersebut . Suhu
kritis
yang
dimiliki
tiap
material
untuk
mencapai
sifat
superkonduktifitas-nya berbeda. Lalu apa yang terjadi bila bahan dapat didinginkan hingga mencapai suhu nol mutlak? Salah satu ilmuwan, William Kelvin sendiri memperkirakan bahwa ketika dicapai suhu nol mutlak (0 K) maka elektron akan berhenti mengalir (arus statis). Yang menarik adalah ketika ditemukan material keramik yang ternyata dapat diubah menjadi bahan superkonduktor. Bahan keramik yang biasanya
4
dikenal sebagai isolator karena tidak bisa menghantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang, ternyata pada tahun 1986-1987 berhasil didobrak oleh Alex Miller dan George Bednorz , peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rischlikon, Switzerland . Mereka membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium Tembaga dan oksigen yang berhasil menciptakan material bersifat superkonduktor pada suhu tinggi, dengan menggunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya.
(Grafik Perbandingan penggunaan bahan superkonduktor dan logam non superkonduktor )
Suhu kritis tertinggi dari bahan superkonduktor sampai saat ini adalah 138 K
yang
ditemukan
pada
tahun
1993
dengan
rumus
kimia
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33. Namun ada satu masalah disini, ketika efisiensi bisa dicapai setinggitingginya oleh bahan superkonduktor ini hingga bisa mencapai 100%. Namun perlu diingat bahwa untuk mencapai sifat superkonduktifitas ini diperlukan energi untuk pendinginan yang tidak kalah besarnya. Oleh sebab itulah, sejak penemuan Onnes ini dipublikasikan, hingga kini para ilmuwan masih berupaya mencari material superkonduktor yang bisa beroperasi pada suhu ruang (sehingga tidak diperlukan lagi pendingin). Penemuan lain yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet . Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan
5
mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner. Efek Meissner ini sedemikian kuatnya 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. Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon juga bersifat superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga, dan
perak,
yang
merupakan
logam
konduktor
terbaik
bukanlah
suatu
superkonduktor. Penemuan demi penemuan di bidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesisnya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K. 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 hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.
6
2.2
Aplikasi Superkonduktor Pada Kereta Api Super Cepat
Kereta Maglev adalah singkatan dari Magnetically Levitated (levitasi magnetik), yang berarti bahwa kereta ini akan mengapung/mengambang di atas relnya (tidak menyentuh rel) dengan menggunakan prinsip-prinsip dasar kemagnetan. Kita tahu bahwa dua buah magnet apabila didekatkan akan terjadi interaksi pada keduanya (masing-masing mendapatkan gaya magnet), kutub magnet yang berbeda jika didekatkan akan tarik menarik dan kutub magnet yang sejenis akan tolak menolak, konsep inilah yang merupakan prinsip dasar di balik mengapung dan bergeraknya kereta Maglev. Magnet yang digunakan pada proses kerja kereta Maglev ialah elektromagnet sehingga sifat kemagnetan, polarisasi kemagnetan dan medan magnet yang dihasilkannya dapat diatur sesuai dengan keinginan. Ada tiga komponen yang dibutuhkan untuk sistem kereta seperti ini, yaitu: 1). Sumber daya listrik yang besar, 2). Kumparan logam pada lintasan rel, dan 3). Elektromagnet yang cukup kuat pada bagian bawah kereta. Masing-masing komponen ini memiliki nilai yang berbeda-beda sesuai dengan kebutuhan.
Gambar 3. Kereta Maglev The Yamanashi MLX01
Ada dua cara kerja kereta maglev ini, yang biasa membuat mengambang yang pertama adalah EMS (electromagnetic supension). 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 daya magnet berkurang, kereta bisa turun dan menabrak rel. Cara ini pertama kali dikembangkan di jerman.
7
Cara yang kedua adalah EDS (electrondynamic supension). Menggunakan tenaga magnet superkonduktor. Tenaga ini mampu mengangkat kereta sejauh 100 hingga 150 milimeter. Cara ini jauh lebih 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. Komponen penting yang lain dalam sistem kereta maglev adalah jalurnya (rel keretanya).
Sepanjang jalur kereta Maglev dilengkapi dengan logam
yang termagnetisasi yang disebut guideway. Guideway ini berfungsi untuk membuat kereta Maglev yang ada diatasnya mengapung dengan cara memberikan gaya magnet yang cukup besar pada badan kereta yang telah dilengkapi dengan elektromagnet yang memungkinkan kereta untuk naik antara 0,39 sampai 3,93 inci (1 sampai 10 cm) di atas guideway tersebut. Karena kereta maglev mengapung diatas relnya (tidak menyentuh rel), maka tidak ada gaya gesekan antara kereta dengan rel yang dapat menghambat pergerakan kereta, sehingga kereta maglev dapat bergerak dengan sangat cepat yaitu bisa mencapai lebih dari 310 mil/jam atau sekitar 500 km/jam (138,8 m/s). Sebagai perbandingan, pesawat Boeing-777 yang digunakan sebagai pesawat komersial untuk penerbangan jarak jauh dapat mencapai kecepatan tertinggi sekitar 562 mil/jam atau sekitar 905 km/jam (251,3 m/s).
Gambar 4. Guideway pada Kereta Maglev Yamanashi di J epang
8
Kecepatan kereta Maglev yang sangat besar ini didukung oleh sistem penggerak yang cukup unik, tidak seperti kereta lain yang memanfaatkan motor listrik atau pambakaran bahan bakar, kereta Maglev memanfaatkan medan magnet yang diciptakan oleh kumparan listrik (elektromagnet) di dinding guideway untuk menggerakan kereta. Ketika kereta mengapung, listrik dipasok ke kumparan pada dinding guideway untuk menciptakan sebuah sistem medan magnet yang unik yang dapat menarik dan mendorong kereta sepanjang guideway.
Gambar 5. Bagian-bagian rel kereta Maglev
Polaritas
arus
listrik
yang
dialirkan
ke
kumparan
pada
dinding guideway terus bergantian dengan tujuan untuk mengubah polaritas kumparan magnet pada guideway. Perubahan polaritas ini diatur sedemikian rupa sehingga medan magnet yang dihasilkan kumparan guideway yang terdapat di depan kereta menarik kereta ke depan, sementara medan magnet yang dihasilkan kumparan guideway yang terdapat di belakang kereta mendorong kereta ke depan. Peristiwa ini dapat dengan jelas kita lihat dari ilustrasi gambar 6, dimana polaritas elektromagnet guideway yang terdapat di depan kereta selalu berlawanan dengan polaritas elektromagnet yang terdapat pada bagian depan kereta sehingga kereta ditarik kedepan, sedangkan polaritas elektromagnet guideway yang terdapat di belakang kereta selalu sama dengan polaritas elektromagnet yang terdapat pada bagian belakang kereta sehingga kereta didorong kedepan. Sistem penggerak seperti inilah yang menggerakan kereta maglev.
9
Gambar 6. Cara Kerja Kereta Maglev Untuk Melayang dan Bergerak
Maju Kereta Maglev memiliki rel (lintasan) kereta yang berbeda dengan rel kereta yang sudah kita kenal selama ini. Pada kedua sisi lintasan Rel kereta terbang ini 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 pada kereta. Pada Gambar 6-A kita bisa melihat 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. Pada Gambar 6-B kita melihat adanya magnet pada dinding lintasan. Magnet ini dihasilkan oleh induksi elektromagnet akibat gerakan kereta. Ketika posisi kereta beberapa sentimeter dibawah pusat magnet dinding ini, maka kutub
10
Selatan dinding akan menarik kereta ke atas dan kutub Utaranya akan mendorong kereta juga ke atas. Gaya tarik dan gaya dorong ini membuat kereta melayang , tidak menyentuh rel sama sekali. 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 tengahtengah lintasan), tidak akan keluar jalur. Kelebihan utama dari kereta ini adalah kemampuannya yang bisa melayang di atas rel, sehingga tidak menimbulkan gesekan. Konsekuensinya, secara teoritis tidak akan ada penggantian rel atau roda kereta karena tidak akan ada yang aus sehingga dapat menghemat biaya. 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.
11
2.3
Aplikasi Superkonduktor Pada H igh Temperature Superconducting
(H TS) G enerator ? Di dalam pemanfaatan bahan superkonduktor yang memiliki nilai hambatan terhadap energi listrik relatif kecil bahkan hingga nol sebagai bahan utama pada generator diharapkan dalam pengoperasian pada daya keluaran yang sama diperoleh nilai efisiensi yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan rugi-rugi tahanan jangkar, rugi-rugi inti dan bahan yang biasa timbul pada penggunaan generator konvensional tidak terjadi pada penggunaan generator berbahan superkonduktor. Penggunaan High
Temperature
Superconducting(HTS)
Generator
memiliki beberapa kelebihan, antara lain: 1.
Effisiensi lebih tinggi mencapai 99 %
2.
Rugi-rugi daya lebih rendah 50 % daripada metode konvensional (Gbr 1)
3.
Konduktivitas 106 lebih baik dibandingkan tembaga
4.
Kerapatan arus 10 kali lebih besar dibandingkan belitan tembaga
5.
Mengurangi polusi
6.
Meningkatkan stabilitas jaringan listrik
7.
Mengurangi biaya pemasangan
8.
Ukuran yang lebih kecil dan berat yang lebih ringan
Gambar 1. Perbandingan Rugi-Rugi Daya Antara Generator Konvensional dengan HTS Generator (Southampton Unversity)
12
Generator dengan menggunakan HTS memiliki desain yang berbeda pada rotornya (Gambar 2) dikarenakan belitan yang digunakan pada rotor yang pada generator konvensional menggunakan tembaga diganti dengan material HTS, sementara untuk statornya tetap menggunakan desain konvensional.
Gambar 2. Rotor dengan HTS Solenoida (General Electric)
Pada saat sekarang ini, material HTS yang digunakan pada rotor generator HTS adalah YBCO dan BiSCCO. Dimana kedua material tersebut merupakan keramik yang pada suhu ruang bersifat sebagai isolator. Diantara kedua material tersebut BiSCCO merupakan material yang paling sering digunakan. BSCCO memiliki suhu kritis pada 77 °K dengan kerapatan arus sebesar 48 A/cm 2. Di dalam mendesain HTS generator (Gambar 3) ada tiga subsistem yang harus diperhatikan: 1) Rotor, 2) Pendinginan Rotor, 3) Stator. Secara fisik, HTS generator diharapkan mempunyai panjang separuh dan diameter duapertiga dari generator konvensional. HTS generator memiliki reaktansi sinkron rendah sekitar 0,28 pu, tetapi memiliki reaktansi transient dan sub-transient yang sama dengan generator konvensional. Secara keseluruhan efisiensi HTS generator dapat mencapai 99%, rugi-rugi terbesar(65%) ada pada belitan jangkar yang masih terbuat dari tembaga. Untuk konsumsi daya sistem pendinginan kryogenik mengkontribusi rugi-rugi 2% dari total rugi-rugi. Baik belitan rotor maupun stator menghasilkan harmonik yang minimum.
13
Gambar 3. HTS Generator (AMSC)
2.4
Aplikasi Superkonduktor Pada MRI
MRI atau magnetic resonance imaging adalah suatu teknik pencitraan yang berdasarkan pada efek fisika dengan prinsip resonansi magnetic atom. Berbeda
dengan
pencitraan
yang
menggunakan
sinar-X,
yang
mengakibatkan radiasi dengan tingkat energi yang tinggi, sehingga terjadi ionisasi pada tubuh. Pada MRI tubuh dimasukan ke dalam suatu medan magnet, dan dirangsang (exited) oleh sinyal RF (radio frequency), karena sebagian besar tubuh kita terdiri dari zat cair atau hydrogen, maka frekuensi sinyal RF yang diberikan disesuaikan dengan kuat medan magnet dan radio giromagnetik atom hidrogen rangsangan sinyal RF akan menyebabkan atom hydrogen tersebut beresonansi dan mnyerap sebagian energy dari sinyal RF yang diberikan. Pada saat sinyal RF tersebut dihentikan, atom hydrogen akan melepaskan kembali energy tersebut dengan cara mengeluarkan sinyal RF, yang sinyalnya diterima oleh suatu antenna khsusu dan dengan bantuan computer sinyal yang diterima diolah dan direkonstruksi, sehingga akan dihasilkan suatu citra berdasarkan kerapatan atom hydrogen tubuh.
14
Gambar Scan Tangan Patah Menggunakan MRI
Ada tiga macam magnet utama yang digunakan dalam system MRI, yaitu tipe magnet permanen, magnet resistive, dan magnet superkonduktor. Selain itu, terdapat satu magnet gradient dalam system MRI. a.
Magnet Permanen
Kuat magnet permanen untuk MRI yang dapat dibuat sampai saat ini terbatas sampai 0,3 tesla (dibuat oleh fonar corporation dengan beratnya sekitar 90 ton), bahan magnet permanen tersebut dibuat engan sifat ferromagnetic yang terdiri dari campuran bahan tertentu dengan keramik, contoh yang sering kita jumpai pada speaker, jarum kompas dis. Perbedaan pokok antara magnet permanen dengan magnet resistive atau superkonduktor adalah orientasi vector medan magnet. Pada medan magnet permanen, medan magnet mengurus tubuh secara transversal melalui kedua muka kutub magnet. Sedangkan pada magnet resistive atau superkonduktor, medan magnet menembus tubuh secara longitudinal. b.
Magnet resistive
Magnet resistive dibuat berdasarkan arus listrik yang dialirkan pada kawat dan medan listrik akan timbul disekitar kawat tersebut. Magnet resistive memerlukan daya listrik yang besar untuk menghasilkan medan magnet yang kuat, dan mengeluarkan panas. Bahan yang digunakan adalah logam konduktor
15
seperti alumunium atau tembaga, kuat medan magnet yang ada dipasarkan umumnya sampai 0,2 tesla. c.
Magnet Superkonduktor
Pada prinsipnya magnet superkonduktor sama seperti magnet resistive, yaitu dengan mengalirkan arus listrik pada kawat, resistansi atau tahanan kawat sebanding dengan temperature absolute bahan tersebut, dengan mendinginkan. Kawat tersebut sampai mendekati temperature absolute (dalam derajat kelvin), resistansi kawat akan menjadi nol atau disebut superkonduktor, sehingga sekali kawat tersebut dialirkan listrik (energized) maka arus listrik tersebut akan mengalir selamanya didalam kawat tersebut. Temperature untuk tercapainya superkonduktivitas antara berbagai logam tidak sama, untuk MRI dipilih logam konduktor dengan temperature kritisnya yang
tinggi,
seperti
campuran
niobium-titanium
yang
dapat
menjadi
superkonduktor pada temperature antara 10-20 derajat kelvin. Pada tahun 1987 telah ditemukan bahan superkonduktor dengan campuran keramik dengan temperaturnya sekitar 100 derajat kelvin, sehingga cukup diinginkan dengan nitrogen cair yang murah. Seandainya dapat diproduksi massal dan dipergunakan untuk MRI, maka biaya operationalnya dapat ditekan lebih murah. Magnet superkonduktor menggunakan helium cair sebagai pendingin (LHe) dengan temperaturnya 4,2 derajat kelvin atau -269 derajat celci us. Keuntungan dengan menggunakan magnet superkonduktor adalah kuat medan magnet yang besar, dengan homogenitas dan kesetabilan yang tinggi, sehingga didapat gambar dengan rasio S/N (perbandingan sinyal terhadap noise) yang besar. MRI superkonduktor yang ada dipasarkan kuat medan magnetnya antara 0,5 tesla sampai 2,0 tesla. d.
Kumparan Gradien
Selain magnet utama, terdapat magnet gradient yang digunakan untuk membangkitkan medan magnet gradient. Magnet gradient tersebut menggunakan kumparan (coil) gradient untuk membangkitkan medan magnetnya, kumparan tersebut adalah kumparan resistive yang berada didalam lubang gantry.
16
Ada tiga pasang kumparan gradient, yaitu gradient X, gradient Y dan gradient Z. Dengan mengkobinasikan gradient X, Y dan Z akan dihasilkan vector medan magnet gradient, sehingga kita dapat memilih lokasi bidang pencitraan yang dikehendaki, misalnya transversal, sagittal atau coronal.
2.5
Pengertian Bahan Konduktor Super Ionik
Bahan KSI ( superionic conductor ) dikenal juga dalam istilah lain di kalangan ilmuwan sebagai elektrolit padat ( solid electrolyte) ataupun konduktor ion cepat ( fast ionic conductor ) adalah bahan padatan yang mempunyai konduktivitas ionik yang tinggi pada temperature jauh di bawah titik leleh bahan tersebut. Umumnya, senyawa padatan kristal ionik seperti sodium chloride (NaCl, garam dapur) mempunyai konduktivitas yang sangat rendah. Konduktivitas senyawa ionik ini umumnya sedikit mengalami peningkatan sejalan dengan peningkatan temperatur. Bila senyawa padatan tersebut telah melampaui titik lelehnya biasanya konduktivitasnya meningkat tajam. Jadi, untuk senyawa padatan ionik pada umumnya, konduktivitas yang tinggi hanya dicapai dalam kondisi telah terlampauinya titik leleh senyawa tersebut. Namun diantara padatan ionik ada beberapa senyawa yang mempunyai konduktivitas tinggi meskipun pada temperatur jauh di bawah titik lelehnya, senyawa-senyawa inilah yang dikenal sebagai bahan KSI. Tidak seperti bahan konduktor umumnya (misalnya tembaga, emas atau perak yang juga mempunyai daya hantar listrik yang tinggi) di mana muatan penghantar listrik adalahelectron dan hole, konduktivitas tinggi pada bahan KSI utamanya disebabkan oleh ion. Bahkan ada beberapa senyawa KSI yang konduktivitas elektroniknya (konduktivitas yang disebabkan oleh elektron dan hole) sangat kecil dibandingkan konduktivitas ioniknya, misalnya pada bahan AgI.
17
Seperti yang disebutkan di atas, bahan KSI dikenal juga dengan istilah elektrolit padat ( solid electrolyte). Selama ini kita lebih mengenal bahan elektrolit yang berupa cairan. Kita telah akrab dengan misalnya cairan H2SO4 (asam sulfat) yang merupakan cairan elektrolit pada accumulator (akki). Cairan elektrolit ini berfungsi sebagai media perpindahan muatan dari satu elektroda ke elektroda lain pada accumulator tersebut. Fungsi yang sama juga ditunjukkan oleh bahan padatan KSI, sehingga disebutlah sebagai elektrolit padat. Istilah elektrolit padat ( solid electrolyte) menunjukkan suatu keadaan tengah-tengah (middle state) antara bahan padatan ( solid ) dan cairan (electrolyte). Sebagaimana pada bahan elektrolit biasa (cairan), ion-ion pada bahan KSI dapat bergerak dengan mudah sehingga mengakibatkan konduktivitas yang tinggi tersebut. Lantas mengapa ion-ion pada bahan padatan KSI dapat bergerak dengan mudah padahal kita tahu bahwa dalam bentuk padatan, ikatan antar atom dalam kristal begitu kuat sehingga tidak memungkinkan ion (atom bermuatan) untuk berpindah posisi? Salah satu alasan sederhana yang diyakini oleh para ahli adalah karena adanya ketidakteraturan (disordered ) atau cacat (defect ) dalam struktur kristal bahan KSI. Ketidakteraturan posisi atom atau adanya cacat dalam struktur menyebabkan tersedianya posisi kosong pada tempat-tempat tertentu dalam kristal. Posisi yang kosong ini dapat diisi oleh atom lain di sekitarnya dan meninggalkan posisi kosong yang baru, demikian seterusnya sehingga ion dalam kristal tersebut dapat berpindah-pindah. Inilah yang berperan dalam tingginya konduktivitas ionik bahan KSI. Bahan KSI sebenarnya mempunyai sejarah panjang sejak eksperimen yang dilakukan oleh Faraday pada abad 19. Namun perkembangan yang cukup pesat baru berlangsung sejak akhir dekade 70-an seiring dengan penemuan bahan-bahan baru dan terbukanya kemungkinan penggunaan bahan ini di berbagai bidang teknologi. Beberapa contoh bahan KSI yang banyak diteliti oleh para peneliti misalnya adalah AgI, CuI, Na-b Al2O3, RbAg4I5, Ag3SI, LiNiO2, LiCoO2, LiMn2O4, NASICON dan lain-lain.
18
Penelitian tentang bahan KSI
Yang menjadi perhatian utama para peneliti bahan KSI, terutama pada bagian mendasarnya ( fundamental research) adalah bagaimana sebenarnya mekanisme perpindahan ion di dalam kristal bahan KSI sehingga menyebabkan bahan KSI ini memiliki konduktivitas ionik yang sangat tinggi. Usaha untuk mengungkap hal ini dilakukan dengan berbagai penelitian dan sudut pandang. Secara garis besar, penelitian bahan KSI terbagi menjadi 2 bagian utama yaitu: (1) penelitian mendasar ( fundamental research) dan (2) penerapannya dalam teknologi. Penelitian dasar ( fundamental research) Penelitian tentang struktur bahan KSI sangat penting untuk memahami penyebab tingginya konduktivitas ionik bahan ini. Mekanisme perpindahan ion dalam kristal bahan KSI menjadi hal yang sangat penting untuk diketahui dan ini semua sangat bergantung pada struktur bahan KSI tersebut. Penelitian struktur bahan KSI dilakukan dengan berbagai metode dan yang paling banyak dilakukan adalah penggunaan X-ray dan neutron. Tidak hanya penelitian dalam hal struktur, penelitian mengenai sifat-sifat listrik (electrical properties), sifat termal (thermal properties) dan sifat-sifat fisis lainnya juga sama pentingnya. Semuanya berjalin dan saling melengkapi untuk memahami fenomena mikroskopik bahan KSI. Selain dari sudut eksperimen, fenomena mikroskopik bahan KSI juga diteliti secara luas dan mendalam melalui berbagai macam pemodelan dan simulasi untuk menjelaskan sifat-sifat fisis yang teramati melalui hasil eksperimen. Selain penelitian fenomena mikroskopik, usaha untuk mencari bahan baru yang bersifat superionik juga terus dilakukan. Usaha ini tentu saja berkaitan dengan tujuan mendapatkan bahan KSI yang paling baik untuk diaplikasikan dalam teknologi. Meskipun telah sangat banyak ditemukan bahan yang bersifat superionik namun untuk mengaplikasikannya dalam produk teknologi banyak keterbatasannya sehingga tidak banyak yang telah digunakan dalam aplikasi teknologi apalagi diproduksi secara komersial. Karena itulah usaha untuk memperoleh bahan baru yang applicable terus dilakukan oleh para peneliti.
19
Penggunaan dalam teknologi
Penggunaan bahan KSI dalam aplikasi teknologi tentu saja menjadi perhatian utama. Sebenarnya bahan KSI sudah sangat luas digunakan dalam kehidupan kita sehari-hari. Misalnya untuk batere isi ulang (rechargeable battery), baik untuk bagian elektrolit maupun untuk elektrodanya. Selain itu bahan KSI juga digunakan untuk sensor, smart window dan fuel cell . Aplikasi dalam teknologi ini juga terus berkembang sejalan dengan ditemukannya berbagai bahan-bahan KSI baru. Perkembangan penelitian di Indonesia
Seperti telah diuraikan di atas, penelitian dalam bidang KSI mencakup spektrum yang sangat luas mulai dari penelitian mendasar hingga aplikasinya. Kesemuanya ini tidak bisa dipisahkan satu sama lainnya. Ini melibatkan banyak disiplin ilmu (baik dasar maupun terapan) mulai dari fisika, kimia, elektronika, instrumentasi dan lain sebagainya. Di Indonesia, meskipun telah cukup banyak peneliti (baik dari lembaga penelitian maupun perguruan tinggi) yang mendalami sisi-sisi penelitian tersebut namun penelitian yang terfokus pada bahan KSI sendiri masih sedikit dilakukan. Untuk itu tengah diusahakan terwujudnya satu komunitas ilmiah ( scientific society) agar peneliti yang tersebar dalam banyak sisi penelitian itu dapat berhimpun dan berkomunikasi secara intensif serta membangun jaringan untuk mengembangkan penelitian dalam bidang KSI. Saat ini salah satu kelompok peneliti di Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) tengah berupaya mengembangkan teknologi batere isi ulang menggunakan KSI berbahan dasar gelas.
20
BAB 3. PENUTUP
3.1
Kesimpulan
1.
Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah.
2.
Konduktor super ionik adalah bahan padatan yang mempunyai konduktivitas ionik yang tinggi pada temperature jauh di bawah titik leleh bahan tersebut.
3.
Dua perangkat yang umum menggunakan super konduktor yaitu elektomagnet dan elelmen penghubung kereta super konduktor.
4.
Super konduktor dan konduktor ionik memiliki peranan penting dalam berbagai bidang teknoogi.
5.
Aplikasi super konduktor pada berbagai bidang teknologi, diantaranya yaitu kereta manglev, MRI, High Temperature Superconducting (HTS) Generator .
6.
Aplikasi konduktor super ionik pada berbagai bidang teknologi yaitu pada fuel cell, baterai Lithium, baterai mikro, sensor dan divais optik
1.2
Saran
1.
Sebaiknya dilakukan penulisan makalah yang membahas aplikasi superkonduktor dan konduktor super ionik secara lebih le ngkap, untuk menyempurnakan makalah ini, agar pengetahuan pembaca mengenai bahan superkonduktor semakin meningkat.
21
DAFTAR PUSTAKA
http://blogbabeh.blogspot.co.id/2014/09/mri.html http://blogs.itb.ac.id/asepandielektro/category/superkonduktor/ http://digilib.unila.ac.id/76/7/BAB%201.pdf http://irfan-abet.blogspot.co.id/2013/02/keuntungan-efisiensi-dan-jenis.html http://margionoabdil.blogspot.co.id/2013/11/cara-kerja-mri-magnetic-resonanceimage.html http://personal.fmipa.itb.ac.id/khbasar/?p=38 http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1100396563 Wiguna, Ananda Pradita. 2013. Makalah Kereta Maglev. Diakses dari: https://www.scribd.com/doc/203652032/MAKALAH-Kereta-Maglev. Pada 1 Juni 2016.
22
