oleh
:
Prof.Dr.Drs.Syahrul
Humaidi, M.Sc, (Guru Besar Prodi Fisika, Ketua Program Pasca Sarjana S-2
(Magister) dan S-3 (Doktor Ilmu Fisika) – FMIPA USU-Medan.
(Tulisan
ini merupakan Pidato Pengukuhan Guru Besar Jabatan Guru Besar
Tetap, dalam Bidang Fisika Superkonduktor,pada Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, USU, disampaikan pada Rapat
Terbuka, Universitas Sumatera Utara, Gelanggang Mahasiswa USU,
25 Februari 2025).
editor
;
2.
KH. Dr. Muhammad Sontang Sihotang S.Si, M.Si*.(Kepala Laboratorium Fisika
Nuklir, Prodi Fisika, Fakultas Matematika & Ilmu Pengetahuan Alam, Peneliti
Pusat Unggulan Ipteks Karbon & Kemenyan-Universitas Sumatera Utara (USU)-Medan,
Peserta Pra Asesmen Mandiri (PAM) Indonesia Timur Gelombang VI, Mantan
Wartawan / Kolumnis / Reporter, Kepala Biro dan Wilayah, Wakil Pemimpin
Redaksi, Wakil Pimpinan Umum : dahulu & sekarang @ Tabloid Suara USU-Medan, Tabloid
Bintang Sport Film (BSF)-Medan, Garuda-Harian Sore-Medan,Waspada-Medan,Tabloid
Duta Bangsa- Jakarta, Dayak News-Palangkaraya,Kalimantan Tengah,GarudaNews-Medan,Portal Medan-Medan,Mabesnews-Jakarta, WasantaraNews-Medan,
KomandoTopNews-Medan.
PENDAHULUAN
Revolusi
Industri 4.0 yang ditandai dengan adanya perkembangan yang pesat di dunia IT
memiliki kata kunci; otomasi, analisis big data, teknologi
robot, artificial
intelligence (AI) dan internet of things (IoT). Kita
masih berusaha untuk beradaptasi dengan 4.0, ternyata wacana mengenai revolusi
berikutnya, Revolusi Industri 5.0 sudah memuliai titik startnya.
Industri
4.0 mempertegas integrasi diantara sistem fisika, sistem digital dan sistem
biologi, yang diapplikasikan untuk kehidupan manusia dan peradaban manusia.
Perluasan akan kemana arah transformasi ini akan mempunyai
dampak positip tergantung bagaimana kita mampu mengendalikan semua resiko dan
peluang yang ada di masa datang. Tentu saja, untuk berhadapan dengan
tantangan industri 4.0 kita memerlukan persiapan akan 4 hal: berpikir kritis,
kreativitas, komunikasi dan kolaborasi. Dengan demikian, sebagai sebuah
institusi, maka Universitas Sumatera Utara harus terlibat dan berperan aktif
sebagai bagian dari kecenderungan kemajuan industri.
Bagaimana
dampak Revolusi Industri 5.0 dan terhadap pengembangan ilmu dasar, ilmu terapan
dan ilmu bahan? Tentu saja Revolusi Industri 4.0 dan 5.0 sangat berdampak saat
ini dan di masa depan. Meskipun Revolusi Industri 5.0 lebih menitikberatkan
pada integrasi antara teknologi canggih seperti AI, IoT, dan teknologi robot teknologi
dengan keahlian manusia dan inovasi yang dapat mendorong perkembangan sistem
produksi yang lebih efisien, fleksibel, berkelanjutan dan meningkatkan
kesejahteraan, namun ianya mempunyai korelasi yang sangat erat dengan para
insinyur dan saintis serta rekayasa bahan. Secanggih apa pun
teknologi dewasa ini, pastilah ada suatu sistem yang membangunnya
dan memerlukan bahan dasar dan komponen utama sebagai pendampingnya.
Kemajuan
teknologi dewasa ini tidak terlepas dari pengetahuan dan perkembangan ilmu bahan.
Karakteristik bahan dikaji secara teoretik dan diejawantahkan dalam bentuk
produk. Baik produk terbatas sebagai bahan kajian maupun
produk komersial untuk dikonsumsi.
BAHAN
SUPERKONDUKTOR
Menurut Ilmu
fisika, bahan dibagi atas 3 kelompok besar berdasarkan sifat
listriknya:
1).
Bahan isolator (Tidak dapat menghantarkan arus listrik);
2).
Bahan Konduktor (Dapat dialiri arus listrik)
3). Bahan Semikonduktor
(bersifat antara 1 dan 2)
4).
Bahan Superkonduktor (Tidak mempunyai sebarang hambatan Listrik).
Bahan-bahan
tersebut tentu saja mempuyai karakteristik yang tersendiri pula akibat adanya
campur tangan energi luar yang bekerja padanya. Bahan dengan kategori isolator
dan konduktor sudah dipakai secara luas di awal era teknologi. Bahan
semikonduktor merupakan pengembangan bahan isolator dan konduktor. Bahan ini
mempunyai sifatn yang unik, bersifat isolator pada suhu rendah dan menjadi
konduktor pada suhu yang lebih tinggi. Bahan ini secara luas digunakan untuk switching,
pengontrolan otomatis dan sebagainya. Sedangkan bahan superkonduktor
merupakan bahan baru. Ketika pertama kali ditemukan oleh Onnes (1911/ilmuwan
Belanda), sifat bahan superkonduktor bertentangan dengan sifat bahan yang umum
dan bertentangan dengan teori Fisika saat itu. Seiring dengan berjalannya
waktu, superkonduktor menjadi bahan yang spektakuler dan menjadi bahan yang
seksi untuk dikaji oleh peneliti. Sifat khas pada bahan superkonduktor adalah
adanya Temperatur kritis (Tc), temperature yang terus menerus diupayakan
meningkat oleh para saintis dan ilmuwan. Jika pada awal penemuannya nilai Tc
sangatlah rendah, maka ke depan, target penelitian untuk bidang superkonduktor
adalah upaya perburuan nilai Tc yang lebih tinggi. Ini
disebabkan pembatas signifikan untuk aplikasi Teknik bahan superkonduktor
ini adalah nilai Tc yang masih rendah. Berikut disajikan sifat
rintangan/hambatan Listrik dengan suhu pendinginan pada keempat bahan
listrik tersebut.
Grafik
pada Gambar 1 menunjukkan bahwa bahan logam akan menurun nilai hambatannya
seiring dengan penurunan temperatur. Berbeda dengan bahan semikonduktor dan non
konduktor yang nilai hambatannya semakin tinggi jika didinginkan. Seperti kita
lihat pada gambar tersebut, untuk bahan superkonduktor, terjadi penurunan
hambatan yang drastis pada temperatur Tc. Gejala ini yang kita kenal dengan
superkonduktivitas. Gejala ini terjadi pada temperatur yang sangat dingin. Hal
ini memuat bahan superkonduktor menjadi bahan yang sangat mahal sampai saat
ini. Karena untuk proses pendinginan, diperlukan gas Helium cair
(superkonduktor Suhu Rendah-LTS) dan digunakan gas Nitrogen cair
(superkonduktor Suhu Tinggi-HTC).
Walaupun
untuk mencapai temperatur kritis yang tinggi memerlukan biaya besar. Para
periset di berbagai negara terus berupaya melakukan pengembangan riset di
bidang superkonduktor ini. Beberapa aplikasi di bidang industri seperti MRI,
kereta Maglev di negara maju. Kabel pembawa tenaga listrik dan lainnya. Melihat
perkembangan yang sangat menjanjikan, India sudah mempunyai proyek kereta
Maglev, sementara kita tahu bahwa India masih tergolong negara berkembang.
Berita baiknya, pemerintah Indonesia menyadari fenomena perkembangan global
dunia. BRIN sebagai pusat Ilmu Pengetahuan dan Riset, memulai memasukkan agenda
riset bidang superkonduktor sebagai riset unggulannya. Penelitian tentang
superkonduktor di BRIN dimulai pada 2005 (20 tahun lalu) sementra Malaysia
sudah memulainya di sekitar awal 1980 (40 tahun lalu). Pada awalnya, bahan
dasar yg dikembangkan di BRIN adalah Cu/Nb3Sn, lalu BiPbSrCaCuO,
FeSeTe, MgB2 dan lainnya. Umumnya periset di BRIN mengadopsi perkembangan
superkonduktor dari Jepang.
Alhamdulillah, berita baiknya saat ini alat-alat
penelitian yang tersedia di BRIN meliputi preparasi sample:
timbangan presisi elektrik, High Energy Milling, Mortar Mesin press 100 ton,
Furnace vacuum furnace, mesin rolling, drawing, dll. Sedangkan alat untuk
karakterisasi diantaranya: XRD, SEM, TEM, HRTEM, Cryogenic magnet,
magnetometer, dll. BRIN terus bekerjasama dengan universitas terkemuka, baik
dalam maupun luar negeri termasuk dengan Fakultas MIPA USU, salah satunya
melakukan penelitian kolaborasi bidang superkonduktor ini.
PERKEMBANGAN BAHAN SUPERKONDUKTOR
Gambar
2 menyajikan Sejarah penemuan bahan superkonduktor dan prestasi yang
didapat hingga 2015. Selama 1 dekade terakhir, belum ada rekord temperatur
kritis tertinggi selama 1 dekade terakhir. Penemuan diantara tahun 2015 dan
2020 masih dalam perdebatan karena menggunakan tekanan udara yang sangat
tinggi. Sejak awal penemuannya bahan dasar masih berupa atom tunggal atau
campuran sederhana. Semakin lama, komposisi bahan dasar semakin kompleks. Beberapa
kelompok bahan superkonduktor berbasis bahan dasar (untuk superkonduktor suhu
tinggi) diantaranya: YBCO, Bisco, TBCCO dan lainnya. Dari Gambar
2 dapat dilihat bahwa titik didih nitrogen cair merupakan pembatas
antara bahan superkonduktor suhu rendah dengan suhu tinggi {(77K = (−196.2 °C=
(−321.1 °F}. Pembuatan bahan superkonduktor umumnya dalam
keadaan normal (tekanan udara dan suhu ruang standard).
Yttrium
barium copper oxide (YBCO) merupakan campuran bahan superkonduktor
bertemperatur kritis tinggi.Campuran ini termasuk dalam kelompok campuran kimia
kristal. Bahan superkonduktor ini mempunyai temperatur kritis sekitar 93K (−180.2 °C;
−292.3 °F). Kebanyakan campuran YBCOmempunyai rumus umum: YBa2Cu3O7−x (dikenal
sebagai Y-123). Bentuk lainnya sesuai dengan perbandingan atom
Y: Ba: Cu; seperti YBa2Cu4Oy (Y124) ataupun or Y2Ba4Cu7Oy (Y247).
Dari
Gambar 2 juga dapat kita lihat bahwa beberapa bahan masih dapat dikembangkan
lebih lanjut. Bahan superkonduktor berbasis Talium, masih sangatmungkin
untuk dikembangkan baik untuk sifat fisik maupun sifat listriknya. Kendala
bahan ini adalah ianya beracun dan termasuk dalam unsur Radioaktif. Dengan
demikian, walau mempunyai temperatur kritis yang cukup tinggi, perlu
kehati-hatian dalam pembuatannya.
Penelitian
tentang bahan superkonduktor masih dan terus akan dikembangkan di seluruh
dunia. Tujuan utamanya tentu saja mencari temperatur kritis tertinggi.
Disamping itu, penelitian juga diarahkan untuk memperbaiki kinerja (erformansi)
dari bahan-bahan yang telah dikenal pasti sebelumnya.
Berbagai
upaya terus dilakukan untuk meningkatkan temperatur kritis di seluruh
dunia. Ada peneliti yang melakukan modifikasi pada waktu
pembuatan sampel (salah satu paten sederhana saya di 2019). Kebanyakan meneliti
tentang perananan pendop. Pada February 1987, kelompok peneliti di Alabama (Wu)
and Houston (Paul Chu) menemukan suhu transisi di atas titik didih Nitrogen
cair (77K). Mereka inilah sebagai penemu pertama superkonduktor suhu tinggi
pada bahan campuran YBa2Cu3O6+δ (123) dengan Tc sekitar 90K.Setelah
penemuan tersebut, aplikasi teknik dari bahan ini sangat berpotensial
dikembangkan lebih lanjut lagi. Bahan lain yang juga menjadi primadona objek
penelitian bidang superkonduktor ini adalah Bi-Sr-Ca-Cu-O dan deret-deret
homolognya dalam peningkatan temperature kritis.
Superkonduktovitas
pada bahan superkonduktor berbasis talium ditemukan oleh peneliti dari
Universitas Arkansas oleh Sheng dan Hermann pada awal 1988. Mereka mendapatkan
Tc sekitar 125K (-275oC) pada campuran Tl-Ba-Ca-Cu-O. Sedangkan untuk campuran
senyawa Bi-Sr-Ba-Ca-Cu-O sekitar 110K(-290oC) dilaporkan oleh Maeda. Pencapaian
ini masih bertahan hingga saat ini. Pada 1993 dilaporkan suatu temuan
spektakuler dari Houston, senyawa Hg-Ba-Ca-Cu-O telah menunjukkan temperature
kritis tertinggi sekitar 160K (-240oC).
Ketertarikan
penulis terhadap bidang superkonduktor dimulai sejak 2010. Saat itu penulis
tergabung dengan kelompok peneliti di Jabatan Fizik terapan, Universiti
Kebangsaan Malaysia (UKM) Malaysia (tempat penulis melakukan riset untuk
penyelesaian disertasi). Kelompok kami menitik beratkan penelitian dengan bahan
dasar talium. Bagaimanapun juga bahan superkonduktor lain juga kami pelajari
dan teliti. Beberapa topik penelitian merupakan pengembangan penelitian
sebelumnya. Kerjasama dengan BRIN RI dalam Upaya mencari bahan dasar baru terus
kami lakukan.
APPLIKASI
SUPERKONDUKTOR
Dewasa
ini bahan superkonduktor diapplikasikan dalam kehidupan di bidang teknologi
maju. Meskipun masih relative mahal, beberapa bidang keteknikan yang
menggunakan bahan superkonduktor disajikan dalam Gambar 3. Walaupun
temperatur operasinya masih sangat rendah, beberapa bahan superkonduktor sudah
diapplikasikan dalam bidang kehidupan sehari-hari. Untuk bidang penelitian:
Akselerator elektron,
Akselerator partikel adalah
mesin yang menggunakan medan elektromagnetik untuk
mendorong partikel bermuatan ke
kecepatan dan energi yang sangat tinggi untuk menahannya dalam sinar yang
terdefinisi dengan baik . Akselerator kecil digunakan untuk penelitian
mendasar dalam fisika partikel . Akselerator juga
digunakan sebagai sumber cahaya sinkrotron untuk
studi fisika benda terkondensasi .
Akselerator partikel yang lebih kecil digunakan dalam berbagai macam aplikasi,
termasuk terapi partikel untuk tujuan onkologi ,
produksi radioisotop untuk
diagnostik medis, implanter ion untuk pembuatan semikonduktor ,
dan spektrometer massa akselerator untuk
pengukuran isotop langka seperti radiokarbon .
Kebutuhan
kawat supekonduktor untuk penyaluran energi listrik bertengangan tinggi terus
meningkat. Apalagi di masa terbatasnya sumber energi. Maka efisiensi, termasuk
dalam distribusi tenaga listrik harus diupayakan semaksimal mungkin. Effisiensi
yang sangat tinggi hanya dapat disediakan oleh kawat berbahan superkonduktor.
Spektrometer NMR
(Nuclear Magnetic Resonance) adalah perangkat alat yang digunakan
untuk mempelajari struktur molekul, interaksi molekul, kinetika atau dinamika
molekul, dan komposisi campuran biologi, larutan hasil sintesis, atau
komposit. Yang menjadi kelebihan Spektrometer NMR adalah, alat ini
mempunyai kemampuan untuk analisis yang bersifat tidak merusak
sampel (non-destructive); sehingga menjadi peralatan yang sangat diminati oleh
banyak peneliti.
Bidang
Kedokteran: MRI (Magnetic Resonance Imaging) adalah teknologi pencitraan
medis yang memanfaatkan medan magnet kuat, dan gelombang radio untuk
menghasilkan gambar rinci dari organ dan jaringan tubuh pada manusia. Medan
magnet kuat dapat dihasilkan oleh bahan superkonduktor. Tidak seperti
sinar-X atau CT Scan yang menggunakan radiasi, MRI bekerja dengan prinsip memanipulasi
partikel dalam tubuh (proton) manusia dengan menggunakan medan
magnet. Prinsip kerja ini akan menghasilkan gambar berdasarkan perbedaan
sifat fisik dalam jaringan tubuh. Oleh karena itu, MRI sering digunakan
untuk memeriksa bagian vital tubuh seperti otak, bahagian sumsum tulang
belakang dan jantung serta digunakan pula untuk mendeteksi jaringan lunak
lainnya. Dengan demikian MRI merupakan perangkat alat primadona di bidang
kedokteran. Hal yang masih menjadi penghalangnya adalah mahalnya biaya
operasional karena temperatur kritis yang masih rendah. Sehingga sampai saat
ini pemeriksaan MRI masil relatif mahal. Bahan superkonduktor MgB2 (dengan
Tc sekitar 39K) merupakan bahan utama pada applikasi MRI. Penelitian terus
menerus dilakukan untuk bahan MgB2 ini. Meskipun belum berhasil menaikkan
temperatur kritisnya, sifat lain telah dapat diperbaiki dengan perlakuan atau
treatment yang diberikan. Dengan kebutuhnan peralatan maju (smart) di era 4.0
ini, diharapkan biaya operasional dapat semakin direduksi.
Di
bidang transportasi, transportasi dengan kereta api cepat Maglev
nya, kereta api yang melayang di atas landasan rel selama perjalan
dengan kelajuan tinggi (500 km/jam), kelajuan yang setara dengan pesawat udara
ukuran sedang. Di bidang energi, adanya kabel-kabel transmisi tegangan tinggi
yang menggunakan kawat superkonduktor. (ms2)
Tulisan
ini terdiri dari 2 bagian, (Bagian 1, Pendahuluan, Bahan Superkonduktor, Perkembangan
Bahan Superkonduktor dan Aplikasi Superkonduktor) sedangkan Bagian 2 nantinya :
Metode Pembuatan Superkonduktor, Beberapa Hasil Penelitian Bidang
Superkonduktor dan Kesimpulan).
