Fisika Terapan : Kereta Maglev

            Kereta api merupakan angkutan yang efisien untuk jumlah penumpang yang tinggi dan angkutan barang dalam jumlah yang besar. Karena sifatnya sebagai angkutan massal efektif, beberapa Negara berusaha memanfaatkannya secara maksimal sebagai alat transportasi utama angkutan darat baik dalam kota, antarkota, maupun antarnegara.

            Akhir-akhir ini kereta api seperti kehilangan “pamor”. Dimulai dengan tinnginya intensitas keterlambatan perjalanan kereta api, buruknya sistem perawatan kereta yang terlihat dari gerbong-gerbong kereta yang sudah usang serta tingginya angka kecelakaan akibat adanya bantalan rel yang hilang dicuri sehingga mengakibatkan kereta tergelincir keluar dari jalurnya. Tidak hanya itu saja, keterlambatan kereta rel listrik juga sering terjadi, bahkan sempat ada wacana mengenai kereta rel listrik yang kekurangan pasokan daya listrik. Sungguh sangat disayangkan.

            Seiring dengan perkembangan tekhnologi maka para ilmuwan menciptakan berbagai macam inovasi untuk mengurangi berbagai macam problem yang sering dialami, sehingga terciptalah kereta Maglev yang menggunakan aplikasi magnet. Secara sederhana, kereta maglev adalah kereta tanpa roda yang menggunakan tenaga magnet untuk melayang, mengerakkaan dan mengontrol jalannya kereta. Kereta api terbang yang dikenal sebagai Magnetically Levitated Train (Maglev Train) ini hanya akan melayang setinggi beberapa sentimeter di atas rel kereta. Hanya beberapa sentimeter, tetapi kereta itu benar-benar terbang karena sama sekali tidak bersentuhan dengan rel kereta. Kereta ini juga tidak akan memiliki sayap seperti pesawat terbang (dalam aerodinamika, sayap merupakan bagian paling penting untuk terbang). Dan selain bisa terbang, kereta ini juga bisa meluncur dengan kecepatan sangat tinggi.

     

            MagLev adalah singkatan dari MAGnetically LEVitated trains yang terjemahan bebasnya adalah kereta api yang mengambang secara magnetis. Sering disebut kereta api magnet. Riset Maglev dimulai tahun 1962, dan pada tahun 1970 studi tentang system letivasi elektrodinamis dengan menggunakan superkonduksi telah menampakkan hasilnya. Pengujian pertama dilakukan pada tahun 1979. Di bulan Desember 1986, sebuah kereta dengan 3-mesin tercatat mencapai kecepatan 352.4 km/jam (220 mph). Di bulan Desember 1997, sebuah kereta dengan jenis MLX01 yang berawak dapat mencapai kecepatan 531 km/jam (331 mph), sedangkan yang tidak berawak dapat mencapai 550 km/jam (344 mph). Tahun berikutnya, sebuah pengujian terhadap sepasang kereta api yang saling berpapasan dengan kecepatan relatif 966 km/jam berhasil. Di bulan Maret 1999, sebuah kereta tanpa awak MLX01 5-mesin dapat mencapai kecepatan 548 km/jam (342 mph). Di bulan April, kereta berawak 5-mesin MLX01 mencatat rekor yang menakjubkan dengan mencapai kecepatan 552 km/jam (345 mph).

a)      Magnet

Magnet atau magnit adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Kata magnet (magnit) berasal dari bahasa Yunani magnítis líthos yang berarti batu Magnesian. Magnesia adalah nama sebuah wilayah di Yunani pada masa lalu yang kini bernama Manisa (sekarang berada di wilayah Turki) dimana terkandung batu magnet yang ditemukan sejak zaman dulu di wilayah tersebut.

Pada saat ini, suatu magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Materi tersebut bisa dalam berwujud magnet tetap atau magnet tak tetap. Magnet yang sekarang ini hampir semuanya adalah magnet buatan. Magnet selalu memiliki dua kutub yaitu kutub utara (nort/N) dan kutub selatan (south/S). Walaupun magnet itu dipotong-potong, potongan magnet kecil tersebut akan tetap memiliki dua kutub. Magnet dapat menarik benda lain. Beberapa benda bahkan tertarik lebih kuat dari yang lain, yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam mempunyai daya tarik yang sama terhadap magnet. Besi dan baja adalah dua contoh materi yang mempunyai daya tarik yang rendah oleh magnet.

Jika magnet batang ditaburi serbuk besi atau paku- paku kecil, sebagian besar serbuk besi maupun paku akan melekat pada kedua ujung magnet. Bagian kedua ujung magnet akan lebih banyak serbuk besi atau paku yang menempel daripada di bagian tengahnya. Hal itu menunjukkan bahwa gaya tarik magnet paling kuat terletak pada ujung-ujungnya. Ujung magnet yang memiliki gaya tarik paling kuat itulah yang disebut kutub magnet. Bagaimanakah menentukan jenis kutub magnet? Sebuah magnet batang yang tergantung bebas dalam keadaan setimbang, ujung-ujungnya akan menunjuk arah utara dan arah selatan bumi. Ujung magnet yang menunjuk arah utara bumi disebut kutub utara magnet. Sebaliknya, ujung magnet yang menunjuk arah selatan bumi disebut kutub selatan magnet. Alat yang digunakan untuk menunjukkan arah utara bumi atau geografis disebut kompas. Kompas merupakan magnet jarum yang dapat bergerak bebas pada sebuah poros. Pada keadaan setimbang salah satu ujung magnet jarum menunjuk arah utara dan ujung lainnya menunjuk arah selatan.

Jika kutubnya senama akan saling menolak tetapi jika kutubnya berbeda akan saling menarik. Pada saat dua magnet terpisah jarak yang jauh, belum terasa adanya gaya tarik atau gaya tolak. Makin dekat kedua magnet, makin terasa kuat gaya tarik atau gaya tolaknya.

Jika di sekitar magnet batang diletakkan benda-benda magnetik, benda-benda itu akan ditarik oleh magnet. Makin dekat dengan magnet, gaya tarik yang dialami benda makin kuat. Makin jauh dari magnet makin kecil gaya tarik yang dialami benda. Ruang di sekitar magnet yang masih terdapat pengaruh gaya tarik magnet disebut medan magnet. Pada tempat tertentu benda tidak mendapat pengaruh gaya tarik magnet. Benda yang demikian dikatakan berada di luar medan magnet. Medan magnet tidak dapat dilihat dengan mata. Namun, keberadaan dan polanya dapat ditunjukkan. Garis-garis yang menggambarkan pola medan magnet disebut garis-garis gaya magnet. Garis-garis gaya magnet tidak pernah berpotongan satu sama lainnya. Garis-garis gaya magnet keluar dari kutub utara, masuk (menuju) ke kutub selatan. Makin banyak jumlah garis-garis gaya magnet makin besar kuat medan magnet yang dihasilkan. Apapun bentuknya sebuah magnet memiliki medan magnet yang digambar berupa garis lengkung.

Dua kutub magnet yang tidak sejenis saling berdekatan pola medan magnetnya juga berupa garis lengkung yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet. Bagaimanakah kerapatan pola medan magnet dua kutub magnet yang makin berdekatan?
Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik. Pada dua kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub utara masing-masing cenderung saling menolak. Mengapa? Karena arah garis gaya berlawanan, terjadilah tolak-menolak antara garis-garis gaya yang keluar kedua kutub utara magnet. Hal itulah yang menyebabkan dua kutub yang sejenis saling menolak.

b)      Superkonduktor

Superkonduktor adalah material yang memiliki resistansi (tahanan) listrik nol. Superkonduktor dapat menghantarkan arus listrik tanpa adanya penguraian energi. Dengan kata lain arus listrik dapat mengalir selamanya tanpa adanya pengurangan energi dalam penghantar yang memiliki sifat superkonduktor. Pada tahun 1933, Meissner dan Ochsenfeil, dua ahli fisika Jerman, menemukan bahwa superkonduktor menolak medan magnetik yang mengenainya. Gaya tolak yang ditimbulkan melalui proses sebagai berikut:

Apabila pelet superkonduktor didekati oleh medan magnet yang berbentuk tablet, magnet akan menginduksi arus super (supercurrent) pada permukaan superkonduktor. Arus super ini akan menginduksi medan magnetic pada superkonduktor. Arus ini terus mengalir meskipun magnet berhenti bergerak. Medan magnetik yang timbul pada permukaaan superkonduktor bertolakan dengan medan magnet dari magnet yang digunakan.

Hal ini analog dengan tolakan yang timbul kutub-kutub utara atau kutub-kutub selatan dari dua magnet batang didekatkan. Magnet yang berbentuk batang akan mengalami levitasi (levitation) Levitasi superkonduktor dalam bahasa Inggris dikenal dengan Superconductor Levitation adalah sifat material superkonduktor pada suhu rendah yang bisa melayang di dalam jangkauan medan magnet karena adanya efek Meissner. Material superkonduktor sendiri adalah material yang akan memiliki resistansi nol pada suhu sangat rendah. Material konduktor lain seperti tembaga dan perak memiliki sifat akan menurun resistansi elektriknya ketika berada dibawah suhu normal. Namun superkonduktor adalah istimewa, material ini akan benar-benar memiliki resistansi elektrik nol di suhu sangat rendah.

           

Sifat tersebut akan menjadi superkonduktor memiliki efek Meissner seperti pada gambar diatas. Pada suhu normal superkonduktor tidak akan terpengaruh dengan medan magnet. Namun di suhu rendah melebihi suhu kritisnya material superkonduktor akan terperangkap terpengaruh dalam medan magnet.

Magnet berbentuk tablet

Gaya gravitasi

Gaya tolak antara medan magnet dan medan magnetik superkonduktor

 

Penolakan medan magnetik eksternal secara sempurna oleh superkonduktor disebut sebagai efek Meissner. Fenomena levitasi berdasarkan efek Meissner sering digunakan sebagai demonstrasi untuk mengetahui sifat superkonduktor suatu material. Gambar levitasi superkonduktor sebagai berikut :

Efek Meissner menunjukkan bahwa medan magnet di dalam sebuah logam superkonduktor seolah-olah sama dengan nol. Oleh karena itu, kita dapat menuliskan persamaan untuk medan magnet dalam logam superkonduktor sebagai berikut :

                  B = B_a + 4 πM = 0     (dalam system satuan CGS) atau

                  B = B_a + π₀M = 0       (dalam system satuan SI)

Dimana B = medan magnet di dalam logam superkonduktor, B_a = medan magnet dari luar, dan M = magnetisasi. Dari kedua persamaan diatas, kita dapat mengetahui bahwa medan magnet dari luar (B_a) adalah sama dengan :

                  B_a = - 4 πM          (dalam satuan CGS) atau

                  B_a = -π₀ M = - M/ε₀c²         (dalam system satuan SI).

Dimana π₀ = permiabilitas ruang hampa = 4π x 10^-7 Wb/A.m dan ε₀ = permiativitas ruang hampa =8,854 x 10^-12 F/m.

Ada tiga jenis tekhnologi maglev :

1.      Yang tergantung pada magnet superkonduktivitas (suspensi elektrodinamik)

2.      Yang tergantung pada elektromagnetik terkontrol (suspensi elektromagnetik)

3.      Yang terbaru, mungkin lebih ekonomis, menggunakan magnet permnen (Inductrack)

Pengangkatan magnetik murni menggunakan elektromagnet atau magnet permanen tidak stabil karena teori Earnshaw; Diamagnetik dan magnet superkonduktivitas dapat menopang maglev dengan stabil.

Berat dari elektromagnet besar juga merupakan isu utama dalam desain. Medan magnet yang sangat kuat dibutuhkan untuk mengangkat kereta yang berat.

Efek dari medan magnetik yang kuat tidak diketahui banyak. Oleh karena itu untuk keamanan penumpang, pelindungan dibutuhkan, yang dapat menambah berat kereta. Konsepnya mudah namun teknik dan desainnya kompleks.

Sistem yang lebih baru dan tidak terlalu mahal disebut Inductrack. Teknik ini memiliki kemampuan membawa beban yang berhubungan dengan kecepatan kendaraan, karena ia tergantung kepada arus yang diinduksi pada sekumpulan elektromagnetik pasif oleh magnet permanen. Dalam contoh, magnet permanen berada di gerbong; secara horizontal untuk menciptakan daya angkat, dan secara vertikal untuk memberikan kestabilan. Sekumpulan kabel putar berada di rel. Magnet dan gerbong tidak membutuhkan tenaga, kecuali untuk pergerakan gerbong. Inductrack pada awalnya dikembangkan sebagai motor magnetik dan penopang untuk "flywheel" untuk menyimpan tenaga. Dengan sedikit perubahan, penopang ini diluruskan menjadi jalur lurus. Inductrack dikembangkan oleh fisikawan Wiliiam Post di Lawrence Livermore National Laboratory.

Inductrack menggunakan array Halbach untuk penstabilan. Array Halbach adalah pengaturan dari magnet permanen yang menstabilisasikan putaran kabel yang bergerak tanpa penstabilan elektronik. Array Halback mulanya dikembangkan untuk pembimbing sinar dari percepatan partikel. Mereka juga memiliki medan magnet di pinggir rel, dan mengurangi efek potensial bagi penumpang.

Bagaimana kereta bergerak maju ??

Pada gambar jajaran magnet di sepanjang dinding dan di sepanjang kereta (huruf-huruf U menunjukkan kutub Utara, dan S menunjukkan kutub Selatan). Jajaran magnet di sep anjang 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 Gambar 2.A 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.

Kereta Maglev mengambang kurang lebih 10 mm di atas rel magnetiknya. Dorongan ke depan dilakukan melalui interaksi antara rel magnetik dengan mesin induksi yang juga menghasilkan medan magnetik di dalam kereta.

Pada saat kereta api dilevitasi, daya listrik diberikan ke kumparan di dalam dinding jalur pemandu untuk membentuk suatu sistem unik medan magnet yang menarik dan mendorong kereta sepanjang jalur pemandu.

Arus listrik yang diberikan ke kumparan pada dinding jalur pemandu secara berganti-ganti mengubah polaritas kumparan magnet. Perubahan polaritas ini menyebabkan medan magnetik di depan kereta menarik kereta ke depan, sementara medan magnet di belakang kereta menambahkan gaya dorong ke depan. Kereta maglev mengambang di atas suatu lapisan udara sehingga menghilangkan gesekan. Tidak adanya gesekan serta rancangan aerodinamis kereta membuat kereta ini dapat mencapai kecepatan lebih dari 500 kilometer per jam.

Apa prinsip yang digunakan untuk mengangkat kereta sehingga bisa “terbang” ?

1.      Aplikasi superkonduktor dalam teknologi kereta api supercepat adalah memanfaatkan salah satu sifat dari superkonduktor yang paling menarik, yaitu sifat efek Meissner. Seperti dijelaskan di atas bahwa sebuah logam superkonduktor dapat membangkitkan medan magnet sedemikian rupa sehingga dapat menolak medan magnet luar. Atau dengan kata lain, suseptibilitas magnetik superkonduktor adalah negatif. Artinya, superkonduktor adalah logam diamagnetik. Dengan adanya sifat ini, maka para ahli berusaha memanfaatkannya dalam tekonologi kereta api yang berkecepatan tinggi.

Kecepatan tinggi dapat dicapai dengan cara membuat seluruh rangkaian gerbong kereta api itu dibuat melayang di atas rel. Hal ini dimungkinkan dengan cara menempatkan medan elektromagnetik pada rel kereta api dan melekatkan logam superkonduktor pada gerbong-gerbong kereta api sehingga akibat adanya efek Meissner itu maka rangkaian gerbong kereta api dapat melayang. Dengan demikian, gesekan antara rel dengan rangkaian gerbong menjadi praktis nol. Hasilnya, dengan memberi sedikit saja gaya dorong pada rangkaian gerbong tersebut, maka rangkaian gerbong tersebut dapat melaju dengan kecepatan yang sangat tinggi. Keadaan seperti di atas tidak berarti tanpa kendala. Sebab medan magnet luar yang sangat kuat dapat merusak sifat superkonduktivitas logam superkonduktor. Jadi, setiap logam superkonduktor akan memiliki batas kekuatan untuk menolak medan magnet luar. Jika batas ini sudah dilampaui, maka sifat superkonduktor itu akan berubah menjadi konduktor biasa, meskipun secara fisik logam itu tidak mengalami perubahan. Nilai terkecil medan magnet luar yang menyebabkan sifat superkonduktivitas logam rusak disebut medan magnet kritis dan biasa diberi simbol Bac(T). Bac(T) ini merupakan fungsi suhu T. Artinya, nilai minimum medan magnet luar ini bervariasi terhadap suhu.

2.      Prinsipnya  Gaya tarik dan gaya tolak kutub-kutub magnet! Pada Gambar 2-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 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 tengah-tengah lintasan), tidak akan keluar jalur.

Kalau tidak ada gesekan berarti tidak ada hambatannya (hanya perlu mengatasi hambatan udara) sehingga kereta bisa meluncur mulus dengan kecepatan sangat tinggi. Untuk mengurangi hambatan udara rancangan kereta sengaja dibuat supaya bagian depannya berbentuk seperti moncong lumba-lumba.

Bagaimana cara berhentinya ?

Cara penghentian kereta Maglev sama dengan caranya maju, yaitu dengan sistem maknit superkonduksi. Diberi tolakan antara kutub yang sama.

Bagian pemantau elektronik mesin

Roda dan remnya

Kereta jenis TGV (bahasa Prancis: train à grande vitesse, yang berarti kereta kecepatan tinggi) memiliki sistem rem dinamis, dengan bantalan rem untuk berhenti untuk kebutuhan darurat. Setiap gerbong dilengkapi dengan empat cakram per as rodanya, dan bantalan rem cadangan. Rem dengan sistem induksi maknit sedang direncanakan untuk model yang akan datang. Jalur kereta api super cepat ini benar-benar dipagar ketat dan dirawat dengan sangat teliti, walaupun pernah terjadi kasus tergelincir

Kelebihan dan kekurangan

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 (biaya perawatan dapat dihemat). Keuntungan sampingan lainnya adalah tidak ada gaya resistansi akibat gesekan. Gaya resistansi udara tentunya masih ada. Untuk itu dikembangkan lagi Kereta Maglev yang lebih aerodinamis.

Dikarenakan bentuk dan kecepatan kereta yang fantastis ini, kebisingan (suara) yang ditimbulkan disaat kereta ini bergerak hampir sama dengan sebuah pesawat jet, dan di perhitungkan lebih mengganggu daripada kereta konvensional. Sebuah studi membuktikan suara yang ditimbulkan oleh kereta meglev dengan kereta konvensional biasa lebih bising sekitar 5dB yaitu 78% nya. Kekurangan lain kereta ini adalah di mahalnya investasi terutama pengadaan relnya.

        

·         Sifat superkonduktor yang bermanfaat bagi pembuatan kereta api supercepat adalah efek Meissner, sehingga kereta dapat melayang.

·         Selain efek Meissner, kereta juga dapat melayang dikarenakan adanya gaya tarik menarik antar magnet yang ada di sepanjang rel kereta yang juga mampu membuat kereta bergerak maju serta berhenti.

·         Kereta jenis TGV memiliki sistem rem dinamis, dengan bantalan rem untuk berhenti untuk kebutuhan darurat.

·         Kelebihan kereta ini adalah tidak adanya gesekan pada rel sehingga tidak ada pergantian rel atau roda (akan lebih hemat).

·         Kekurangan kereta ini adalah kebisingan (suara) yang ditimbulkan disaat kereta ini bergerak hampir sama dengan sebuah pesawat jet, dan di perhitungkan lebih mengganggu daripada kereta konvensional.

DAFTAR PUSTAKA

http://www.all-indonesia.com/levitasi-superkonduktor-untuk-kendaraan-masa-depan

http://www.unisosdem.org/article_detail.php?aid=2344&coid=1&caid=34&gid=5

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=GHtAwQXVsuk

http://whoisinfo.web.id/2011/07/02/kereta-maglev-kereta-yang-menggunakan-magnet-sebagai-alat-bantu-dalam-bergerak/

http://wanibesak.wordpress.com/2011/09/24/efek-meissner-pada-superkonduktor/

http://hilmirusdha.wordpress.com/2009/12/12/teknologi-medan-magnet-pada-kereta-cepat/

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/kimia_material/superkonduktor-logam-supertipis-yang-pernah-diciptakan/

http://matematika-ipa.com/kemagnetan-bahan-magnetik-dan-nonmagnetik/

http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1081688852&60