Home / Berita / Superkonduktor: Main Sulap dengan Fisika

Superkonduktor: Main Sulap dengan Fisika

Superkonduktor telah berada di ambang pintu kehidupan Anda sehari-hari

–Bola tetap mengambang di atas koil kawat meskipun kabel penghubung arus listrik dicabut. Didinginkan dalam helium cair nyaris nol absolut, arus akan terus mengalir selama-lamanya.

Mirip sulap? Memang. Ahli fisika itu memencet tombol, mengalirkan arus listrik dari baterei ke kawat niobium berbentuk cincin dalam sebuah wadah gelas transparan. Bola berlapis timah yang ada di atas kawat itu, seketika, melompat ke atas dan mengambang di udara bak hantu. Ahli fisika itu kemudian mematikan arus listrik. Tapi, bola tetap mengambang! Untuk membuktikan bahwa ini bukan sulap, baterei itu dicopot dan dibawa ke luar kamar. Bola itu tetap saja mengambang, bagaikan melawan hukum gravitasi.

Bola mengambang itu adalah de-monstrasi sebuah kekuatan yang kemungkinan akan berpengaruh besar pada teknologi —tentu juga terhadap kehidupan anda— dekade mendatang. Inilah fenomena yang disebut superkonduktivitas, sifat dari logam-logam tertentu yang bisa membawa arus listrik nyaris tanpa kehilangan bila berada dalam kondisi suhu sangat dingin. Pada demonstrasi itu, baterei hanya mengawali mengalirnya arus listrik ke dalam cincin niobium dan bola timah. Sekali arus listrik berada di situ, ia akan terus mengalir, dan baterei, yang diperlukan untuk mengawalinya, sama sekali tak berguna lagi. Kok, bisa begitu? Ya, karena niobium dan bola timah itu adalah yang disebut superkonduktor. Sehingga, meskipun baterei dicopot dan dibawa ke luar kamar, seperti demonstrasi tadi, sama sekali tak ada perubahan. Supaya bisa berfungsi baik, kedua logam itu harus berada dalam keadaan suhu sangat rendah. Di sini, keduanya direndam dalam helium cair. Helium biasanya berupa gas. Namun, seperti kebanyakan gas lainnya, ia menjadi cair kalau cukup dingin. Seberapa “cukup dingin” itu? Untuk helium itu, 4 derajat di atas nol absolut, atau —269°C.

Fenomena superkonduktivitas bukanlah penemuan baru, apalagi revolusioner. Pertamakali ia diketahui tahun 1911, pada logam merkuri (air raksa). Teorinya sudah dimengerti di tahun 1950an. Kalau begitu, kini, kenapa superkonduktivitas dianggap barang baru yang menggairahkan? Soalnya, ia kini telah ke luar dari sekedar “barang” aneh dalam laboratorium; sudah sampai di ujung ledakan kegunaan komersial. Pengaruhnya akan terasa di segala bidang: dari mencari minyak sampai transportasi anda. Bahkan, yang paling berani, sudah meramalkannya akan berpengaruh besar dalam pemanfaatan ruang angkasa dan penghunian bulan. Superkonduktivitas kini mirip keadaan elektronik solid-state di pertengahan tahun 1960an. Pada masa itu, anda tentu tak pernah membayangkan pengaruh luarbiasa elektronik-elektronik mini ini. Serupa juga, pengaruh penting superkonduktivitas kini mungkin belum ada yang mampu meramalkannya.

Kerja superkonduktivitas, pada dasarnya, bisa dibagi dalam dua bidang terpisah. Beberapa aplikasi akan melibatkan proyek-proyek berskala besar seperti kereta api kecepatan tinggi. Yang lain, malah sebaliknya, bekerja dalam detektor-detektor dan sirkuit elektronik yang kian mini. Di belakang kedua usaha komersial ini adalah riset disain, untuk mencari bahan yang lebih baru dan lebih baik superkondutivitasnya.

Segi superkonduktivitas yang kemungkinan besar akan mempunyai pengaruh langsung terhadap kehidupan anda adalah dengan dihasilkannya magnit-magnit besar. Magnit memang tidak kita lihat langsung sehari-hari, cuma sulit membayangkan sebuah masyarakat modern yang menggunakan sesuatu tanpa ada magnit di dalamnya. Peralatan rumah tangga anda seperti mixer, misalnya, atau mobil, radio, TV dan bahkan bel rumah anda pun memakai magnit supaya berfungsi semestinya. Penggunaan magnit yang sangat meluas ini memang sulit untuk dibayangkan, karena ia bukanlah dalam bentuk magnit telanjang —seperti yang terdapat dalam mainan anak-anak atau yang biasa kita pakai untuk menempelkan sesuatu. Logam semacam ini adalah magnit permanen, yang tak perlu rangsangan apa pun untuk menimbulkan sifat kemagnitannya. Namun, yang banyak berada di sekeliling kita, adalah elektromagnit. Alat semacam ini, seperti cancin niobium tadi, menunjukkan sifat magnetik hanya bila ada arus listrik yang mengalir melalui kawat melingkar. “Magnit” dalam mesin cuci anda begitu juga. Berupa lingkaran-lingkaran kawat.

Kenyataan inilah kunci penggunaan superkonduktivitas dalam elektro-magnit. Karena sekali arus listrik mengalir dalam lingkaran kawat super-konduksi, ia akan tetap mengalir tanpa perlu sumber energi lagi untuk mem-pertahankan gerak elektronnya. Berarti, selama magnit itu dipertahankan dingin, ia akan tetap berfungsi tanpa menarik arus listrik lagi. Menghemat biaya listrik anda, bukan? Dalam laboratorium ilmiah, magnit-magnit superkonduksi sudah dipakai selama bertahun-tahun. Koleksi magnit superkonduksi terbesar di dunia ada di Fermi National Accelerator Laboratory dekat. Chicago, AS. Di situ, magnit-magnit berkekuatan besar mengendali proton sepanjang jalur yang hampir 6,5 km panjangnya (melingkar). Pada jarak-jarak tertentu sepanjang lingkaran itu, partikel-partikel itu dipercepat dengan memberinya tenaga listrik. Setelah lebih dari 100.000 putaran, kecepatan partikel itu hampir sama dengan kecepatan ca-haya. Ada 1000 magnit di lingkaran itu, semua tipe kawat tembaga kon-vensional yang untuk menjalankannya perlu tenaga listrik yang sangat besar. Sewaktu mesin ini mulai dipakai di awal tahun 1970-an, lampu tetangga di sekitar memang tidak mati, tapi 160 km dari situ para ahli fisika di laboratorium Universitas Illinois bisa mendeteksi adanya penurunan tenaga listrik kapan saja magnit itu dihidupkan.

Jelas, kalau AS masih tetap ingin berada di depan dalam riset fisika energi tinggi, proyek yang sudah luarbiasa itu harus ditingkatkan lagi. Lebih jelas lagi, kalau maunya cuma menambahkan magnit-magnit konvensional, biayanya bukan bukan-main lagi mahalnya. Itulah sebabnya ada sekumpulan orang yang mulai berpikir untuk membangun mesin superkonduktif. Hasilnya? Akselerator itu ditambah dengan cincin magnit kedua! Cincin ini ditempatkan persis di bawah cincin yang asli, pada lorong yang sama, dan sama sekali superkonduktif. Ada masalah dalam pembuatannya? Bukan ada lagi: perlu membuat magnit super-konduktif 6,5 km menggunakan kawat yang panjangnya cukup untuk mengelilingi dunia! Belum ada orang yang pernah membuat bahan super-konduktif yang begitu banyak untuk satu proyek.

Kawat campuran niobium dan titanium khusus dibuat menjadi kabel yang tebalnya sekitar 0,6 cm. Di Fermilab, kabel-kabel ini kemudian dililitkan menjadi bentuk magnit sebenarnya. Setalah diuji, ia kemudian dipasang pada akselerator utama. Berapa biaya proyek itu? Gampangnya begini: bayangkan 1000 mobil Mercy baru diparkir sepanjang lingkaran 6,5 km itu. Begitulah kirakira biayanya. Bulan Agustus 1983, sinar pertama mulai menempuh,akselerator yang sudah ditingkatkan itu. Dan Nopember-nya, eksperimen menggunakan instalasi superkonduktor terbesar di dunia dimulai.

Saat ini, riset dasar memang pemakai terbesar magnit superkonduktif. Cuma, sebentar lagi, peranannya mungkin akan lebilt meluas pada teknik baru diagnose kedokteran yang disebut NMR atau nuclear magnetic resonance (lihat AKU TAHU/Juli ’83 hal 48). Idenya: pasien ditempatkan dalam medan magnit sangat kuat dan kemudian, menggunakan teknik-teknik deteksi sangat peka, mengukur pengaruh medan itu pada inti-inti atom di dalam badan. Hasil ukuran ini kemudian dimasukkan ke dalam komputer yang menghasilkan gambar 3 dimensi organ tubuh bagian dalam si pasien.

Kegunaan magnit superkonduktif, di masa depan, bukan itu saja. Satunya adalah dalam bidang transportasi kecepatan tinggi. Saat ini, kecepatan maksimum kereta api dibatasi oleh gesekan antar roda dan relnya. Dengan rel khusus, kereta semacam TGV (train a grande vitesse) Prancis bisa mencapai kecepatan 370 km/jam —kecepatan yang menurut para ahli batas maksimum dengari metode. sekarang ini. Supaya lebih cepat lagi, bagaimana kalau roda kereta itu dibuang saja? Jadi, daripada memakai roda untuk menyokong kereta, kenapa tak menggunakan magnit saja? Misalnya, kalau ada magnit cukup kuat dalam kereta dan rel logam di bawahnya, akan terhasil kekuatan magnetik yang dengan mudah mengangkat kereta sedikit di atas tanah, membuatnya mengambang tanpa roda. Jadi, karena tanpa roda, tak ada masalah lagi dengan gesekan yang menghambat kecepatannya itu. Pulsa magnit secara teratur akan membuat kereta itu bergerak ke depan.

Tentu, kalau kita memakai magnit konvensional untuk mengangkat keretanya, perlu disediakan arus listrik yang banyak sekali. Tak akan ada untungnya dibandingkan dengan pakai roda. Tapi, dengan superkonduktor, satu-satunya yang perlu kita pertahankan adalah supaya magnit itu tetap dingin; tak perlu tenaga supaya kereta itu tetap mengambang. Inilah yang dikenal dengan magnetic levitation atau “maglev” AKU TAHU/Februari ’83 hal 34). Jepang dan Jerman telah merintisnya; Jepang bahkan telah mengtiji prototip kereta maglevnya dengan kecepatan yang melebihi 480 km/jam! Maglev, jelas, alternatif lain untuk transportasi yang lebih cepat dan lebih efisien energi (hemat biaya).

Akhirnya, melihat lebih ke depan lagi, gerak-gerik manusia di luar angkasa lebih dipermudah dengan menggunakan alat yang disebutmass driver (lihat AKU TAHU/Maret ’84 hal 11) menggunakan magnit-magnit super-konduktif. Idenya: daripada memakai roket yang kurang efisien untuk membawa muatan, muatan itu dimasukkan ke dalam semacam wadah berisi magnit. Wadah itu kemudian diangkat dan ditembakkan melalui koil-koil magnetik mirip kanon. Kalau ditempatkan di permukaan bulan, tak ada tahanan udara, sehingga bisa ditembakkan dengan kecepatan sangat tinggi lepas dari tarikan gravitasi bulan. Pada saat terakhir, kecepatannya diturunkan. Muatan itu akan tetap mengembara di ruang angkasa sampai ditangkap dan digunakan untuk membuat mesin atau perumahan manusia. Sedangkan wadah itu akan melingkar kembali ke tempat semulanya di bulan.

Prototip mass driver telah dibuat, dan yang kecil-kecil telah ditembakkan dengan kecepatan yang melebihi 11 km/detik —cukup untuk lepas dari gaya tarik bumi.

Squid
Superkonduktivitas bukan hanya menggairahkan orangorang yang bergerak dakm bidang berskala besar seperti di atas, tapi juga dalam bidang mikroelektronik. Unsur dasar yang dipakai di bidang ini adalah yang disebut SQUID (superconducting quantum interference device). Sebenamya, SQUID itu cuma sebuah simpul kawat superkonduksi yang kedua baannya dipisah oleh lapisan tipis bahan insulasi.

Yang membuat SQUID menarik adalah kondisi khususnya supaya berfungsi. Bila arus listrik yang melalui SQUID melebihi nilai kritis tertentu, ia dapat bertindak sebagai. saklar untuk mematikan/ menghidupkan voltase -tapi sebagai sakelar yang beroperasi pada sepertrilyun detik. Waktu yang amat-sangat pendek inilah yang membuatnya berguna sekali bagi teknologi komputer.

Tambah lagi, kalau SQUID ditem-patkan dalam medan magnetik, voltase arus listrik yang mengalir melaluinya akan berubah demikian rupa tergantung daripada kekuatan medannya. Itulah, katanya, SQUID adalah cara yang paling peka untuk mengukur medan magnetik.

Gunanya pengukuran magnetik yang peka sudah jelas. Kita tahu, misalnya, bahwa otak selalu memancarkan sinyal-sinyal listrik yang diukur untuk menghasilkan electroencephalogram (EEG) biasa. Memakai SQUID, ilmuwan di seluruh dunia kini mengembangkan teknik yang diperlukan untuk menghasilkan magnetoencephalogram, untuk merekam denyut magnetik output otak. Harapannya, pengetahuan tambahan mengenai fungsi otak ini akan berguna bagi dokter yang sedang mendiagnose kasus-kasus sulit.

Salah satu kegunaan komersial SQUID kini adalah dalam pencarian minyak, bijih tambang dan sebagainya. Ide dasar di belakang penggunaan SQUID ini adalah bahwa permukaan bumi selalu dibombardir dengan gelombang-gelombang elektromagnetik. Gelombang ini berasal dari berbagai sumber (badai surya, misalnya). Ia dipantulkan bila membentur permukaan bumi, dan sifat pantulan ini sangat tergantung pula pada sifat bahan yang berada di bawah permukaan itu. Gelombang-gelombang ini bisa memberi informasi mengenai apa yang terdapat dari 45,5 m sampai 9,5 km di bawah tanah —endapan minyak, mungkin, atau bahan-bahan lain yang berharga. Tentu, gelomb ang pantulan itu sangat lemah, sehingga hanya semacam SQUID-lah yang cukup peka untuk mengukur komponen magnetiknya.

Peralatan superkonduksi juga alat untuk membuat komputer-komputer generasi berikut. Komputer kita kini telah mencapai waktu siklus —waktu bagi sebuah chip untuk menyelesaikan satu langkah yang diperlukan dalam operasi— sekitar sepersepuluh bilyun per detik. Kalau ingin meningkatkan dayaguna komputer, angka ini harus ditekan lagi. Disainer komputer sudah lama berusaha menurunkan waktu siklus ini, sayangnya, terbentur masalah: sinyal di dalam komputer bergerak dari satu bagian ke bagian lain da-ngan kecepatan yang kurang dari kecepatan cahaya. Sedangkan kecepatan cahaya menempuh jarak satu kaki dalam waktu sekitar seperbilyun detik. Jadi, untuk mencapai waktu siklus yang seperbilyun detik itu, perlu mem-pak jutaan sirkuit dalam volume yang tidak lebih besar daripada secangkir kopi.

Chip silikon, seperti kita ketahui, punya sifat yang kurang menguntungkan untuk pemadatan seperti ini. Setiap chip menjadi panas bila ada arus listrik yang melaluiriya. Dalam kimpu-ter masa kini, panas yang dibangkit-kan secara ini kasarnya sama dengan panas yang dikeluarkan sebuah bolam dalam ruangan sebesar kotak roti. Ini, tentu, akan merusak sistem. Peralatan superkonduktif adalah satu cara untuk mengatasi masalah seperti ini. Kita tahu, SQUID dapat ber-fungsi sebagai saklar sangat cepat. Karena superkonduktor, ia beroperasi dengan suhu yang jauh lebih rendah, sehingga komputer secangkir kopi kita tadi itu akan menghasilkan panas yang kurang dari sebuah lampu senter. Panas yang tak seberapa itu, pun dengan mudah bisa dihilangkan memakai zat pendingin, dalam hal ini mensirkulasikan helium cair. Jadi, satu-satunya penghambat ukuran komputer super-konduktif cuma terletak pada kemampuan si insinyur dan teknisi yang membuatnya.

Saat ini, orang Jepang sedang sibuk berusaha membuat komputer super-konduktif ultra-cepat. Teknik lain pun ada yang dicoba untuk memecahkan batas seperbilyun per detik itu. Mana yang akan terbukti berhasil, tunggu saja tanggal mainnya.

Superkonduktor Suhu Tinggi
Potensi penggunaan teknologi superkonduksi banyak. Kesulitannya? Terutama, bagaimana mempertahankan bahan itu cukup dingin sehingga tetap bersifat sebagai superkonduktor. Melihat bahan-bahan yang ada kini, berarti harus direndam dalam helium cair, sebuah proses yang akan mempertahankannya pada suhu sekitar 4 derajat di atas nol absolut. Ahli fisi-ka biasanya menyebut suhu ini 4K. Kombinasi niobium dan titanium atau timah akan tetap bersifat superkonduktif sampai suhu sekitar 10-18K. Para ahli memanfaatkan selisih extra ini untuk mendisain faktor keselamatan dalam peralatan mereka. Bagaimana pun, mereka masilt bermimpi menemukan superkonduktor “temperatur tinggi”. Suhu tinggi di sini berarti suhu yang cukup sehingga zat selain helium cair dapat dipakai.

Dorongan pertama memang karena biaya: seliter helium cair harganya sekitar 5 sampai 10.000 rupiah. Nitrogen cair, sebaliknya, cuma sekitar Rp. 600 per liternya. Cuma, sayangnya, nitrogen cair mendidih pada suhu 77K— terlalu tinggi untuk dipakai sebagai pendingin superkonduktor. Superkonduktor paling unggul saat ini, senyawa niobium dan germanium, kehilangan sifat superkonduktifnya pada suhu 23K. Tapi nitrogen bukan hanya satu-satunya alternatif untuk menggantikan helium. Hidrogen cair men-didih pada suhu 20K, sedangkan neon cair 27K. Jadi, kalau ada bahan yang ditemukan tetap superkonduktif sampai 30K, ini memberi kita selisih keamanan yang diperlukan untuk memakai pendingin hidrogen cair.

Dalam jangka panjang, bahan suhu tinggi semacam ini penting sekali. Soalnya, helium adalah gas jarang yang sulit sekali “diambil” dari atmosfir. Helium komersial yang dip akai kini sebenarnya ditambang, bercampur dengan gas alam dalam waduk bawah tanah. Menurut perkiraan, di awal abad 21 nanti, persediaan helium yang relatif murah ini akan habis sudah.

Superkonduktor niobium-germanium di atas tadi, pada prinsipnya, bisa beroperasi dengan hidrogen cair. Sayangnya, selisih keamanannya tak begitu banyak. Ini yang membuat kebanyakan ahli ragu-ragu. Sebenarnya, ini belum apa-apa dibandingkan bahan itu sendiri yang sangat rapuh dan tidak stabil —sedemikian rupa sampai tak bisa dibuat menjadi kawat, apalagi magnit. Jadi, untuk mendobrak ini, perlu mengembangkan bahan —kalau mungkin— dengan sifat mekanik, kimia dan thermal yang memadai di sarn-ping sebagai superkonduktor.

Bahan semacam itu harus berada dalam keadaan amat-sangat dingin. Zat pendingin seperti helium cair harus bersirkulasi mengelilinginya. Benda tetap, seperti komputer superkonduksi, bisa ditutup dengan wadah sangat kedap yang disebut cryostat. Magnit superkonduksi di kereta juga bisa disegel dengan clyostat .dan setiap zat pendingin yang hilang bisa diganti dengan mudah. J.S. Trefil

Sumber: majalah AKU TAHU/Nopember 1984

Share
%d blogger menyukai ini: