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).
