03-BAHAN SUPERKONDUKTOR

Dosen : Ir.H.Syariffuddin Mahmudsyah,M.Eng.

BAB III.BAHAN SUPERKONDUKTOR

3.1. FENOMENA SUPERKONDUKTOR

Superkonduktivias adalah sebuah fenomena yang terjadi dalam beberapa material pada suhu rendah, dicirikan dengan ketiadaan hambatan listrik dan "dampin" dari medan magnetik interior (efek Meissner). Superkonduktivitas adalah sebuah fenomena mekanika-kuantum yang berbeda dari konduktivitas sempurna.

Dalam superkonduktor konvensional, superkonduktivitas disebabkan oleh sebuah gaya tarik antara elektron konduksi tertentu yang meningkat dari pertukaran phonon, yang menyebabkan elektron konduksi memperlihatkan fase superfluid terdiri dari pasangan elektron yang berhubungan. Ada juga sebuah kelas material, dikenal sebagai superkonduktor tidak konvensional, yang memperlihatkan superkonduktivitas tetapi yang ciri fisiknya berlawanan dengan teori superkonduktor konvensional. Apa yang disebut superkonduktor suhu-tinggi superkonduk pada suhu yang jauh lebih tinggi dari yang dimungkinkan menurut teori konvensional (meskipun masih jauh di bawah suhu ruangan.) Sekarang ini tidak ada teori lengkap tentang superkonduktivitas suhu-tinggi.

Superkonduktivitas terjadi di berbagai macam material, termasuk unsur sederhana seperti "tin" dan aluminum, beberapa logam alloy, beberapa semikonduktor di-dop-berat, dan beberapa "compound" keramik berisi bidang atom tembaga dan oksigen. Kelas compound yang terkahir, dikenal sebagai kuprat, adalah superkonduktor suhu-tinggi.

Superkonduktivitas tidak terjadi dalam logam mulia seperti emas dan perak, atau di banyak logam ferromagnetik, meskipun ada beberapa material menampilkan baik superkonduktivitas dan ferromagnetisme telah ditemukan tahun-tahun belakangan ini. Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu super-konduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor atau-

pun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).

Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. 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

TE.090224-BAHAN LISTRIK- D3 TEKNIK ELEKTRO 15


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 ahli 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 terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus.

Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu kumparan super-konduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.

Penemuan lainnya 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 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, gambar 2. 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.

Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang superkonduktivitas. 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. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak memperhitungkan bahwa keramik dapat menjadi superkonduktor. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian.

Penemuan demi penemuan dibidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesanya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K.

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 hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.

Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor dibidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, gambar 3. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam.

Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 an ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp. diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7000 ari segi tempat.



Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda.

Berdasarkan perkiraan yang kasar, perdagangan superkonduktor di dunia diproyeksikan untuk berkembang senilai $90 trilyun pada tahun 2010 dan $200 trilyun pada tahun 2020. Perkiraan ini tentu saja didasarkan pada asumsi pertumbuhan yang linear. Apabila superkonduktor baru dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan, pertumbuhan dibidang superkonduktor akan terjadi secara luar biasa.

Tabel Bahan Superkonduktor dan Suhu Kritis serta Penemuannya

Superkonduktor terdiri dari unsur-unsur tunggal yang dipelopori oleh temuan Onnes, disebut superkonduktor tipe I atau superkonduktor konvensional, ada kira-kira 27 jenis dari tipe ini. Suatu hal yang menarik, bahwa unsur-unsur yang pada suhu kamar merupakan konduktor banyak diantara mereka yang tidak memiliki sifat superkonduktor pada suhu rendah, contohnya tembaga, perak dan golongan alkali. Pada tahun 1960-an ditemukan superkonduktor tipe II, yang berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium (Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan. Sifatnya agak berbeda dengan tipe I karena suhu kritiknya relatif lebih tinggi, sehingga tipe II ini sering disebut superkonduktor yang alot. Semua alat yang telah menerapkan superkonduktor dewasa ini menggunakan bahan tipe II ini, alasannya akan menjadi jelas kemudian. Pada tahun 1985 di laboratorium riset IBM di Zurich, A.Muller dan G.Bednorz memulai era baru bagi ilmu bahan superkonduktor. Mereka menemukan bahwa senyawa keramik tembaga oksida dapat memiliki sifat superkonduktor pada suhu yang relatif tinggi, rekor suhu kritik yang saat ini sudah mencapai 125 K juga dipegang oleh golongan ini. Perkembangan selanjutnya tampak agak seret, para ahli sendiri masih meributkan ada tidaknya batas suhu kritik yang mungkin dicapai. Ahli riset di Institut Teknologi California meramalkan bahwa suhu kritik superkonduktivitas tidak akan pernah melampaui 250 K, jadi masih cukup jauh di bawah suhu kamar.



3.2. TEORI BCS (BARDEN-COOPER-SCHRIEFFER)

Teori tentang superkonduktor yang lebih terinci melibatkan mekanika kuantum yang dalam, diajukan oleh Barden, Cooper dan Schrieffer pada tahun 1975 dikenal sebagai teori BCS yang akhirnya memenangkan hadiah Nobel pada tahun 1972. Dalam teori ini dikatakan bahwa elektron-elektron dalam superkonduktor selalu dalam keadaan berpasang-pasangan dan seluruhnya berada dalam keadaan kuantum yang sama, pasangan-pasangan ini disebut pasangan Cooper. Kita bandingkan dengan elektron konduksi dalam konduktor biasa. Di sini elektron bergerak sendiri-sendiri dan akan kehilangan sebagian energinya jika ia terhambur oleh kotoran (impurities) atau oleh phonon, 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 Coulomb antar elektron, sehingga dengan tukar menukar phonon dua elektron akan membentuk ikatan menjadi pasangan Cooper. Oleh karena keadaan kuantum semuanya sama, suatu elektron tidak dapat terhambur tanpa mengganggu pasangannya, padahal pada suhu T < tc =" 30">

Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatukonduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang.

Suhu kritik (Tc) adalah suhu suatu bahan saat mengalami transisi watak darikeadaan normal ke keadaan superkonduktor. Tinggi rendahnya suhu transisi Tcdipengaruhi oleh banyak faktor. Di antaranya adalah keberadaan sebuah medanmagnet. Kehadiran medan magnet yang cukup kuat dapat menyebabkanpenuruna suhu kritik. Kuat medan magnet yang mempengaruhi suhu kritik inidinamakan medan kritik (Hc). Medan kritik (Hc) ini tidak harus berasal dari luar, tapi juga bisa ditimbulkan oleh medan internal jika diberi aliran arus listrik. Arus ini disebut sebagai Arus Kritik (Ic). Hubungan antara ketiga besaran tersebut dapat dinyatakan dengan rumus-rumus:

Hc(T)= Hc(0)[1-(T/Tc)² ]

Ic = 2

3.3. SUPERKONDUKTOR SUHU KAMAR SEMAKIN DEKAT

Fenomena superkonduktivitas sudah banyak menarik perhatian, sejak ditemukan pada tahun 1911 oleh fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes. Seperti namanya, bahan superkonduktor dapat menghantarkan arus listrik dengan sempurna. Ini berarti bahan superkonduktor dapat mengalirkan arus listrik tanpa menimbulkan panas atau pelesapan energi.

Sifat superkonduktor seperti ini memungkinkan penerapan di banyak bidang. Misalnya pada kereta api Maglev (magnetically levitated train), yang memanfaatkan magnet untuk suspensi dan penggeraknya. Selain itu superkonduktor juga digunakan pada alat-alat kedokteran, seperti MRI (Magnetic Resonance Imaging). Namun, salah



satu penggunaan yang menarik adalah pada menara BTS jaringan telepon seluler berkecepatan tinggi, seperti 3G.

Masalah yang banyak ditemukan oleh pemakai ponsel adalah buruknya mutu penerimaan telepon, serta panggilan terputus. Penerimaan buruk disebabkan oleh interferensi (gangguan) dari pemakai telepon lain. Panggilan terputus disebabkan saat pengguna bergerak, menara BTS baru tidak meneruskan sinyal. Kedua masalah ini boleh jadi lebih buruk pada jaringan 3G, yang memerlukan BTS yang lebih rapat, dan lalu-lintas data yang lebih padat.

Kedua masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan teknologi superkonduktor pada BTS. Jejari penerimaan BTS bisa diperluas dengan teknologi ini, yang mengatasi masalah panggilan terputus. Superkonduktor juga sangat baik digunakan dalam penapisan sinyal dan membuang bising (noise). Ini mengatasi masalah interferensi. Masalah terbesar penggunaan superkonduktor adalah suhu operasinya. Sifat superkonduktivitas baru muncul bila suhu bahan turun melewati titik tertentu, yang disebut sebagai titik kritis, yang biasanya sangat rendah. Karena itu superkonduktor perlu perkakas pendingin. Tantangannya adalah bagaimana menemukan superkonduktor yang dapat beroperasi pada suhu tinggi.

Para peneliti di Universitas Saskatchewan, Kanada, dan Max Planck Institute mencoba mengatasi masalah tersebut. Tim ini memiliki sasaran cukup ambisius. “Riset kami dalam bidang ini ditujukan untuk meningkatkan suhu kritis superkonduktivitas sehingga superkonduktor baru dapat dioperasikan pada suhu yang lebih tinggi, mungkin tanpa pendingin,” ujar John Tse, salah satu anggota tim, seperti yang dikutip oleh siaran pers Universitas Saskatchewan.

Untuk mencapai superkonduktivitas, tim gabungan Kanada-Jerman ini menggunakan senyawa hidrida yang diberi tekanan tinggi. Upaya sebelumnya menggunakan hidrogen murni, yang diperkirakan menjadi superkonduktor bila ditekan menjadi bahan padat. Namun laporan tim tersebut dalam jurnal Science 14 Maret 2008 menyebutkan temperatur kritis yang dicapai baru 17 K (-256 C), masih jauh dari harapan. Segi positifnya, tekanan yang diperlukan relatif kecil. Kita tunggu saja perkembangannya.

3.4. PLASTIK SUPERKONDUKTOR

Kita pasti tidak asing lagi dengan plastik, material sintetik yang dapat dilelehkan dan dibentuk menjadi bermacam-macam bentuk. Plastik telah digunakan dalam semua bidang. Sebagai contoh, plastik digunakan sebagai pembungkus kabel tembaga (karena sifat insulatornya) yang melindungi manusia dari sengatan listrik.

Kata plastik sendiri berasal dari bahasa Latin plasticus, yang artinya mudah dibentuk. Plastik dibuat dari polimer organik, yakni molekul raksasa yang dibangun dari pengulangan atom-atom karbon (monomer karbon). Di tahun 1970-an, Alan J Heeger, Alan G McDiarmid, dan Hideki Shirakawa (pemenang Nobel Kimia 2000) berhasil mentransformasikan plastik dari berupa insulator menjadi konduktor (pengantar listrik). Mereka menggunakan plastik yang terbuat dari polimer organik terkonjugasi (polimer organik yang ikatan ganda-duanya berselang-seling dengan ikatan



tunggalnya) dan menambahkan pengotor kimia untuk mengubah sifat listrik plastik tersebut.

Sejak itu, penelitian terhadap sifat kelistrikan plastik (dari material organik terkonjugasi) berkembang pesat. Plastik-plastik konduktor dan atau semikonduktor telah berhasil dibuat dan digunakan sebagai material alternatif untuk logam dan semikonduktor anorganik konvensional. Jendela “pintar” yang secara otomatis dapat menjaga kesejukan gedung dari panasnya sinar Matahari, dioda emisi cahaya (LED), dan sel surya merupakan contoh barang-barang elektronik yang memanfaatkan plastik-plastik tersebut.

Meskipun konduktivitas dan semikonduktivitas material plastik telah diinvestigasi secara ekstensif, namun superkonduktivitas material ini belum pernah dilaporkan. Pembuatan plastik superkonduktor yaitu plastik yang tidak memiliki hambatan di bawah suatu nilai tertentu, ternyata jauh lebih sulit.

Tantangan utama dalam pembuatan plastik superkonduktor adalah mengatasi keacakan struktur inheren plastik-mirip dengan keacakan untaian mi yang telah dimasak-yang mencegah interaksi-interaksi elektronik yang penting untuk superkonduktivitas. Setelah dua puluh tahun, barulah tantangan tersebut dapat diatasi

oleh Dr Bertram Batlogg dan koleganya dari Bell Laboratories di Murray Hill, New Jersey, Amerika Serikat. Mereka mampu mengatasi tantangan itu melalui pembuatan larutan yang mengandung plastik, politiofena. Politiofena adalah salah satu jenis polimer organik terkonjugasi yang berupa semikonduktor pada suhu ruang sehingga telah digunakan dalam pembuatan komponen optoelektronik terintegrasi dan sirkuit terintegrasi (IC).

Dengan metode penataan sendiri (self-organization), mereka mampu membuat tumpukan film (lapisan tipis) politiofena yang luar biasa rapi (remarkably well-ordered), mirip dengan tumpukan untaian mi yang belum dimasak. Sebagai pengganti pengotor kimia (yang diketahui dapat merusak kerapian film politiofena), mereka menempatkan film politiofena pada lapisan aluminium oksida dan elektroda-elektroda emas pada peralatan elektronik yang dikenal sebagai field-effect transistor. Transistor tersebut menghasilkan medan listrik yang dapat mengeluarkan elektron dari film politiofena, sehingga elektron tersisa lebih mudah bergerak dan mengantarkan listrik. Pada suhu minus 455 derajat Fahrenheit (2,35 K), plastik politiofena tersebut bersifat superkonduktor.

Mereka mempublikasikan temuannya dalam jurnal Nature pada tanggal 8 Maret 2001. Plastik superkonduktor tersebut termasuk dalam Chemistry Highlight 2001 menurut Chemical & Engineering News volume 79, 10 Desember 2001.

Dibandingkan dengan material superkonduktor lain, plastik superkonduktor tersebut termasuk superkonduktor lemah dan suhu kritisnya (suhu di mana material menjadi superkonduktor) jauh di bawah suhu tinggi. Superkonduktor suhu tinggi bekerja pada suhu sampai minus 200 derajat Fahrenheit (sekitar 145 K). Walaupun demikian,


http://hermanyudiono.files.wordpress.com/2009/04/belllabs.jpg


plastik superkonduktor diyakini lebih murah dan lebih mudah dibuat serta dibentuk daripada material superkonduktor lain. Untuk itu, Batlogg dan kawan-kawan optimistis dapat meningkatkan suhu kritis plastik superkonduktor tersebut dengan cara mengubah struktur molekuler plastik itu. Bahkan, Zhenan Bao, kimiawan yang terlibat dalam penelitian tersebut, mengklaim bahwa metode yang mereka kembangkan dapat membuat material organik lain menjadi superkonduktor.

Di akhir artikelnya, para peneliti Bell Labs tersebut mencatat bahwa plastik superkonduktor pertama yang telah mereka temukan memungkinkan diaplikasikan dalam bidang elektronika superkonduksi dan komputer masa depan yang menggunakan kalkulasi mekanika kuantum.

Walaupun usia plastik superkonduktor baru sekitar satu tahunan dan belum diaplikasikan, namun yang pasti pencapaian ini merupakan terobosan yang membuka cakrawala baru ilmu dan teknologi superkonduktor.

3.5. IMPLEMENTASI SUPERKONDUKTOR

3.5.1. SUPERNYA SUPERKONDUKTOR

Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu nilai suhu tertentu. Suatu superkonduktor dapat saja berupa suatu konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan ruang. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc). Kapan superkonduktor itu ditemukan???Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. 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 ahli 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 terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerusKeluarga superkonduktor yang terdiri dari unsur-unsur tunggal yang dipelopori oleh temuan Onnes, disebut superkonduktor tipe I atau superkonduktor konvensional, ada kira-kira 27 jenis dari tipe ini. Suatu hal yang menarik, bahwa unsur-unsur yang pada suhu kamar merupakan konduktor banyak diantara mereka yang tidak memiliki sifat superkonduktor pada suhu rendah, contohnya tembaga, perak dan golongan alkali.

3.5.2. APLIKASI SUPERKONDUKTOR



A) GENERATOR DENGAN EFISIENSI TINGGI

Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 persen dan ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan Amerika, American Superconductor Corp diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. . Menurut perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga.

B) BIDANG KEDOKTERAN

Pasien harus berada pada pusat medan magnet secara tepat. Bersamaan dengan denyut-denyut energi gelombang radio, pindaian dapat menemukan titik sangat kecil dalam Kereta Magnet (Maglev, Magnetic Levitation Train) Diciptakannya alat MRI, sebuah alat pencitra Gema Magnetik.MRI yang ditemukan ketiga ilmuwan tersebut, mempunyai

pencitraan dengan resolusi sangat tinggi, melebihi CT SCAN, yang keduanya dapat digunakan sebagai pendiagnose otak manusia. Sistem MRI terdiri dari magnet(komponen alat utama), komputer, peralatan pemancar gelombang radio, dan komponen skunder lainnya. Magnet yang digunakan sebesar 0.5-2 Tesla.(1 T = 10000 Gauss). Gradiennya 18 dan 27 militesla. Medan magnet utama dimasukkan dalam pasien dalam keadaan stabil dan dengan medan magnet berkekuatan besar, gradiennya membuat magnet utama berubah-ubahtubuh.

C) BIDANG KOMPUTER

Dibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTS-SQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda.

D) SISTEM KABEL SUPERKONDUKTOR TERPANJANG DI DUNIA

Kabel Superkonduktor

Korea Selatan mulai menginstal kabel distribusi listrik superkonduktor di dekat kota Seoul pada pertengahan tahun 2010. Bulan April kemarin, perusahaan kabel raksasa negara tersebut, LS Cable mulai memesan superkonduktor 344 sepanjang 50 miles dengan jenis


http://majarimagazine.com/2009/07/korea-selatan-membangun-sistem-kabel-superkonduktor-terpanjang-didunia/


second-generation high-temperature superconductors (HTS) dari American Superconduktor Corp (AMSC). Rencananya kabel tersebut akan digunakan pada sistem kabel 22,9 kV sebagai bagian dari jaringan penghantar listrik komersial Korea Electric Power Corp (KEPCO). Sistem kabel ini akan mencapai panjang 50 mil dan mampu menghantarkan listrik sebanyak 50 MW.

“Sebagaimana kasus di berbagai negara di seluruh dunia, permintaan kebutuhan listrik korea juga meningkat tajam dan kami mengandalkan berbagai sumber energi terbarukan untuk memenuhi kebutuhan tersebut,” kata Kim Ssang-su, CEO KEPCO. “Dengan kemampuan mereka membawa energi listrik dalam jumlah besar, kita akan melihat sesuatu yang menjanjikan dari teknologi kabel superkonduktor ini dan menanti penginstalan sistem pertamanya.”

Sebuah kabel yang dibuat dari kawat HTS didalamnya dapat menghantarkan listrik mencapai 10 kali lipat lebih banyak dibandingkan jumlah listrik yang dapat dihantarkan oleh kabel tembaga dengan diameter yang sama. Dengan mengganti kabel tembaga dengan kabel HTS dan dengan memanfaatkan jaringan terowongan bawah tanah yang sudah ada, suatu kota akan mendapatkan kepadatan arus listrik yang lebih tahan lama dan jaringan listrik yang lebih terjaga keamanannya tanpa menggali jalan-jalan kota. Superkonduktor 344 dari AMSC yang mulai diproduksi tahun 2007 ini memiliki sebuah fitur yang mampu mengurangi biaya produksinya, menurut keterangan perusahaan tersebut.

Korea selatan telah melakukan pengembangan dan komersialisasi sistem superkonduktor beberapa tahun, dengan menghabiskan biaya tidak kurang dari 100 juta U.S. Dollar pada program yang diberi nama Development of Advanced Power Systems by Applied Superconductivity technologies (DAPAS). Selama tahun 2006 dan 2007, negara tersebut melakukan berbagai percobaan sistem kabel superkonduktor pada panjang 30 meter dan 100 meter untuk jenis kabel superkonduktor 22,9 kV menggunakan kawat HTS generasi pertama AMSC. Instalasi kabel di Korea Selatan ini akan mengikuti beberapa pengaturan kabel superkonduktor menyesuaikan pada jaringan listrik U.S.

Pemegang rekor dunia untuk pertama kalinya menggunakan sistem superkonduktor ini adalah Long Island, U.S. pada bulan April 2008. Sistem kabel 138 kV sekarang sudah menjadi bagian sistem permanen penghantar listrik utama Long Island Power Authority (LIPA). Pada kapasitas penuh, sistem kabel LIPA dapat menghantarkan listrik mencapai 574 MW. Proyek superkonduktor lain kini sedang direncanakan untuk kota Mahattan, N.Y., dengan mendapat dana bantuan dari Department of Homeland Security U.S.

E) SUPERKONDUKTOR LOGAM SUPERTIPIS YANG PERNAH DICIPTAKAN

Superkonduktor supertipis yang dibuat dari logam timbal dengan ukuran ketebalan hanya dua lapis atom Pb telah diciptakan dan dikembangkan oleh Fisikawan di Universitas Texas, Austin USA. Dr. Ken Shih dan koleganya melaporkan sifat-sifat superkonduktornya pada Science edisi 5 Juni 2009 yang lalu.



Superkondukor adalah unsur atau paduan logam dimana bila didinginkan mendekati titik nol absolute (0 0K), maka akan kehilangan nilai hambatan listriknya sehingga superkonduktor dapat menghantarkan arus listrik tanpa kehilangan energi dalam bentuk apapun (meskipun dalam setiap eksperimen hal ini sulit terjadi). Bukan berarti superkonduktot tidak memiliki hambatan sama sekali melainkan nilai hambatannya dapat diabaikan.

Superkonduktor sangat unik dikarenakan superkonduktor dapat menyimpan arus listrik dalam jarak waktu tertentu meskipun tidak ada sumber listrik yang terhubungan dengannya. Selain itu superkonduktor telah banyak diaplikasikan seperti pada mesin MRI, peralatan akselerator partikel, peralatan penelitian bidang quantum, dan

berbagai macam aplikasi yang lain.

Pengembangan superkonduktor yang dilakukan oleh Dr. Shih ini akan menjadi dasar untuk pengembangan teknologi supekonduktor ketingkat yang lebih tinggi di masa yang akan datang. “Untuk dapat engontrol superkonduktor ini-Membentuknya dalam bentuk geometri yang baru-serta mengeksplorasinya merupakan suatu hal yang sangat menarik” kata Shih yang juga merupakan seorang berpredikat “Jane and Roland Blumberg Professor” dalam bidang Fisika.

“Harapan saya lapisan superkonduktor ini nantinya akan dapat ikut membangun beberapa peralatan yang berguna dan menyumbangkan sifat-sifat superkonduktifitas baru pada ilmu pengetahuan” kata Dr.Shih.

Pada superkonduktor, electron umumnya mengalir bebas diseluruh bagian material secara berpasangan dan peristiwa ini disebut sebagai “Pasangan Cooper”. Salah satu sifat yang sangat inovatif daripada superkonduktor milik Shih ini yaitu electron-elektron terbatas hanya bisa bergerak pada dua dimensi atau yang biasa dikenal sebagai “canel quantum”, seperti layaknya penari ballroom yang menari di atas lantai dansa. Dan menariknya lagi superkonduktor Pb ini tetap memiliki sifat superkonduktor yang sangat baik meskipun pergerakan elektronnya sangat terbatas.

Shih dan koleganya menggunakan teknik sintesis material tingkat lanjut untuk menyususn superkonduktornya yang hanya setipis dua lapisan atom Pb dan hasil yang mereka dapatkan lapisan timbale superkonduktor tersebut sangat uniform tanpa adanya impuritas.

F) APLIKASI SUPERKONDUKTOR PADA MAGNETIC RESONANCE IMAGING/MRI

Pada tahun 2003 tiga orang ilmuwan diberi Nobel Fisika yakni Alexei abrikosov, Anthony legget dan Vitally Ginzburg, akibat temuan mereka mengenai perkembangan



teori superkonduktor. Mereka menemukan aplikasi superkonduktor, yakni sebuah alat pencitra/pendiagnosa yang disebut Magnetic Resonance Imaging / MRI.

Super konduktor adalah suatu sifat pada bahan yang tidak memiliki hambatan pada suhu di bawah titik tertentu. Sebenarnya suatu bahan dapat berupa konduktor, semikonduktor ataupun insulator, tergantung suhu yang mengenai bahan tersebut. Selain itu dia akan menjadi superkonduktor pada temperatur dibawah suhu kritis.

Telah diketahui bahwa suatu hambatan pada logam akan menurun secara bertahap jika suhu diturunkan secara bertahap pula. Berdasarkan pengetahuan tersebut, banyak ilmuwan yang melakukan penelitian lebih lanjut mengenai sifat tersebut. Hingga pada suatu waktu seorang ilmuwan dari Belanda bernama Heike Kamerlingh Onnes, menemukan superkonduktor suatu bahan. Onnes berhasil mencairkan helium hinggak 4 K atau – 2690c. Kemudian ia mempelajari sifat-sifat kelistrikannya. Para ilmuwan lain memperkirakan bahwa elektron yang mengalir pada konduktor akan berhenti mengalir pada suhu 0 mutlak, namun Onnes telah membuktikan pada suhu tersebut hambatan menghilang.

Superkonduktor dapat dijelaskan dengan menggunakan teori BCS (Berdeen, Cooper, dan Schriffer). Ketiga ilmuwan tersebut menjelaskan gejala superkonduktifitas dengan pasangan elektron, yang sering disebut dengan pasangan cooper. Pasangan elektron dibentuk oleh pasangan ion-ion positif dalam logam, yang mengakibatkan arus listrik akan bergerak lebih merata sehingga terjadilah superkonduktivitas. Gejala ini menolak medan magnet dari luar selama medan magnet luar tidak terlalu tinggi(efek Meissener). Bila medan magnet luar melebihi batas kritis, maka superknduktivitas menghilang. Ini adalah superkonduktor tipe I, untuk tipe II tidak menunjukkan efek Meissener.

MRI yang ditemukan ketiga ilmuwan tersebut, mempunyai pencitraan dengan resolusi sangat tinggi, melebihi CT SCAN, yang keduanya dapat digunakan sebagai pendiagnose otak manusia. Sistem MRI terdiri dari magnet(komponen alat utama), komputer, peralatan pemancar gelombang radio, dan komponen skunder lainnya. Magnet yang digunakan sebesar 0.5-2 Tesla.(1 T = 10000 Gauss). Gradiennya 18 dan 27 militesla. Medan magnet utama dimasukkan dalam pasien dalam keadaan stabil dan dengan medan magnet berkekuatan besar, gradiennya membuat magnet utama berubah-ubah. Pasien harus berada pada pusat medan magnet secara tepat. Bersamaan dengan denyut-denyut energi gelombang radio, pindaian dapat menemukan titik sangat kecil dalam tubuh.

Seperti yang diketahui, kandungan air dalam tubuh manusia mencapai 2/3 bobot manusia. Di mana terdapat perbedaan kandungan air pada organ-organ manusia. Proses patologi tersebut di atas akan mencerminkan perubahan kandungan air ini dengan gambar MRI. Di man a air adalah milekul yang tersusun dari atom-atom hidrogen dan oksigen. Inti-inti atom H berperan sebagai jarum mikroskopis. Ketika medan magnet kuat mengenai tubuh, inti-inti atom H memiliki arah teratur. Bila diberi denyut gelombang radio yang spesifik untuk atom H, maka kandungan energi inti-inti atom akan berubah. Kemudian gema terjadi ketika inti-inti atom tersebut kembali pada keadaan semula. Di sinilah dapat diketahui konsep-konsep fisika statistik, mengenai distribusi partikel dalam atom.



Perbedaan osilasi kecil inti-inti atom H terdeteksi dengan komputer dan membentuk gambar 3D yang mencerminkan struktur kimia jaringan, termasuk kandungan air dan pergerakan molekul-molekul air. Hasil tersebut menggambarkan lebih rinci mengenai jaringan-jaringan dan organ-organ manusia.

3.6. TIPE-TIPE SUPERKONDUKTOR

A) SUPERKONDUKTOR Tipe 1

Superkonduktor tipe 1 terdiri dari logam dan metaloid yang menunjukkan beberapa sifat konduktivitas di suhu ruangan. Superkonduktor tipe 1 ini membutuhkan suhu yang sangat dingin agar menjadi superkonduktif. Saat menjadi superkonduktif, tipe 1 ini akan menghasilkan sifat diamagnetik yang kuat.

Di bawah ini adalah beberapa nama superkonduktor tipe 1.-Timbal (Pb) (menjadi superkonduktif di suhu 7,196 K)-Lantanum (La) (menjadi superkonduktif di suhu 4,88 K)-Tantalum (Ta) (menjadi superkonduktif di suhu 4,47 K)-Air raksa (Hg) (menjadi superkonduktif di suhu 4,15 K)-Timah (Sn) (menjadi superkonduktif di suhu 3,72 K)-Indium (In) (menjadi superkonduktif di suhu 3,41 K)-Paladium (Pd) (menjadi superkonduktif di suhu 3,3 K)-Krom (Cr) (menjadi superkonduktif di suhu 3 K)-Aluminium (Al) (menjadi superkonduktif di suhu 1,175 K)-Seng (Zn) (menjadi superkonduktif di suhu 0,85 K)-Platina (Pt) (menjadi superkonduktif di suhu 0,0019 K)(*brrr* dingin pisan euy!)

B) SUPERKONDUKTOR Tipe 2

Superkonduktor tipe 2 berbeda dengan tipe 1 saat transisi dari keadaan normal ke superkonduktif. Superkonduktor tipe 2 terdiri dari senyawa logam dan aloy. Kerennya, beberapa bahan tipe 2 membutuhkan suhu yang relatif lebih hangat untuk menjadi superkonduktif dibandingkan dengan tipe 1. Berikut adalah beberapa contoh superkonduktor tipe 2:-(Sn5In)Ba4Ca2Cu11Oy (*confused*) (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 218 K)-(Sn5In)Ba4Ca2Cu10Oy (*more confused*) (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 212 K)-Sn5Ba4Ca2Cu10Oy (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 200 K)

Sebenarnya masih banyak bahan-bahan yang merupakan superkonduktor tipe 2, untuk lebih lengkapnya, kunjungi situs ini.

3.7. KEGUNAAN LANJUT SUPERKONDUKTOR

Kini, ilmuwan sedang mencari bahan yang superkonduktif pada suhu biasa. Jika superkonduktor pada suhu biasa ditemukan, maka dampaknya terhadap kehidupan manusia akan sangat besar. Mesin-mesin dan alat elektronik seperti komputer akan bekerja jauh lebih cepat dan lebih hemat energi. Beberapa alat seperti scanner tubuh



di rumah sakit yang membutuhkan energi listrik yang besar juga akan lebih hemat energi.Tau gak kereta “Maglev”? Kereta “Maglev” adalah kereta yang bekerja berdasarkan prinsip tolak-menolak magnet. Di kereta “Maglev” terdapat dua buah magnet listrik yang berlawanan kutub sehingga dapat membuat kereta melayang. Jika melayang, berarti gaya gesek dengan bidang akan berkurang, lalu kereta akan melaju lebih cepat.Nah, kereta “Maglev” ini memiliki masalah dalam kehidupan. Kereta “Maglev” memiliki medan magnet yang sangat kuat sehingga dapat menimbulkan bio-hazard dan mengganggu kesehatan tubuh. Namun, seiring dengan ditemukannya superkonduktor, kereta “Maglev” yang konvensional saat ini dapat tergantikan. Ke-diamagnetik-an superkonduktor dapat mengganti prinsip kerja kereta “Maglev,” walaupun pada dasarnya sama. Superkonduktor akan melayang di atas magnet, sehingga superkonduktor dapat menggantikan salahsatu magnet listrik di kereta “Maglev.” Namun, sampai sekarang, ilmuwan masih mengembangkan jenis kereta “Maglev” ini.

Kegunaan lain dari superkonduktor adalah bahwa superkonduktor dapat mengurangi emisi karbondioksida di alam.

Terowongan "Kiamat" di Tanah Swiss

SWISS, MINGGU — Laboratorium berupa terowongan sepanjang 27 kilometer, 91 meter di bawah tanah Swiss, disebut sebagai penemuan terbesar abad ini. Large Hadron Collider (LHC) akan merekayasa ulang penciptaan bumi, tapi terowongan ini bisa meledak, bahkan menghancurkan bumi.

LHC yang berada di bawah pegunungan Alpen, perbatasan Swiss dan Perancis, merupakan percobaan fisika terbesar di dunia. Biaya konstruksi untuk pembangunan fasilitas ini mencapai 8,8 miliar dollar ASn yang didanai oleh European Organization for Nuclear Research (CERN) bekerja sama dengan ribuan universitas dan laboratorium di seluruh dunia.



CERN akan mereka ulang terbentuknya Tata Surya beberapa detik setelah Big Bang (ledakan dahsyat). Selama ini Big Bang diyakini sebagai teori terbentuknya jagad raya secara instan. Teori ini menyatakan bahwa alam semesta berasal dari kondisi superpadat dan panas, yang kemudian mengembang sekitar 13.700 juta tahun lalu.

Para ilmuwan juga percaya bawa Big Bang membentuk sistem Tata Surya. Ide sentral dari teori ini adalah bahwa teori relativitas umum dapat dikombinasikan dengan hasil pemantauan dalam skala besar pada pergerakan galaksi terhadap satu sama lain, dan meramalkan bahwa suatu saat alam semesta akan kembali atau terus. Konsekuensi alami dari Teori Big Bang yaitu pada masa lampau alam semesta punya suhu yang jauh lebih tinggi dan kerapatan yang jauh lebih tinggi.

Kini LHC akan menguji coba bermacam prediksi fisika berenergi tinggi dengan melemparkan tembakan proton berkecepatan tinggi. Tapi, kritikus menilai, LHC yang mampu mempercepat partikel hingga 99,99 persen kecepatan cahaya dapat memunculkan panas triliunan derajat. Selain itu, juga bisa menimbulkan apa yang disebut lubang hitam yang bisa menelan bumi.

Ketakutan ini berujung pada gugatan ke European Convention of Human Rights terhadap 20 negara, termasuk AS, yang mendanai proyek itu. Apakah kita perlu khawatir? “Sama sekali tidak,” kata Stephane Coutu, profesor fisika dari Universitas Pennsylvania, AS.

“Bumi berulang kali dibombardir energi kosmik dari angkasa, beberapa di antaranya menyerap ribuan tabrakan partikel lebih hebat dari yang dihasilkan oleh LHC,” tambahnya. Ketakutan pada munculnya lubang hitam itu menyebabkan LHC disebut sebagai Mesin Kiamat atau Mesin Bing Bang seperti teori mengenai penciptaan jagad raya.

Apa itu LHC itu dan bagaimana penembakan partikel bisa menjelaskan terbentuknya jagad raya? Pemacu partikel paling besar yang pernah dibuat manusia itu terdiri dari terowongan bawah tanah sepanjang 27 kilometer. Coutu menjelaskan, proton akan dibenturkan melalui terowongan hingga bertabrakan dan terpecah menjadi bagian lebih kecil. Detektor partikel di sepanjang terowongan akan menganalisa hasil tabrakan itu.

“Hasil akhir dari tabrakan partikel itu dapat menyediakan pemahaman baru bagaimana partikel berinteraksi dan bisa menjelaskan hasil dari proses partikel setelah terjadinya Big Bang saat pembentukan jagad raya,” jelasnya.

Kemungkinan lain adalah bisa mengamati Higgs Boson sebagai hasil dari tabrakan partikel itu. Higgs Boson merupakan partikel misterius yang secara hipotesis diprediksikan ada dalam standar model fisika partikel, tapi tidak pernah diisolasi secara eksperimen.

Higgs boson yang diperkirakan menyediakan massa ke partkel lain dan kadang-kadang disebut sebagai partikel Tuhan, bisa sebagai kunci untuk mengetahui mengapa hal itu bisa terjadi. Verifikasi mengenai keberadaannya akan menjadi terobosan di fisika partikel.



“Hal lain dari data eksperimen LHC akan memberi petunjuk peningkatan kehidupan sehari-hari kita. Metode komputasi untuk memproses dan menganalisa data yang sangat besar ini akan segera dibuat. Hal itu akan dilakukan di luar laboratorium,” kata Coutu lagi.

Tapi ilmuwan masih harus sabar memanen data itu. Karena mesin ini baru akan dijalankan lagi pada akhir 2009 nanti. LHC sudah dinyalakan pada September 2008, tapi dimatikan enam hari kemudian karena mengalami masalah teknis.Penundaan itu diakibatkan kerusakan pada magnet superkonduktor yang menyebabkan bocornya 6 ton helium cair super dingin ke dalam terowongan itu. LHC sendiri diyakini bisa memecahkan berbagai pertanyaan manusia selama berabad-abad mengenai terciptanya jagad raya kita.


©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

03-BAHAN SUPERKONDUKTOR

Documents

Transcript of 03-BAHAN SUPERKONDUKTOR