poojetz >> Puji Astuti

perkataan pertama adalah yang keluar dari hati

Jendela masa depan


Sekitar 100 tahun yang lalu ada seorang ahli kimia yang secara tidak sengaja memperhatikan suatu kejadian aneh yang menuntunnya pada penemuan hebat. Pria Inggris ini memiliki seekor anjing yang saat itu sedang sakit perut. Anjing itu diberi obat yang mengandung zat quinin bisulfat. Anjing itu kemudian bermain-main di dekat sebuah wadah berisi bahan kimia I2 (yodium). Kemudian secara tidak sengaja anjing itu buang air kecil di atas yodium tersebut. Tiba-tiba yodium yang sudah terkena sulfat tersebut berubah warna menjadi kristal-kristal hijau. Ilmuwan Inggris itu pun langsung tertarik dan mempelajari kristal-kristal tersebut. Belakangan ia menemukan bahwa kristal-kristal itu mampu memblokir gelombang cahaya! Tapi apa artinya penemuan ini? Saat itu belum ada yang mengira bahwa penemuan ini nantinya akan sangat mempengaruhi dunia industri dan teknologi, terutama teknologi yang berkaitan dengan industri kaca dan plastik.

Beberapa puluh tahun sesudah kejadian tersebut, Edwin Land (penemu kamera Polaroid) berhasil mengaplikasikan penemuan ini sebagai lapisan pada lensa kacamata. Lensa kacamata itu mampu menyerap cahaya sehingga mata si pemakai terhindari dari kerusakan akibat gelombang ultraviolet dari sinar matahari. Lensa kacamata ini termasuk Suspended Particle Device (SPD) karena memiliki lapisan yang mengandung partikel-partikel sejenis kristal-kristal hijau tadi. Ternyata perkembangan teknologi SPD tidak hanya terbatas pada lensa kacamata saja. Kini jendela-jendela dan kaca pada bangunan rumah dan gedung pun mulai dilapisi partikel-partikel penghambat cahaya ini.

Jendela masa depan yang mampu mengendalikan jumlah cahaya yang masuk ini tersusun dari beberapa lapisan yang membungkus partikel-partikel penghambat cahaya tadi. Partikel-partikel tersebut berada di lapisan paling dalam. Supaya dapat bergerak bebas, partikel-partikel tersebut dilarutkan dalam fluida cair sehingga membentuk suspensi atau film. Lapisan ini dibungkus oleh lapisan kaca (gelas) atau plastik yang sudah dilumuri bahan konduktor yang transparan. Saat ada aliran listrik yang dihantarkan oleh bahan konduktor tersebut, partikelpartikel dalam film langsung membentuk garis lurus (tidak lagi acak) sehingga gelombang cahaya bisa lewat dan kaca terlihat bening (transparan). Jika beda potensial dikurangi, partikel-partikel ini mulai membentuk pola yang tidak beraturan sehingga celah yang bisa dilewati cahaya semakin kecil. Saat itu terjadi, jendela terlihat semakin gelap. Jika beda potensial terus dikurangi sampai mencapai 0 (aliran listrik dihentikan) maka jendela kaca akan terlihat hitam dan gelap karena tidak ada lagi celah yang bisa dilewati cahaya (Gambar 1).

Untuk mengatur jumlah listrik yang mengalir ini SPD dilengkapi dengan alat kendali dalam dua tipe: otomatis dan manual. Alat kendali yang otomatis biasanya memanfaatkan sel-sel yang sangat sensitif terhadap cahaya (photocell) sehingga otomatis berubah saat terjadi perubahan intensitas cahaya. Alat kendali yang dioperasikan secara manual biasanya berbentuk remote control atau rheostat. Teknologi SPD ini sudah banyak diaplikasikan pada berbagai produk yang banyak kita gunakan sehari-hari (selain kacamata dan kaca jendela) termasuk atap rumah yang terbuat dari kaca dan pada layar monitor komputer.

Selain teknologi SPD, ada beberapa alternatif lain untuk membuat jendela masa depan. Alternatif-alternatif yang paling menjanjikan adalah teknologi kristal cair (liquid crystal) dan teknologi elektrokromik. Teknologi Liquid Crystal sudah banyak digunakan di sekeliling kita. Mulai dari layar kalkulator, stopwatch, timer pada oven microwave, jam digital, televisi, sampai monitor komputer. Semua peralatan tersebut memakai kristal cair pada layar tampilannya. Liquid Crystal Display atau lebih dikenal sebagai LCD juga memanfaatkan listrik untuk mengubah-ubah bentuk kristal-kristal cairnya sehingga bisa membentuk tampilan angka dan huruf pada layar. Teknik yang sama diaplikasikan untuk kaca jendela. Kristal cair yang digunakan untuk kaca jendela ini didispersikan dalam bahan polimer sehingga teknologinya disebut Polymer Dispersed Liquid Crystal (PDLC). Saat kristal cair mendapat aliran listrik, molekul-molekulnya langsung berbaris membentuk susunan paralel sehingga cahaya bisa lewat (prinsipnya mirip dengan teknologi SPD). Pada kondisi ini jendela terlihat transparan. Sewaktu listrik tidak lagi mengalir, molekul-molekul kristal cair ini kembali pada bentuknya semula (acak) sehingga cahaya tidak bisa menembusnya. Pada kaca jendela yang menggunakan PDLC ini tidak ada keadaan antara (yaitu ada sebagian cahaya yang bisa lewat saat beda potensial listrik dikurangi) seperti pada SPD. Teknologi PDLC ini sudah banyak digunakan pada kaca jendela di bangunan perkantoran dan rumah-rumah.

Ada satu kelemahan utama SPD dan PDLC. Untuk mempertahankan kondisi kaca transparan, kedua teknologi ini membutuhkan aliran listrik secara terus-menerus. Jika listrik dihentikan maka kaca langsung menjadi gelap. Hal ini membuatnya sangat tidak efisien dalam hal penggunaan energi. Teknologi elektrokromik (electrochromic window) merupakan alternatif yang menawarkan pemecahan permasalahan ini. Pada jendela elektrokromik, aliran listrik justru membuat kaca tampak gelap (kebalikan dari SPD dan PDLC). Aliran listrik yang digunakan hanya memerlukan beda potensial yang rendah (low voltage). Gambar 2 menunjukkan lapisan-lapisan kaca jendela yang menggunakan teknologi elektrokromik.

Lapisan terluar merupakan lapisan kacanya sendiri (bisa juga terbuat dari bahan plastik), yang berfungsi sebagai pelindung lapisan-lapisan di dalamnya. Lapisan kedua yang tepat di bawah lapisan kaca tersebut merupakan lapisan oksida yang transparan (bening) dan bersifat konduktor. Lapisan ketiga ini merupakan lapisan bahan yang bersifat elektrokromik, umumnya yang digunakan adalah oksida tungsten (WO3). Lapisan keempat merupakan bahan elektrolit (bahan konduktor ion), dan lapisan kelima merupakan lapisan yang merupakan tempat berkumpulnya ion-ion. Lapisan-lapisan ini kemudian ditutup lagi oleh lapisan oksida dan lapisan kaca yang sama dengan lapisan kedua dan pertama tadi sehingga bentuk susunan lapisan-lapisannya seperti roti isi (sandwich). Seluruh tujuh lapisan ini dapat melewatkan gelombang cahaya tampak (transparan) saat tidak diberi tegangan.

Adanya beda potensial yang rendah (adanya aliran elektron dari kutub negatif sumber tegangan menuju kutub positifnya) antara kedua lapisan oksida yang membungkus tiga lapisan dalam menyebabkan terjadinya transfer ion yang bermuatan positif atau anion (A+) menuju lapisan elektrokromik. Ion positif ini bisa merupakan anion hidrogen atau lithium. Anion didorong melalui lapisan elektrolit sehingga bisa sampai ke lapisan elektrokromik. Adanya anion di lapisan elektrokromik ini menyebabkan terjadinya perubahan karakteristik optis dan sifat termal bahan sehingga dapat menyerap gelombang cahaya tampak. Panas matahari yang menyertai gelombang cahaya tampak juga diserap oleh bahan elektrokromik ini. Karena gelombang cahayanya diserap, kaca jendela menjadi terlihat gelap (opaque). Sewaktu aliran listrik dihentikan, anion yang ada di lapisan elektrokromik tadi terdorong lagi keluar melalui elektrolit dan kembali ke tempat penyimpan ion (tempatnya semula). Karena lapisan elektrokromik tidak lagi mengandung anion, karakteristik optisnya kembali ke semula sehingga kaca kembali menjadi transparan.

Seperti SPD, intensitas cahaya yang bisa melewati jendela elektrokromik ini juga bisa diatur sehingga kita bisa mendapatkan kondisi masukan sinar matahari yang sesuai keinginan kita (Gambar 1). Jendela pintar ini tidak hanya memberi kita kendali untuk mengatur intensitas cahaya dalam ruangan, tetapi juga memberi kita kemudahan untuk mengatur kondisi suhu ruangan dengan mengubah sifat termal lapisan elektrokromiknya. Dengan teknologi ini, kita bisa mengurangi pengeluaran untuk berbagai peralatan elektronik lain semacam pendingin ruangan atau air conditioner (AC). Efisiensi energi merupakan kelebihan utama jendela masa depan ini. (Yohanes Surya,).

Februari 3, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Jalan raya yang pandai


Jl. Thamrin, Gatot Soebroto, Kuningan, Sudirman, dan masih banyak lagi nama jalan besar di Jakarta yang semuanya terkenal karena satu persamaannya: MACET!!! Bahkan jalan tol yang seharusnya merupakan jalan bebas hambatan pun ternyata ikut-ikutan ketularan penyakit macet ini. Pembangunan jembatan dan jalan layang semakin digencarkan dalam upaya mengurangi kemacetan di ibukota Indonesia ini. Tetapi apakah semuanya itu bisa menyelesaikan permasalahan lalu lintas ini? Apa ada cara lain yang bisa membantu kita berkendara di jalan tanpa perlu menghadapi kemacetan lalu lintas? Kalau kita melirik negara-negara maju seperti Amerika dan Kanada, kita bisa melihat bahwa mereka sedang mengembangkan sistem lalu lintas yang sangat canggih, dan pada akhirnya bisa menyelesaikan permasalahan klasik ini. Menurut para ilmuwan di sana, untuk mengurangi kemacetan lalu lintas kita membutuhkan bantuan Fisika! Lho? Apa hubungannya jalan raya dan pengaturan lalu lintas dengan Fisika?

Jalan raya di negara-negara maju seperti Amerika Serikat sudah dilengkapi dengan berbagai teknologi canggih dalam upaya mengurangi masalah kemacetan lalu lintas. Teknologi yang umum digunakan saat ini meliputi detektor kecepatan kendaraan (loop detector), pengawasan lalu lintas melalui bantuan kamera video dan komputer, serta penggunaan berbagai teknologi elektronik lainnya. Loop detector sebenarnya hanya merupakan kumparan kawat (loop) yang dipasang di permukaan jalanan, dan berfungsi untuk mendeteksi perubahan tegangan listrik (sekecil apa pun perubahannya) yang terjadi akibat adanya kendaraan yang melaluinya. Setiap kali ada kendaraan yang lewat di atasnya, pada kawat timbul tegangan atau arus induksi. Dengan meletakkan Loop detector pada jarak-jarak tertentu kita dapat mengetahui kecepatan kendaraan yang lewat. Kamera-kamera juga dipasang di sepanjang jalan raya supaya kondisi lalu lintas dapat terus diamati secara visual. Dengan bantuan komputer dan berbagai kemajuan elektronik lainnya, kondisi lalu lintas ini kemudian diinformasikan ke para pengguna jalan. Teknologi ini cukup efektif, tetapi masih memiliki beberapa kelemahan. Pemasangan detektor dan kamera di jalan raya membutuhkan waktu yang cukup lama. Teknologi ini juga memakan biaya yang tidak sedikit. Untungnya, para fisikawan sudah berhasil memformulasikan berbagai penemuan baru yang dapat diaplikasikan sebagai alternatif lain pengaturan lalu lintas. Salah satunya adalah sistem Cellocate (cell-locate = lokasi telfon seluler) yang memanfaatkan teknologi GPS (Global Positioning System). Sistem ini nantinya akan dilengkapi lagi dengan penggunaan alat elektronik kecil, yang disebut transponder, yang memiliki berbagai fungsi.

Ide penggunaan sistem Cellocate berawal dari meledaknya penggunaan alat komunikasi elektronik dalam beberapa dekade ini. Sebagian besar penduduk dunia (tidak hanya di negara maju saja) merupakan pengguna setia telepon seluler dan pager. Bagaimana tidak? Telepon seluler bisa dibawa ke mana pun kita pergi dan memungkinkan kita untuk tetap berkomunikasi dengan siapa pun di belahan dunia mana pun. Kita bisa pergi ke mana saja, dan di saat yang bersamaan tetap bisa mengendalikan berbagai masalah dan pekerjaan kita dengan bantuan alat elektronik kecil yang ajaib ini. Alat-alat komunikasi elektronik yang bisa dibawa ke mana-mana ini sebenarnya menggunakan bantuan gelombang radio. Gelombang radio ini juga yang memungkinkan pemanfaatan telepon seluler dan pager sebagai alat pengendali lalu lintas. Bagaimana caranya?

Sebagai sarana komunikasi, telepon seluler dan pager selalu memancarkan gelombang radio (microwave) sehingga lokasinya pun dapat dideteksi dan ditentukan. Jalan raya di masa depan akan memiliki beberapa pos (Gambar 1) yang selalu siap menerima sinyal yang dipancarkan telepon seluler itu. Pos-pos ini dirancang supaya hanya berfungsi sebagai receiver (penerima) gelombang radio (tidak bisa digunakan sebagai alat pemancar gelombang). Sewaktu ada pengendara mobil yang membawa telepon selular, sinyal yang dipancarkan telepon selular itu ditangkap oleh pos-pos yang terdekat (minimal tiga pos).

Informasi dari tiga pos ini kemudian diolah dalam komputer pusat untuk menentukan lokasi yang tepat menggunakan konsep trilaterasi. Gambar 2 dapat membantu kita untuk memahami konsep trilaterasi ini. Jika pos 1 (titik A) berada pada jarak a meter dari mobil (X) maka kita bisa mengetahui bahwa X dapat terletak di mana saja sepanjang keliling lingkaran dengan radius a meter (Gambar 2-A). Jarak antara pos dengan mobil dapat diketahui dari waktu yang dibutuhkan gelombang radio sejak dipancarkan sampai mencapai pos. Pos 2 (titik B) diketahui berada pada jarak b meter dari X (Gambar 2-B). Dari data kedua ini kita bisa menemukan dua kemungkinan posisi X (titik merah), yaitu di kedua titik perpotongan kedua lingkaran. Kemudian pos 3 (titik C) diketahui berada pada jarak c meter (Gambar 2-C) dari posisi X. Dengan data terakhir ini kita bisa dengan tepat memastikan letak X (dalam dua dimensi).

Seluruh proses penentuan lokasi ini bisa dilakukan dalam beberapa detik saja. Setelah posisi para pengendara ditentukan kita bisa membuat peta jalan raya dan melihat kondisi lalu lintasnya. Saat jalanan mulai padat, komputer bisa memberikan jalur alternatif yang bisa ditempuh tanpa harus melalui jalan yang mulai padat tersebut. Informasi dari komputer pusat ini dikirimkan ke semua pengendara melalui telepon selular atau diumumkan melalui papan elektronik (electronic signs) yang dipasang di sepanjang jalan (yang terus-menerus menginformasikan kondisi jalanan). Kita pun bisa menghindari kemacetan dengan cara menghindari jalanan yang mulai padat tersebut.

Untuk melengkapi sistem Cellocate, akan diperkenalkan suatu alat mungil yang disebut transponder (pemancar gelombang radio) yang dipasang di setiap mobil. Teknologi ini akan lebih banyak digunakan di kota-kota besar yang memiliki banyak jalan bebas hambatan atau jalan tol. Dengan bantuan transponder, jalan tol bisa benar-benar menjadi jalan bebas hambatan, bahkan bebas dari kewajiban untuk berhenti beberapa saat di gerbang tol untuk membayar karcis tol. Tapi ini bukan berarti jalan tol menjadi gratis! Gerbang tol masa depan itu sudah dilengkapi dengan alat elektronik penerima sinyal yang akan membaca sinyal radio dari transponder saat mobil melewatinya. Para pengguna jalan tol pun sudah memiliki rekening khusus untuk biaya karcis tol yang sudah dibayar sebelumnya (pra bayar). Saat mobil melewati gerbang tol dan sinyal dari transpondernya dibaca, rekeningnya akan dipotong secara otomatis (auto debet). Selain pada gerbang tol, alat penerima sinyal ini juga dipasang di sepanjang jalan (pada jarakjarak tertentu) seperti loop detector untuk menentukan kecepatan mobil dan menyediakan informasi mengenai lokasi mobil. Benar-benar cara pintar untuk menghindari kemacetan dan mengatur lalu lintas! (Yohanes Surya Ph.D,)

Februari 3, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Infeksi di lapisan ozon


Lapisan ozon terkena infeksi? Kok bisa? Infeksi apa? Bagaimana cara mengobatinya supaya cepat ‘sembuh’?,Ternyata gejala infeksi di lapisan ozon ini sudah terdeteksi sejak puluhan tahun yang lalu, sekitar tahun 1970. Tetapi seperti kebiasaan manusia, kita,mengacuhkannya. Ah… cuma segitu kok, bukan masalah besar! Tapi sekarang jadi masalah besar! Karena semakin lama penyakitnya ini semakin parah dan terus menggerogoti lapisan pelindung bumi tempat kita hidup ini.

Tameng Ozon

Lapisan ozon merupakan lapisan tipis gas O3 yang secara alami menyelimuti permukaan bumi. Ozon yang ada di lapisan troposfer justru membawa dampak negatif karena bisa membentuk kabut asap yang beracun. Banyak industri yang menghasilkan gas ozon dan melepaskannya ke udara sehingga mencemari lingkungan. Untung saja jumlah ozon di lapisan ini hanya sedikit karena 90% dari total ozon di bumi terletak di ketinggian sekitar 20 km (di lapisan stratosfer) dan menjadi tameng yang sering disebut stratospheric ozone.

 

Sinar matahari merasuki permukaan bumi pada berbagai panjang gelombang. Sinar tampak berada pada panjang gelombang 400-700 nm, sinar infra merah pada panjang gelombang di atas 700 nm, sedangkan sinar ultraviolet pada panjang gelombang di bawah 400 nm. Ada tiga macam sinar ultraviolet: UVA, UVB, dan UVC. UVA berada pada panjang gelombang yang sangat dekat dengan sinar tampak (sekitar 320-400 nm) dan dapat menembus lapisan-lapisan selimut bumi ini dengan mudah. UVB (270-320 nm) tidak bisa semudah itu melewati tameng ozon yang perkasa ini. Sebagian sinar UVB (tidak semua) dihalangi oleh ozon sehingga tidak bisa masuk untuk merusak makhluk hidup termasuk manusia. UVC (150-300 nm) dapat diserap hampir seluruhnya (97-99%) sehingga tidak menjadi masalah bagi kehidupan bumi.

 

Tuh, lumayan kan! Tameng kita bisa melindungi bumi dari UVC dan sebagian UVB. Coba saja bayangkan, bagaimana jadinya tanpa ozon! Tapi tunggu dulu, sekarang kan ozon kita yang perkasa sedang terkena infeksi! Infeksi ini menyebabkan menipisnya lapisan-lapisan ozon di berbagai tempat pada waktuwaktu tertentu setiap tahunnya. Mirip dengan kaus kaki yang dipakai terusmenerus sehingga semakin menipis dan menjadi berlubang. Penyakit di lapisan ozon ini belum sampai membentuk lubang, hanya saja ada beberapa bagian yang sudah sangat menipis sehingga disebut lubang ozon. Kalau tidak cepat-cepat dirawat, bisa-bisa tameng kita betul-betul jebol dan sinar UV yang jahat dan kelaparan langsung menerobos tanpa halangan untuk memangsa kulit kita yang menjadi santapan empuk (menyebabkan kanker kulit), merusak retina mata, membentuk kabut asap (smog) beracun, dan ‘memakan’ tanaman.

Pembentukan Lubang Ozon

Untuk mengetahui bagaimana ozon bisa terjangkit infeksi ini kita harus mengetahui dulu bagaimana ozon terbentuk. Pembentukan ozon melibatkan empat reaksi yang dikenal sebagai reaksi Chapman. Reaksi-reaksi ini bisa terjadi dengan bantuan sinar ultraviolet (uv) dari matahari.

(1) O2 + uv → O + O

(2) O + O2 → O3

(3) O3 + uv → O2 + O

(4) O + O3 → O2 + O2

Reaksi (2) merupakan reaksi yang menghasilkan O3 (ozon), yang kemudian terurai lagi dalam reaksi (3) dan (4). Tetapi sesudah reaksi (3) terjadi, O dan O2 yang terbentuk dari reaksi langsung bergabung kembali (reaksi (2) terjadi lagi) sehingga tidak ada O3 yang hilang (ada kesetimbangan yang menunjukkan kecepatan reaksi pembentukan ozon sama dengan kecepatan reaksi penguraian ozon). Apalagi reaksi (4) berjalan sangat lambat. Kalau begitu, seharusnya lapisan ozon tidak mungkin bisa menipis dong? Betul sekali! Jika hanya disebabkan keempat rangkaian reaksi Chapman maka tameng kita tidak mungkin bisa jebol karena selalu berada dalam kesetimbangan. Ini berarti ada reaksi lain yang terjadi! Dan ada zat lain yang berperan dalam memecah molekul O3 dan merusak kesetimbangan reaksi Chapman. Iih… jahat sekali! Zat apa sih yang begitu kuat sehingga bisa menjebol tameng andalan kita ini? Jawabnya: Radikal Bebas!

Radikal Bebas

Yang dikenal sebagai radikal bebas sebenarnya merupakan zat yang berada dalam bentuk yang tidak stabil sehingga sangat reaktif (sangat mudah bereaksi) dengan zat-zat lain yang berada di sekelilingnya dalam usaha mencapai bentuk paling stabil (membentuk molekul baru). Radikal bebas ini ada yang berhasil mencapai ketinggian tempat bersemayamnya lapisan ozon sehingga begitu merasakan keberadaan ozon, langsung saja disambar sehingga molekul O3 pecah dan bergabung dengan radikal bebas itu membentuk molekul lain yang lebih stabil (tidak mudah terurai lagi). Wah, tidak sopan ya, dengan lancang merebut atom O (oksigen) yang sudah berpasangan dengan atom-atom O lainnya!

Apa saja sih yang termasuk radikal bebas yang lancang ini?

Radikal bebas yang dikenal sangat kuat adalah golongan halogen, yaitu ion fluorida (F), klorida (Cl), dan bromida (Br). Oksida hidrogen (HOx), nitrogen (NOx), klorin (ClOx), dan bromin (BrOx) juga termasuk radikal bebas yang mampu menguraikan ozon. Tapi kalau memang mereka sangat reaktif, bukankah seharusnya mereka sudah bereaksi dengan zat-zat lain yang berpapasan dengan mereka dalam perjalanan menuju ketinggian lapisan ozon di stratosfer itu? Ternyata sewaktu berangkat ke atmosfer bumi, radikal-radikal bebas ini belum sebebas itu! Mereka sebelumnya sudah berikatan dengan unsur-unsur lain dalam bentuk senyawa yang luar biasa stabil. Salah satu contoh senyawa ini adalah yang dikenal sebagai ChloroFluoroCarbon (CFC). CFC yang sangat stabil ini menjadi tidak stabil lagi begitu mencapai lapisan stratosfer karena terkena sinar matahari yang jauh lebih panas pada ketinggian tersebut sehingga mampu melepas atom klornya yang langsung bereaksi dengan O3:

X + O3 → XO + O2

XO + O → X + O2

Total: O + O3 → 2 O2

X merupakan radikal bebas yang dapat memecah ozon menjadi O2 dan XO yang juga merupakan radikal bebas yang dapat menyebabkan terjadinya reaksi selanjutnya dengan atom oksigen sehingga menghasilkan X kembali yang nantinya akan melanjutkan reaksi penguraian ozon. Proses ini berputar terus (reaksi berantai) sehingga 1 atom Cl saja mampu melahap 100.000 molekul ozon! Hilanglah sudah kesetimbangan reaksi Chapman karena dirasuki si penerobos lancang ini. Ini menyebabkan jumlah O3 di stratosfer makin lama makin berkurang sehingga lapisannya semakin menipis. Karena lapisan ini makin tipis, sinar ultraviolet matahari (UVB) jadi lebih bebas menerobos dan berpesta di bumi, merusak semua yang disentuhnya. Sewaktu penipisan ozon pertama kali dideteksi, semua mengira alat pengukur yang digunakan sedang rusak, jadi diacuhkan saja. Setelah alat diganti baru deh ketahuan kalau datanya tidak salah.

CFC bukan satu-satunya senyawa yang bisa melepas radikal bebas yang menyebabkan rusaknya lapisan ozon, tetapi penelitian yang ada sekarang menunjukkan bahwa peranan CFC paling besar. Lagipula proses penipisan ozon ini baru mulai terdeteksi gejalanya sesudah penemuan dan produksi CFC besarbesaran di bumi. CFC sebenarnya butuh waktu sekitar lima tahun untuk mencapai ketinggian lapisan ozon, tetapi begitu sampai di sana zat ini sangat betah karena butuh waktu yang jauh lebih lama untuk mengeluarkannya dari lapisan stratosfer, sampai puluhan tahun (sekitar 75 tahun). Di sinilah letak bahayanya! Radikal bebas yang secara alami ada di lapisan atmosfer hanya sedikit berperan dalam penguraian ozon. Begitu selimut kita ini dirasuki atom klor yang dilepaskan dari senyawa CFC, langsung deh penguraian ozon menjadi sekitar empat kali lipat!

Resep Penguraian O3

Supaya reaksi penguraian O3 berlangsung atom Cl harus dilepaskan dari senyawa seperti CFC. Proses ini tidak spontan, tapi ada resepnya! Pertama-tama harus ada aliran udara dingin yang membentuk vorteks polar yang bisa mengisolasi udara di dalam pusarannya. Nah, di dalam pusaran udara dingin itu temperaturnya benar-benar rendah (sekitar -80oC atau 193 K). Saking dinginnya sampai-sampai bisa menyebabkan terbentuknya Polar Stratospheric Cloud (PSC) atau sering disebut Mother of Pearl. Temperatur dingin ini tidak berubah karena selalu terisolasi dalam vorteks, jadi PSC juga tetap ada. PSC ini merupakan tempat terjadinya reaksi-reaksi heterogen yang mengubah klor (dan brom) yang tadinya tidak aktif menjadi atom-atom yang aktif (reaktif). Reaksi ini terjadinya cepat sekali! Tapi atom-atom reaktif yang dihasilkannya tidak begitu saja menguraikan ozon. Ada bumbu terakhir yang paling penting: sinar matahari!

Gelombang ultraviolet matahari yang berhasil menembus vorteks dingin tadi itulah yang menyebabkan terjadinya reaksi penguraian ozon. Sinar matahari ini juga yang bertanggung jawab terhadap terjadinya reaksi penguraian CFC tadi. Nah ini sebabnya CFC tidak terurai sebelum mencapai lapisan stratosfer (karena reaksi penguraiannya hanya bisa terjadi PSC).

 

Sekarang kita mengerti kenapa penipisan lapisan ozon justru paling banyak ditemukan di daerah benua Antartika. Di sana temperatur udara musim dingin (September-Oktober) di stratosfer sangat rendah sehingga banyak terbentuk PSC. Lain dengan benua Arktik yang mengalami musim dingin yang lebih hangat karena adanya gelombang planet yang kuat sehingga mengacaukan sirkulasi udara dinginnya. Senyawa CFC bisa sampai ke benua Antartika juga

karena terbawa aliran udara. Tapi ini bukan berarti penipisan ozon hanya bisa terjadi di daerah Antartika saja! Benua-benua lain tetap menghadapi permasalahan nyang sama, hanya saja proses penipisan lapisan ozonnya relatif lebih lama. Ada satu bumbu tambahan yang bisa mempercepat penipisan lapisan ozon: CO2! Kita selama ini sudah tahu kalau gas karbon dioksida bisa menyebabkan efek rumah kaca yang berakibat pada naiknya temperatur bumi (global warming). Global warming bisa menyebabkan melelehnya lapisan es di kutub sehingga seluruh daratan bumi ini bisa tenggelam. Ternyata bahayanya bukan itu saja! Global warming terjadi karena lapisan gas CO2 menghalangi sinar infra merah untuk keluar dari bumi menembus lapisan atmosfer (infra merah terperangkap sehingga memanaskan bumi). Tapi gas CO2 yang ada di lapisan atmosfer juga menghalangi sinar infra merah dari matahari untuk lewat sehingga suhu di stratosfer menjadi semakin dingin. Suhu yang semakin dingin ini mempercepat terbentuknya Mother of Pearl tadi. Jadi, kita harus hati-hati dengan semua aktivitas kita di bumi karena secara tidak sadar (kalau tidak tahu fisika!) kita bisa merusak bumi. (Yohanes Surya)

 

Februari 1, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Ikutilah Aku…!


Seakan bisa patuh seperti binatang peliharaan yang sudah bertahun-tahun diurus oleh majikannya, sistem jaringan internet di masa depan dirancang untuk selalu ‘mengikuti’ kita ke mana pun kita pergi. Tak pelak lagi, semua program komputer, data-data penting, dan akses ke dunia maya yang biasanya hanya kita lakukan di komputer kita masing-masing (di kantor atau di rumah) nantinya dapat dilakukan di mana saja. Kita tidak perlu lagi sibuk memindahkan data-data dari komputer kita ke laptop atau ke komputer teman. Kita juga tidak perlu memindahkannya ke berbagai wadah penyimpan data semacam CD (Compact Disc) yang bisa kita bawa. Justru semuanya itu yang akan secara otomatis mengikuti kita, seakan-akan komputer kita itu bisa berada di mana-mana.

Bagaimana caranya? Follow me…!

Supaya suatu program komputer bisa terus mengikuti kita, dibutuhkan suatu alat yang bisa mendeteksi lokasi kita. Alat yang bisa mendeteksi kita ini menggunakan teknik trilaterasi yang memanfaatkan gelombang ultrasonik, yaitu gelombang yang memiliki frekuensi di atas frekuensi gelombang suara yang bisa didengar manusia. Teknik yang digunakan sangat mirip dengan yang digunakan dalam teknologi Global Positioning System (GPS). Dalam trilaterasi, kita bisa menentukan lokasi tepat obyek yang dicari dengan menggunakan tiga titik acuan (Gambar 1).

Jika titik acuan A berada pada jarak a meter dari obyek yang akan kita tentukan lokasinya (X) maka kita bisa mengetahui bahwa X dapat terletak di mana saja sepanjang keliling lingkaran dengan radius a meter (Gambar 1-A).

Gelombang ultrasonik merambat sepanjang jarak ini. Jarak (s = v x t) antara titik A dengan X ini dapat diketahui dari waktu (t) yang dibutuhkan gelombang ultrasonik sejak dipancarkan oleh alat (obyek X) sampai mencapai titik A. Kecepatan rambat gelombang suara (v) di udara merupakan suatu nilai tetap (konstanta) yang sudah diketahui. Jarak antara titik acuan B (b meter) dengan X (Gambar 1-B) dapat dihitung dengan cara yang sama. Dari dua informasi mengenai jarak ini kita bisa menemukan dua kemungkinan posisi X (titik merah), yaitu di kedua titik perpotongan kedua lingkaran. Kemudian dengan cara yang sama pula jarak (c meter) antara titik acuan C terhadap X dihitung. Dengan data terakhir ini kita bisa dengan tepat memastikan letak X dalam bidang dua dimensi (Gambar 1-C).

Alat yang nantinya digunakan sebagai pemancar sinyal ini disebut bat. Bat bisa dibawa ke mana-mana (ukurannya sangat kecil dan bentuknya mirip pager) dan bisa kita pasang di pakaian (seperti mengaitkan telepon seluler ke sabuk celana). Masing-masing bat memiliki kode tersendiri yang berbeda satu sama lain dan berfungsi sebagai identitasnya (ID) sehingga tidak akan terjadi kekeliruan walaupun teman kita yang berada di ruangan lain juga mengenakan bat yang memancarkan sinyal. Ini berarti, ke mana pun kita pergi pasti akan terus terlacak (dengan akurasi mencapai 3 cm dari lokasi yang sebenarnya). Lokasi kita akan selalu diketahui asalkan di sekeliling kita tersedia alat penerima sinyal yang dipancarkan oleh bat yang kita bawa tersebut. Alat penerima sinyal (receivers) ini nantinya akan dipasang di sepanjang langit-langit di semua gedung, ruangan, atau di langit-langit rumah kita. Contoh pemasangan alat-alat mungil penerima gelombang ultrasonik di langit-langit ruangan ini bisa dilihat pada gambar 2 (bolabola berwarna ungu merupakan receivers). Jarak antara masing-masing alat penerima sinyal sekitar 1,2 meter (sekitar 4 ft). Untuk menemukan lokasi bat (bola yang berwarna hijau), hanya tiga receivers (sebagai tiga titik acuan untuk penentuan lokasi menggunakan trilaterasi) terdekat yang perlu bekerja. Dalam satu ruangan yang luasnya sekitar 1000 m2 akan dipasang sejumlah 720 alat mini penerima sinyal ini. Contoh ruangan yang sudah menggunakan sistem ini sebagai uji coba teknologi adalah AT&T Laboratories di Cambridge.

Selain gelombang ultrasonik, bat juga berfungsi untuk memancarkan dan menerima gelombang radio sebagai sarana komunikasi dengan komputer pusat (alat kendali utama) yang mengendalikan keseluruhan sistem ini. Saat kita ingin mencari lokasi bat, komputer pusat mengirimkan sinyal radio yang berisikan kode identitas (ID) bat yang akan kita tentukan lokasinya. Bat menerima sinyal radio ini dan langsung mengirimkan gelombang ultrasonik yang berisikan kode berupa binary digit atau bit (48 bit) ke tiga receivers terdekat. Komputer pusat juga memiliki data mengenai lokasi semua komputer dan alat elektronik lain (misalnya telepon) dalam gedung yang bersangkutan. Setelah lokasi bat ditentukan dengan trilaterasi, komputer pusat langsung mencari lokasi komputer atau alat elektronik yang terdekat dengan lokasi bat. Secara otomatis komputer tersebut menjadi komputer yang persis sama dengan komputer kita, lengkap dengan semua data dan program yang hanya tersimpan dalam komputer kita. Selain komputer, sistem ini juga dapat digunakan untuk alat-alat elektronik dan komunikasi lainnya seperti pesawat telepon. Secara otomatis, telepon yang terdekat dengan kita langsung menjadi telepon kita. Ini berarti, begitu ada telepon masuk (walaupun kita berada jauh dari pesawat telepon kita), telepon yang terdekat dengan kita itu bisa langsung digunakan untuk menjawab. Semuanya dilakukan secara otomatis (dengan bantuan komputer tentunya!) tanpa perlu proses call-forwarding dari pesawat telepon yang satu ke pesawat telepon lain. Jika telepon yang berada di dekat kita itu tiba-tiba berdering, kita dapat langsung menjawab telepon seperti saat kita sedang berada di ruangan atau di rumah kita sendiri karena telepon itu sudah menjadi telepon kita. Karena itulah teknologi ini bisa disebut sistem yang selalu mengikuti kita ke mana pun kita pergi, seakan kita cuma perlu memberi perintah ‘Follow Me…!’ kepada alat-alat elektronik kita.

Teknologi ultrasonic location system ini benar-benar bersifat mobile karena bisa terus ‘bergerak’ ke mana saja. Istilah mobile computing tidak lagi terbatas pada laptop atau PDA (Personal Digital Assistant) yang bisa dibawa ke mana-mana tetapi tetap membutuhkan transfer data dan program yang menghabiskan waktu. Kita masih tetap membutuhkan laptop dan PDA serta berbagai peralatan mobile lainnya jika kita pergi ke luar gedung atau rumah yang memiliki teknologi Follow Me…! ini. Tetapi saat kita ingin berkeliaran di dalam gedung atau rumah yang berteknologi canggih tersebut kita dapat menikmati ‘kesetiaan’ sistem yang terus saja mengikuti kita bagaikan bayangan. Dengan sistem ini, komputer dan alat elektronik kita bisa langsung di’teleportasi’kan ke mana pun kita pergi (di dalam rumah atau gedung tersebut tentunya!). Sistem jaringan yang seakan berada di mana-mana inilah yang nantinya akan menjadi sistem yang mengelilingi kita di masa depan. Pesatnya kemajuan berbagai penelitian yang sedang dilaksanakan saat ini memperbesar kemungkinan siapnya penggunaan teknologi ini dalam waktu beberapa tahun saja (Prof. Yohanes Surya Ph.D)

Januari 29, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Holographic memory


Perkembangan zaman selalu ditandai oleh semakin pesatnya perkembangan teknologi. Perkembangan teknologi ini selalu diikuti pula dengan semakin melimpahnya informasi. Penggunaan teknologi informatika (komputer dan internet) semakin menyatu dengan kehidupan sehari-hari, seakan-akan kita tidak bisa hidup lagi tanpa kehadiran komputer. Perkembangan dunia informatika ini tentu saja menuntut pula suatu wadah penyimpan data yang memiliki kapasitas yang mendukung. Teknologi penyimpanan data yang ada sekarang dapat memuaskan kebutuhan kita untuk saat ini. Teknologi ini menyimpan bits dengan memanfaatkan perubahan sifat magnetik dan optik pada permukaan wadah penyimpan data atau recording medium. Tetapi tidak lama lagi kita akan membutuhkan wadah penyimpan data yang memiliki kapasitas jauh lebih besar dari CD (Compact Disc) dan DVD (Digital Versatile Disc). Salah satu alternatif yang banyak menarik perhatian adalah Holographic Memory. Penelitian untuk mengembangkan teknologi holographic memory ini sedang gencar dijalankan oleh ilmuwan-ilmuwan di seluruh dunia. Apa istimewanya teknologi ini?

Teknologi holographic memory pada dasarnya memanfaatkan cahaya untuk menyimpan dan membaca kembali data/informasi. Sinar LASER (singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) yang bersifat monokromatik dan koheren dilewatkan pada sebuah alat yang disebut ‘beam splitter’. Splitter ini ‘memecah’ sinar LASER menjadi dua (Gambar 1), yang pertama disebut signal beam atau object beam (A), yang kedua disebut reference beam (B). Sinar A disebut object beam karena sinar ini membawa kode informasi atau obyek yang akan disimpan. Sinar B merupakan sinar yang dirancang sedemikian rupa sehingga mudah dan sederhana untuk direproduksi karena digunakan sebagai referensi.

Jika kita ingin menyimpan suatu informasi atau data menggunakan komputer (misalnya ingin menyimpan foto atau gambar), komputer akan menerjemahkan gambar tersebut ke dalam angka-angka 0 dan 1 karena memory komputer menggunakan sistem binary atau sistem angka basis 2 (0 dan 1) yang dikenal sebagai BIT (singkatan dari Binary digIT). Sistem inilah yang selama ini kita gunakan saat kita mengolah informasi menggunakan komputer.

Pada gambar 1, Sinar A dan Sinar B keluar dari splitter pada sisi yang berbeda sehingga melalui jalur yang berbeda pula. Sinar A diarahkan ke suatu alat yang disebut SLM (Spatial Light Modulator), yang merupakan LCD (Liquid Crystal Display) yang menampilkan data-data yang akan disimpan (berupa kotakkotak gelap dan terang). Dalam holographic memory, kotak-kotak hitam (gelap) dan putih (terang) ini melambangkan data biner 0 dan 1 seperti yang biasa digunakan untuk menyimpan dan mengolah data di komputer. LCD yang digunakan sebagai SLM ini sebenarnya sama saja dengan layar komputer dan laptop yang sering kita gunakan. Data-data yang merupakan kode biner ini dibawa oleh Sinar A saat Sinar A melewati SLM. Sinar A yang sudah menjadi encoded beam ini (karena sudah mengandung data) kemudian difokuskan (dibantu dengan lensa sebagai relay optics) menuju sebuah kristal yang sangat sensitif terhadap cahaya. Kristal yang biasa digunakan sebagai recording medium ini adalah kristal Lithium-Niobate (LiNbO3). Pada saat yang bersamaan, Sinar B diarahkan (dengan bantuan cermin dan lensa) menuju kristal yang sama, tetapi melalui jalur yang berbeda. Saat Sinar A dan B bertemu, terbentuklah interferensi. Pola interferensi yang terbentuk ini (mengandung data yang akan disimpan tadi) tersimpan dalam kristal sebagai sebuah hologram. Data berbentuk hologram yang tersimpan dalam kristal tersebut dapat kita baca kembali menggunakan sinar yang sama persis dengan Sinar B (Gambar 2). Untuk proses rekonstruksi data, Sinar B kita reproduksi kembali dari LASER.

Sinar ini kita arahkan kembali ke kristal dengan menggunakan sudut dan panjang gelombang yang sama persis dengan sudut dan panjang gelombang yang digunakan saat menyimpan data. Saat mencapai kristal, Sinar B akan mengalami difraksi (oleh kristal) sehingga data yang sudah tersimpan dalam kristal dapat direkonstruksi kembali. Sinar yang keluar dari kristal sudah mengandung data yang ingin kita baca. Sinar ini kemudian diarahkan ke sebuah detektor (komputer) yang akan menerjemahkan kembali data biner tersebut sehingga dapat ditampilkan sebagai gambar yang sama dengan gambar semula.

Keunggulan utama penyimpanan data dalam holographic memory adalah kemampuannya untuk menyimpan data dalam tiga dimensi. CD dan DVD yang biasa kita gunakan hanya bisa menyimpan data dalam dua dimensi, yaitu di sepanjang permukaannya saja. Holographic Memory menyimpan data tidak hanya pada permukaan kristal, tetapi pada keseluruhan volume kristal. Jika kita ingin menyimpan data-data lain dalam kristal yang sama, kita hanya perlu memvariasikan (disebut multiplexing) sudut atau panjang gelombang Sinar B (reference beam) saat melakukan proses penyimpanan data. Dengan berbagai variasi sudut dan panjang gelombang ini, kita bisa menyimpan data yang begitu banyak pada volume yang sama. Karakteristik inilah yang memperbesar kapasitas penyimpanan data (kapasitasnya bisa mencapai 27 kali lebih besar dari kapasitas DVD yang kita gunakan saat ini) dalam holographic memory. Selain itu, proses pembacaan data juga dapat dipercepat (25 kali lebih cepat dari DVD) karena kita hanya perlu menyinari kristal dengan Sinar B pada sudut atau panjang gelombang yang kita gunakan saat menyimpan data tersebut. Di bagian mana pun (pada kristal) data tersebut tersimpan, kita tidak perlu repot-repot mencarinya karena hanya data yang disimpan menggunakan sudut atau panjang gelombang itu sajalah yang akan dibaca. Data-data lain yang disimpan menggunakan sudut atau panjang gelombang yang berbeda hanya dapat dibaca saat kita menyinari kristal dengan Sinar B pada sudut dan panjang gelombang yang sesuai.

Kunci utama yang dapat mendongkrak keberhasilan teknologi holographic memory ini adalah wadah penyimpannya (recording medium). Berbagai penelitian sedang dijalankan untuk mencari dan mengembangkan bahan yang memberikan kinerja paling baik. Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti menemukan bahwa kristal bukan satu-satunya media yang dapat digunakan sebagai recording medium. Bahan polimer yang juga sensitif terhadap cahaya (photopolymer) ternyata menunjukkan potensi luar biasa. Hasil penelitian bahkan menunjukkan bahwa bahan photopolimer justru memiliki kualitas yang jauh lebih baik dari kristal saat digunakan sebagai recording medium. Penemuan ini menambah semangat para peneliti dunia untuk terus memutar otak dan berlomba-lomba mengembangkan holographic memory yang nantinya dapat mengubah dunia informatika. Saat teknologi ini sudah berhasil disempurnakan dan dapat digunakan secara luas, kita bisa menyimpan ratusan film-film favorit kita hanya dalam satu kepingan seukuran CD atau DVD biasa. Seluruh isi buku-buku perpustakaan pun dapat disimpan dalam wadah kecil tersebut sehingga kita bisa mempunyai ensiklopedia mini yang isinya mungkin lebih lengkap dari isi perpustakaan! Kita juga bisa menyimpan dan mendengarkan ribuan musik kesayangan kita hanya dalam satu kepingan semacam CD yang kita gunakan sekarang. Hebatnya lagi, proses pembacaan data yang begitu berlimpah itu dapat dilakukan pada kecepatan tinggi (fast transfer rates). (Yohanes Surya).

Januari 29, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Desain pesawat masa depan


Flying Wing = Sayap Terbang? Itu memang terjemahan bebasnya. Dan arti yang sebenarnya memang tidak terlalu jauh berbeda. Flying Wing sebenarnya merupakan istilah untuk desain pesawat terbang yang bentuknya menyerupai dua sayap pesawat yang menyatu (blended-wing body). Desain pesawat masa depan ini tidak memiliki bagian badan utama yang disebut fuselage dan ekor (tail) seperti pada pesawat yang kita kenal saat ini. Pesawat unik ini benar-benar hanya terdiri dari sayap saja, dan ternyata memang hanya sayap yang dibutuhkan. Bentuk Flying Wing menyerupai boomerang, yang pada dasarnya memang merupakan dua bilah sayap yang digabungkan menjadi satu unit. Rancangan semacam ini sebenarnya tidak asing lagi untuk desain pesawat, tetapi selama ini bentuk blended-wing body hanya digunakan untuk pesawat tempur dengan teknologi stealth, yaitu pesawat yang bisa ‘menghilang’ karena tidak dapat dideteksi oleh radar. Apa keistimewaan desain unik ini?

Sebenarnya alasan utama yang melandasi ide untuk mengaplikasikan desain yang biasa digunakan untuk keperluan militer ini adalah semakin melonjaknya jumlah penumpang pesawat terbang setiap harinya. Alat transportasi udara ini semakin digemari karena memungkinkan kita untuk berkeliaran di seluruh dunia dalam waktu cepat. Perhitungan yang dilakukan oleh Federal Aviation Administration (FAA) menunjukkan bahwa lonjakan penumpang diperkirakan dapat mencapai 63% dari tahun 2000 sampai 2012. Ini berarti volume penerbangan setiap harinya mesti ditingkatkan. Industri penerbangan dunia harus cepat-cepat memutar otak supaya dapat memenuhi kebutuhan transportasi udara ini. Yang pasti, penambahan jumlah penerbangan per hari tidak banyak menyelesaikan masalah. Karena kita sendiri sering mengalami terjadinya penundaan jadwal penerbangan, bahkan pembatalan penerbangan. Diperlukan suatu solusi lain yang dapat membantu menyelesaikan permasalahan ini. Ini saatnya para fisikawan menyumbangkan keahliannya!

Boeing yang dikenal sebagai penguasa industri penerbangan melakukan kerjasama dengan NASA (National Aeronautics and Space Administration) untuk mengembangkan kemungkinan aplikasi desain blended-wing body untuk pesawat komersial. Mengapa blended-wing body? Karena dengan desain ini kapasitas pesawat bisa ditingkatkan sampai 30%. Tentu saja! Pada flying wing hampir seluruh bagian pesawat bisa diisi oleh penumpang. Pada pesawat yang ada saat ini para penumpang hanya bisa menempati bagian badan utama pesawat (fuselage). Bagian sayap sama sekali tidak bisa ditempati. Desain flying wing hanya terdiri dari satu unit (hanya merupakan sayap) sehingga hampir semuanya bisa ditempati.

Dengan demikian, satu penerbangan saja bisa mengangkut sampai 800 penumpang sekaligus (bandingkan dengan Boeing 747-400 yang kapasitas maksimumnya hanya 660 penumpang). Dengan lebar sayap yang mencapai 289 ft (Boeing 747-400 hanya mencapai 211 ft) flying wing memiliki ruangan yang sangat luas untuk ditempati penumpang (memiliki dua tingkat atau double-deck) walaupun panjangnya hanya mencapai 160,8 ft (panjang pesawat Boeing 747-400 mencapai 232 ft) dan tingginya hanya 40,9 ft (tinggi pesawat Boeing 747-400 mencapai 63 ft). Kita dapat melihat perbandingan ukuran Flying Wing Jumbo Jet dengan pesawat Boeing 747-400 pada Gambar 3.

Bentuk pesawat yang hanya terdiri dari satu unit ini memiliki beberapa keunggulan lain selain kapasitas penumpang. Pesawat biasa perlu memperhitungkan berbagai bentuk permukaan (permukaan fuselage, permukaan sayap, dan permukaan ekor pesawat) yang sangat mempengaruhi besarnya gaya angkat (lift) ke atas yang harus dihasilkan mesin pesawat. Flying wing hanya perlu memperhitungkan satu jenis permukaan (karena hanya terdiri dari satu unit saja) sehingga lift dapat dihasilkan oleh mesin dengan lebih mudah dan sederhana. Apalagi kita tahu bahwa bagian pesawat yang paling banyak memberi kontribusi dalam menghasilkan lift adalah bagian sayap. Jika seluruh pesawat berupa sayap, berarti besarnya lift yang bisa dihasilkan dapat ditingkatkan juga.

Supaya pantas menyandang istilah pesawat masa depan, flying wing akan diproduksi menggunakan bahan-bahan komposit canggih yang direkayasa secara khusus. Bahan-bahan komposit ini dirancang supaya memiliki berat yang sangat ringan (lightweight design) sehingga flying wing dapat menggunakan bahan bakar secara lebih efisien (kebutuhan bahan bakar Boeing 747 sekitar 25% lebih banyak dari flying wing jumbo jet ini). Fungsi empat mesin turbofan pada Boeing 747-400 digantikan oleh tiga mesin jet khusus yang memiliki rasio bypass yang tinggi (high-bypass-ratio engines).

Ada beberapa yang masih menjadi sumber perhatian para peneliti. Dengan ukuran sayap pesawat yang jauh lebih tebal dari sayap pesawat biasa, flying wing harus mengatasi masalah hambatan udara (drag) yang lebih besar pula. Besarnya hambatan udara sangat dipengaruhi oleh kecepatan pesawat (semakin tinggi kecepatan pesawat, semakin besar pula drag yang harus diatasi) dan luas permukaan yang tegak lurus arah gerakan fluida (berarti ketebalannya). Sayap pesawat biasa yang sangat tipis menghasilkan drag yang jauh lebih kecil dari flying wing saat meluncur di udara pada kecepatan sama. Dengan semakin besarnya hambatan udara, flying wing harus memiliki mesin yang mampu menghasilkan gaya dorong (thrust) yang lebih besar dan stabil supaya bisa mengatasi hambatan udara tersebut. Penyempurnaan desain mesin inilah yang sedang gencar dilakukan para peneliti di industri penerbangan dunia.

Masalah lainnya berkaitan dengan ukuran kabin pesawat yang jauh lebih besar dibanding pesawat biasa. Pada pesawat yang ada saat ini, cabin pressurization dapat dilakukan dengan mudah. Cabin pressurization atau penambahan tekanan dalam kabin merupakan masalah yang sangat penting karena pada posisi yang semakin tinggi dari permukaan laut, tekanan udara semakin berkurang. Pesawat biasanya terbang pada ketinggian 30.000 ft dari permukaan laut. Pada ketinggian ini tekanan udara mencapai 4,3 psi. Angka ini sangat kecil jika dibandingkan tekanan udara di permukaan laut (14,7 psi) yang merupakan kondisi yang dianggap normal oleh tubuh manusia. Supaya tubuh manusia dapat bertahan pada ketinggian tersebut, tekanan pada kabin pesawat harus ditambah (sampai mendekati tekanan udara yang normal bagi tubuh manusia, yaitu 14,7 psi).

Hal ini dilakukan dengan cara memompakan udara bertekanan tinggi ke dalam kabin pesawat. Prinsipnya sama persis dengan pemompaan ban mobil untu menambah tekanannya. Semakin besar luas kabin semakin besar pula volume udara tekanan tinggi yang harus dipompakan. Pada pesawat biasa udara dikompresi oleh mesin jet pesawat sehingga didapatkan udara bertekanan tinggi.

Untuk kabin flying wing yang sangat luas sistem penambahan tekanan yang biasa digunakan pada pesawat biasa tidak bisa diaplikasikan secara efektif. Berbagai penelitian dilakukan untuk merancang sistem baru untuk proses penambahan tekanan kabin yang luas ini.

Para peneliti memperkirakan semua rancangan flying wing jumbo jet ini akan siap dalam waktu beberapa tahun saja. Tidak lama lagi kita akan bisa melihat dan menikmati penerbangan yang menggunakan pesawat-pesawat yang mirip pesawat tempur B-2 Bomber ini. Tentu saja ukuran flying wing yang akan digunakan sebagai pesawat komersial ini jauh lebih besar dari pesawat tempur B-2 Bomber yang pintar menghindari deteksi radar itu. (***)

Januari 29, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Disengat panas


Masih ingat film fiksi ilmiah Star Trek yang sangat populer itu? Banyak adegan film itu yang memamerkan teknologi canggih yang membuat kita iri. Kebanyakan teknologi yang ditampilkan dalam film itu merupakan hasil fantasi sang pembuat film. Tetapi imaginasi hebatnya itu ternyata sudah banyak menggoda para ilmuwan untuk merealisasikan teknologi fiksi itu menjadi teknologi yang benar-benar bisa dikembangkan di dunia nyata. Salah satu contohnya adalah penelitian mengenai teleportasi yang semakin heboh perkembangannya. Teknologi holodeck juga sudah mulai berhasil dikembangkan di dunia nyata ini sehingga kita semakin sulit membedakan dunia nyata dengan dunia maya. Dari sekian banyak teknologi Star Trek yang begitu menarik, ada satu teknologi canggihnya yang masih menggelitik para ilmuwan kita. Bahkan bukan saja ilmuwan dan peneliti yang tergoda untuk mengembangkannya, dunia militer pun ikut-ikutan jatuh hati pada teknologi yang satu ini. Teknologi yang mana? Phaser! Masih ingat apa itu Phaser?

Kru pesawat Enterprise dalam film Star Trek selalu membawa pengamanan diri saat turun ke permukaan sebuah planet tak dikenal. Sebentuk senjata yang mungil tampak seperti remote control kecil itu dapat disetel untuk memancarkan sinar yang bisa diatur intensitasnya. Jika hanya untuk mempertahankan diri, sinarnya disetel pada intensitas yang hanya bisa menyengat korban sehingga pingsan selama beberapa waktu dan tidak bisa melawan lagi (hanya untuk melumpuhkan lawan). Bisa juga sinar ini diperkuat intensitasnya supaya sengatannya lebih dahsyat ketika mereka harus menembus suatu tembok/pintu yang sangat kokoh. Senjata phaser ini berfungsi seperti senapan dan pistol yang biasa digunakan polisi atau militer di dunia nyata. Tetapi ada satu perbedaan yang sangat mencolok. Senjata api dan pistol menggunakan peluru dan bubuk mesiu yang sangat berbahaya dan mengancam keselamatan (termasuk dalam kategori lethal weapon atau senjata yang dapat menyebabkan kematian) siapa pun yang terkena tembakannya. Phaser merupakan senjata yang ‘ramah’ karena sama sekali tidak menyebabkan kematian (termasuk kategori non lethal weapon). Inilah daya tarik utama Phaser!

Sejarah dunia mencatat berbagai Perang yang memakan jutaan bahkan milyaran korban jiwa. Perang Dunia I, Perang Dunia II, Perang Teluk, dan berbagai perang saudara yang telah menorehkan luka bagi banyak penduduk dunia. Banyak penduduk sipil yang terkena tembakan secara tidak sengaja alias peluru nyasar. Saat situasi normal pun senjata api dan pistol masih banyak digunakan untuk sarana pengamanan dan sebagai bela diri terhadap tindak kejahatan yang mungkin terjadi. Walaupun tidak dimaksudkan untuk membunuh siapa pun, terkadang senjata-senjata itu tetap memakan korban jiwa secara tidak disengaja. Misalnya saat terjadi kerusuhan antara mahasiswa-mahasiswa di jalanan. Terkadang peluru nyasar kembali menjadi penyebab kedukaan yang tak terduga itu. Semakin lama tindak kejahatan semakin meningkat sehingga semakin banyak orang merasa membutuhkan senjata pengamanan diri. Penggunaan senjata semakin tidak terkendali sehingga dunia semakin terancam keselamatannya.

Phaser yang bersifat non lethal ini mungkin bisa menjadi jawaban yang cukup melegakan. Teknologi senjata yang benar-benar persis seperti phaser yang digunakan dalam film Star Trek memang belum dapat dikembangkan, tetapi berbagai penelitian telah berhasil menemukan jalan menuju teknologi senjata non lethal. Senjata ini disebut Pain Beam.

Pain Beam menggunakan konsep yang mirip dengan phaser canggih kru pesawat Star Trek. Sesuai namanya, pain beam menembakkan sinar yang dapat menyebabkan orang yang terkena tembakannya merasa sakit, seperti disengat panas. Mengapa menggunakan senjata yang menyebabkan rasa sakit? Bukankah itu seperti penyiksaan? Apakah senjata non lethal yang menyebabkan rasa sakit lebih baik dari senjata yang langsung mematikan korban? Apakah ini manusiawi?

Pertanyaan-pertanyaan semacam itu banyak dilontarkan saat konsep ini pertama kali dikemukakan. Ternyata kekhawatiran akan adanya ‘penyiksaan’ akibat rasa sakit yang ditimbulkan itu sama sekali tidak beralasan. Pain beam sama sekali tidak dimaksudkan untuk menyiksa korban, dan memang tidak bisa digunakan untuk menyiksa. Sinar yang memancar dari senjata yang mengaplikasikan Active-Denial Technology ini merupakan gelombang elektromagnetik yang mampu memanaskan (menyengat) permukaan kulit tubuh. Gelombang ini memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dari gelombang mikro (microwave).

Gelombang elektromagnetik ini dipancarkan oleh sebuah transmitter (Gambar 1) dan kemudian merambat pada kecepatan cahaya (300.000 km per detik) sambil membawa energi yang hanya mampu menembus permukaan kulit sejauh 0,04 cm. Energi elektromagnetik ini hanya menyebabkan kita secara spontan merasakan sakit seperti disengat panas pada titik di permukaan kulit yang terkena pain beam. Energi ini tidak cukup untuk merusak atau melukai tubuh lebih jauh, apalagi sampai menembus organ tubuh. Pain beam ini tidak menyebabkan terjadinya luka yang berkepanjangan maupun kerusakan kulit/organ/tubuh dalam jangka panjang. Rasa sakit/panas yang kita rasakan sama dengan rasa sakit/panas yang kita rasakan jika kita menyentuh sebuah bohlam yang panas karena sudah menyala beberapa jam. Setelah beberapa menit sensasi panasnya pun hilang dengan sendirinya asalkan kita tidak terus memegang bohlam itu. Ini menunjukkan bahwa pain beam ini benar-benar bersifat non lethal dan tidak berbahaya. Para peneliti bahkan menyatakan bahwa panas akibat terkena sinar matahari yang terlalu lama (misalnya sewaktu berjemur di pantai) justru lebih berbahaya dari tembakan pain beam revolusioner ini.

Tetapi mengapa menggunakan rasa sakit? Pertimbangannya sangat sederhana! Rasa sakit sebenarnya merupakan sistem pertahanan tubuh yang paling utama. Saat kita menyentuh bohlam panas tadi kita otomatis menarik tangan kita menjauhi bohlam itu karena kita merasakan sengatan panasnya. Rasa sakit ini ‘memerintahkan’ kita untuk menghindari/menjauhi sumber yang menyebabkan rasa sakit tersebut. Tanpa perlu berpikir lagi kita langsung menarik tangan untuk mengurangi/menghilangkan rasa sakit itu. Inilah yang menjadi alasan utama digunakannya rasa sakit sebagai sasaran utama senjata jenis baru ini. Sewaktu kita terkena pain beam (misalnya secara tidak sengaja) kita otomatis berlari menjauhinya (secara refleks). Karena kita langsung menjauhinya, kita pun langsung terbebas dari sengatan panasnya sehingga gelombang elektromagnetik ini tidak bisa menyengat kita lebih lama dan tidak dapat menyebabkan kerusakan permanen akibat kontak yang terlalu lama. Sewaktu kita merasakan sengatannya pun kita biasanya secara spontan langsung menutup/mengejapkan mata sehingga mata kita tidak akan tertembak pain beam secara tidak sengaja.

Saat ada kerusuhan tidak perlu lagi ada peluru nyasar yang melukai manusia, atau bahkan meminta nyawa orang-orang tidak bersalah yang kebetulan sedang berada di lokasi yang berdekatan. Inilah bentuk senjata non lethal yang paling ideal dan mendekati senjata impian semacam phaser kru Enterprise. Inilah sebabnya dunia militer pun ikut-ikutan semangat mengembangkan teknologi ini. Humvee (High-Mobility Multi-purpose Wheeled Vehicle) seperti pada Gambar 1 merupakan salah satu impian dunia militer yang tidak ingin terus-menerus berurusan dengan pertumpahan darah. Pain beam dipasang pada humvee sehingga sistemnya akan disebut sebagai Vehicle-Mounted Active-Denial System (VMADS). Nantinya pain beam dapat dipasang di berbagai kendaraan termasuk pesawat terbang, dan berbagai lokasi lainnya yang membutuhkan sistem pengamanan yang lebih aman dari senjata api dan pistol yang sudah sering memakan korban jiwa. (Yohanes Surya)

Januari 28, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Desain baru periskop kapal selam


Apa yang menjadi ciri khas sebuah kapal selam? Satu hal yang pasti, kapal selam selalu ‘terkucilkan’ dari dunia luar. Tidak seperti kendaraan darat (mobil, kereta api) maupun alat transportasi udara (pesawat) dan air (kapal laut) lainnya, kapal selam selalu tak terlihat dan tenggelam di bawah permukaan air. Selain tidak terlihat, kru kapal selam pun tidak dapat melihat dunia luar. Benar-benar terpencil dan sendiri! Terkadang sinar matahari pun tidak bisa mencapai lokasi kedalaman kapal selam. Gelap! Bagaimana caranya kapal selam bisa mencari jalan dan menentukan arah? Bagaimana kalau ada kapal selam lain di dekatnya? Tidak ada yang bisa terlihat di kegelapan itu!

Untung ada Fisika! Fisika menjadi ‘mata’ bagi kapal selam yang sedang berada jauh di bawah permukaan air. Bagaimana caranya? Dengan menggunakan konsep pemantulan gelombang suara yang lebih dikenal sebagai teknologi Sonar (Sound Radar). RADAR sendiri sebenarnya merupakan singkatan dari Radio Detection and Ranging. Teknologi radar umumnya melibatkan gelombang mikro (microwave), tetapi saat digunakan dalam air, kita dapat memanfaatkan gelombang suara biasa sehingga disebut Sound Radar (Sonar). Prinsip yang jadi kunci utama teknologi ini adalah pantulan gelombang dan sesuatu yang disebut Doppler Effect (Efek Doppler). Jika gelombang suara (dipancarkan oleh transmitter pada kecepatan v) menumbuk suatu permukaan, gelombang itu pasti langsung dipantulkan kembali. Pantulannya ini diterima oleh alat penerima (receiver). Jika receiver yang digunakan mendeteksi adanya pantulan gelombang yang dipancarkan tadi, itu berarti ada suatu benda yang menyebabkan terpantulnya gelombang tersebut. Jarak benda tersebut dapat dihitung dengan mudah. Caranya? Hitung saja waktu saat gelombang pertama kali dipancarkan sampai pantulannya dideteksi, karena kita tahu kecepatan gelombangnya maka kita dapat dengan mudah menghitung jarak antara transmitter/receiver ke benda asing yang memantulkan gelombang tersebut. Doppler Effect atau Doppler Shift melibatkan terjadinya perubahan frekuensi gelombang asal dengan gelombang pantulannya. Gema/pantulan gelombang diukur perubahan frekuensinya (frekuensi pantulan pasti berbeda dengan frekuensi gelombang yang dipancarkan) sehingga bisa ditentukan jarak dan kecepatan benda. Dari kedua prinsip fisika sederhana inilah kapal selam akhirnya mampu ‘melihat’ keadaan sekitarnya yang gelap gulita itu.

Saat hendak naik ke permukaan, ada teknologi lain yang juga bergantung pada fisika. Sebuah kapal selam yang ingin kembali ke permukaan laut harus selalu memastikan bahwa situasi sekelilingnya aman (tidak ada kapal laut atau benda-benda lain yang sedang berlayar di dekatnya supaya tidak tertabrak oleh kapal selam saat tiba-tiba muncul di permukaan). Biasanya kapal selam menggunakan sebuah ‘jendela’ yang membantunya melihat keadaan sekeliling mereka sebelum mulai naik ke permukaan laut. Jendela yang juga berfungsi seperti mata pengintip yang bisa berputar 360° ini dikenal sebagai periskop.

Berbeda dengan Sonar, periskop dapat memberikan data visual bagi kru kapal selam sehingga mereka dapat melihat dengan jelas apa saja yang ada di sekeliling mereka. Karena itulah periskop menjadi bagian yang sangat penting bagi sebuah kapal selam. Tugas utama periskop adalah untuk mengintip keadaan di permukaan laut saat kapal selam masih menyelam di bawah air. Sebuah periskop yang paling sederhana memiliki dua cermin, yang satu terletak di ujung atas (berfungsi sebagai mata pengintipnya), yang lainnya terletak di dasar periskop. Cahaya yang terkumpul di cermin atas kemudian diarahkan menuju cermin di dasar periskop sehingga nahkoda kapal dapat melihat bayangan benda yang ada di depan periskop di atas permukaan laut. Seiring perkembangan teknologi, periskop kapal selam pun mengalami banyak penyempurnaan. Panjang periskop biasanya bisa mencapai 18 meter sehingga cermin tidak digunakan untuk mengumpulkan cahaya dari permukaan laut. Sebagai gantinya digunakan dua prisma (disusun paralel), satu di atas, dan satu di dasar periskop. Cahaya yang sampai pada prisma di dasar periskop kemudian diteruskan ke dua buah lensa di tube sekunder. Dengan bantuan prisma, bayangan yang didapatkan bisa terlihat jelas walaupun harus melalui jarak 18 meter (panjang periskop). Saat kapal sedang menyelam pada kedalaman tersebut posisinya dikenal sebagai kedalaman periskop (periscope depth). Di bawah kedalaman itu periskop tidak lagi digunakan (yang digunakan adalah sonar). Karena begitu panjangnya periskop kapal selam, biasanya periskop memakan tempat sampai ke dasar kapal (Gambar 1-A). Periskop terletak di periscope well yang menjulur mulai dari dasar sampai ke atas di bagian sail. Ukuran periskop yang begitu panjang ini memaksa desain kapal untuk selalu menempatkan ruang kendali di bagian atas yang sempit. Karena kurang praktisnya desain ini, kini fisika pun menawarkan desain baru periskop yang lebih canggih dan praktis. Periskop generasi baru ini dikenal dengan nama Photonic Mast.

Photonic mast tidak menggunakan prisma dan lensa seperti di periskop biasa. Komponen-komponennya merupakan komponen elektronik canggih yang berfungsi sebagai unit sensor elektro-optik yang bisa menyediakan tampilan visual, sarana navigasi kapal, serta berbagai fungsi komunikasi lainnya. Sensor multifungsi ini terletak pada bagian yang dapat berotasi (rotating head). Photonic mast dilengkapi dengan tiga buah kamera canggih, yang meliputi kamera yang bisa menampilkan warna (color camera), kamera hitam-putih yang memiliki resolusi tinggi, serta kamera infra merah. Selain ketiga kamera ini, terdapat pula sebuah kamera khusus yang digunakan pada saat-saat khusus (mission critical control camera). Kamera khusus ini terletak di bagian yang khusus pula (bebas tekanan dan tahan guncangan). Untuk melengkapi sistem kamera ini terdapat pula eyesafe laser range finder yang berfungsi untuk menyediakan informasi akurat mengenai target yang sedang dipantau, serta untuk membantu proses navigasi.

Semua gambar dan data visual yang berhasil dikumpulkan oleh photonic mast yang canggih ini kemudian dikirimkan ke ruang kendali dengan menggunakan serat optik. Masing-masing kapal selam masa depan ini akan memiliki dua photonic mast yang mampu menyediakan informasi yang benar-benar akurat dan lengkap. Kedua photonic mast ini dapat dikendalikan dengan bantuan joystick yang tersedia di dua stasiun dalam kapal. Masing-masing stasiun memiliki dua layar (layar datar) yang digunakan untuk menampilkan data visual yang sudah didapatkan tadi. Gambar-gambar yang berhasil didapatkan itu pun dapat langsung direkam sehingga bisa menjadi dokumentasi yang berharga.

Pada periskop biasa, hanya satu orang yang bisa melihat secara langsung keadaan di permukaan laut (melalui eyepiece). Jika kru lain ingin melihat pula kondisi permukaan, maka mereka harus bergantian mengintip eyepiece periskop. Ini sangat merepotkan dan tidak praktis. Kedua layar tampilan yang tersedia pada desain kapal selam yang menggunakan photonic mast memberikan solusi yang memuaskan. Dengan adanya kedua layar tersebut semua kru yang berada di stasiun dapat melihat secara detil kondisi permukaan laut.

Kelebihan lain desain baru ini adalah ukurannya yang sangat kecil. Periscope well yang menjadi ‘markas’ photonic mast tidak lagi menjulur dari dasar sampai sail, justru periscope well desain baru ini hanya terletak di bagian sail saja sehingga ruang kendali dapat diposisikan di bagian yang lebih luas dan tidak sempit. Dengan photonic mast, kapal selam tidak lagi ‘buta’ dan terkucilkan dari dunia. Faktor keselamatan pun dapat ditingkatkan karena canggihnya teknologi yang melingkupi kapal selam masa depan ini. (Yohanes Surya)

Januari 28, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Dahsyatnya elektromagnetik


Begitu dahsyatnya sehingga para ilmuwan di NASA (National Aeronautics and Space Admistration) mulai berpikir untuk memanfaatkannya sebagai tenaga yang bisa ‘melemparkan’ pesawat luar angkasa ke luar atmosfer bumi! Kenapa sampai muncul ide ini? Bukankah mesin roket yang biasanya digunakan untuk mengirim pesawat-pesawat ke luar bumi sudah cukup berhasil?

Sebenarnya semua mesin roket yang sudah digunakan maupun yang sedang dikembangkan saat ini tetap membutuhkan bahan khusus sebagai pendorongnya. Bahan-bahan propellant ini bisa berupa bahan kimia seperti yang sudah banyak digunakan, bisa juga berupa hasil reaksi fusi nuklir yang teknologinya dikembangkan di awal abad 21 ini. Ada lagi berbagai teknologi inovatif seperti light propulsion dan antimater propulsion. Penggunaan propellant ini sebenarnya sangat membatasi kecepatan dan jarak maksimum yang dapat dicapai pesawat. Karena itulah muncul ide untuk mengirimkan pesawat luar angkasa menggunakan teknologi yang sama sekali tidak melibatkan propellant. Sistem apa yang bisa ‘melemparkan’ pesawat yang begitu besar dan berat ke luar angkasa tanpa menggunakan propellant sama sekali? Hanya Elektromagnetika yang bisa menjawabnya!

Elektromagnetika merupakan penggabungan listrik dan magnet. Sewaktu kita mengalirkan listrik pada sebuah kawat kita bisa menciptakan medan magnet. Listrik dan magnet benar-benar tidak terpisahkan kecuali dalam superkonduktor tipe I yang menunjukkan Efek Meissner (bahan superkonduktor dapat meniadakan medan magnet sampai pada batas tertentu). Ini bisa dibuktikan dengan cara meletakkan kompas di dekat kawat tersebut. Jarum penunjuk pada kompas akan bergerak karena kompas mendeteksi adanya medan magnet. Elektromagnetika sudah banyak dimanfaatkan dalam membuat mesin motor, kaset, video, speaker (alat pengeras suara), dan sebagainya. Sekarang giliran proyek luar angkasa yang ingin memanfaatkan kedahsyatannya!

David Goodwin dari Office of High Energy and Nuclear Physics di Amerika adalah orang yang mengusulkan ide electromagnetic propulsion ini. Saat sebuah elektromagnet didinginkan sampai suhu sangat rendah terjadi sesuatu yang ‘tidak biasa’. Jika kita mengalirkan listrik pada magnet yang super dingin tersebut kita bisa mengamati terjadinya getaran (vibration) selama beberapa nanodetik (1 nanodetik = 10-9 detik) sebelum magnet itu menjadi superkonduktor. Menurut Goodwin, walaupun getaran ini terjadi hanya selama beberapa nanodetik saja, kita tetap dapat memanfaatkan keadaan unsteady state (belum tercapainya keadaan tunak) ini. Jika getaran-getaran yang tercipta ini dapat diarahkan ke satu arah yang sama maka kita bisa mendapatkan kekuatan yang cukup untuk ‘melempar’ sebuah pesawat ruang angkasa. Kekuatan ini tidak hanya cukup untuk ‘melempar’ secara asal-asalan, tetapi justru pesawat ruang angkasa bisa mencapai jarak maksimum yang lebih jauh dengan kecepatan yang lebih tinggi dari segala macam pesawat yang menggunakan propellant.

Untuk menerangkan idenya, Goodwin menggunakan kumparan kawat (solenoid) yang disusun dari kawat magnet superkonduktor yang dililitkan pada batang logam berbentuk silinder (Gambar 1). Kawat magnetik yang digunakan adalah logam paduan niobium dan timah. Elektromagnet ini menjadi bahan superkonduktor setelah didinginkan menggunakan helium cair sampai temperatur 4 K (-269oC). Pelat logam di bawah solenoida berfungsi untuk memperkuat getaran yang tercipta. Supaya terjadi getaran dengan frekuensi 400.000 Hz, perlu diciptakan kondisi asimetri pada medan magnet. Pelat logam (bisa terbuat dari bahan logam aluminium atau tembaga) yang sudah diberi tegangan ini diletakkan secara terpisah (isolated) dari sistem solenoida supaya tercipta kondisi asimetri.

Selama beberapa mikrodetik sebelum magnet mulai berosilasi ke arah yang berlawanan, listrik yang ada di pelat logam harus dihilangkan. Tantangan utama yang masih harus diatasi adalah teknik untuk mengarahkan getaran-getaran yang terbentuk pada kondisi unsteady ini supaya semuanya bergerak pada satu arah yang sama. Untuk itu kita membutuhkan alat semacam saklar (solid-state switch) yang bisa menyalakan dan mematikan listrik 400.000 kali per detik (yaitu sesuai dengan frekuensi getaran). Solid-state switch ini pada dasarnya bertugas untuk mengambil energi dari keadaan tunak dan mengubahnya menjadi pulsa listrik kecepatan tinggi (dan mengandung energi tinggi) sampai 400.000 kali per detiknya.

Energi yang digunakan untuk sistem elektromagnetik ini berasal dari reaktor nuklir (300 kW) milik NASA. Reaktor ini menghasilkan energi panas melalui reaksi fisi nuklir. Reaksi fisi nuklir ini melibatkan proses pembelahan atom yang disertai radiasi sinar gamma dan pelepasan kalor (energi panas) dalam jumlah sangat besar. Reaktor nuklir yang menggunakan ¾ kg uranium (U-235) bisa menghasilkan kalor yang jumlahnya sama dengan kalor yang dihasilkan oleh pembakaran 1 juta galon bensin (3,8 juta liter). Energi panas yang dihasilkan reaktor nuklir ini kemudian dikonversi menjadi energi listrik yang bisa digunakan untuk sistem electromagnetic propulsion ini. Ketika digunakan dalam pesawat luar angkasa, ¾ kg uranium sama sekali tidak memakan tempat karena hanya membutuhkan ruangan sebesar bola baseball. Dengan massa dan kebutuhan ruang yang jauh lebih kecil dibandingkan mesin roket yang biasanya digunakan untuk mengirim pesawat ke luar angkasa, pesawat yang menggunakan sistem elektromagnetik ini dapat mencapai kecepatan maksimal yang jauh lebih tinggi sehingga bisa mencapai lokasi yang lebih jauh pula. Menurut Goodwin pesawat dengan teknologi elektromagnetik ini dapat mencapai titik heliopause yang merupakan tempat pertemuan angin yang berasal dari matahari (solar wind) dengan angin yang berasal dari bintang di luar sistem tatasurya kita (interstellar solar wind). Heliopause terletak pada jarak sekitar 200 AU (Astronomical Unit) dari matahari. 1 AU merupakan jarak rata-rata bumi dari matahari yaitu sekitar 1,5.108 km. Planet terjauh dalam sistem tatasurya kita saja hanya berjarak 39,53 AU dari matahari. Semua pesawat luar angkasa yang menggunakan propellant tidak bisa mencapai jarak sejauh itu!

Tentu saja pesawat yang dipersenjatai elektromagnetik yang dahsyat ini masih sangat jauh dari sistem ideal yang kita inginkan. Karena walaupun pesawatnya bisa mencapai kecepatan sangat tinggi, kecepatan itu masih sangat kecil dibandingkan kecepatan cahaya (300.000 km per detik). Kecepatan maksimum yang bisa dicapai sistem ini masih di bawah 1% kecepatan cahaya.

Padahal bintang yang terdekat dengan sistem tatasurya kita berada pada jarak lebih dari 4 tahun cahaya (1 tahun cahaya = 300.000 km/detik x 60 detik/menit x 60 menit/jam x 24 jam/hari x 365 hari/tahun = 9,4608.1012 km). Perjalanan terjauh yang pernah ditempuh manusia adalah 400.000 km (yaitu perjalanan ke bulan). Jika kita ingin mengirim pesawat tanpa awak pun kita masih membutuhkan ratusan tahun sebelum pesawat tersebut bisa mencapai bintang terdekat. Itu pun karena pesawatnya menggunakan teknologi elektromagnetik! Dengan pesawat yang menggunakan propellant bahan kimia kita baru bisa mencapai bintang terdekat dalam waktu puluhan ribu tahun. Jika kita ingin mencapai bintang terdekat dalam waktu lebih cepat seperti dalam film Star Trek kita membutuhkan teknologi yang bisa melampaui kecepatan cahaya. Selama teknologi itu masih belum bisa dikembangkan, kita bisa memanfaatkan dulu teknologi elektromagnetik yang ternyata memberikan alternatif yang cukup menjanjikan walaupun belum bisa mewujudkan impian kita untuk menjelajahi jagad raya. (Yohanes Surya)

Januari 28, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar

Cahaya membawaku ke bulan


Cahaya membawaku ke bulan? Lebih tepatnya sinar laser membawaku ke bulan! Karena pesawat dengan teknologi baru ini memanfaatkan sinar laser untuk mengangkatnya ke udara dan terbang menuju luar angkasa. Cahaya merupakan energi yang menyertai dari proses perpindahan elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah (kembalinya elektron yang sudah tereksitasi ke tempatnya semula). Elektron tersebut berada dalam keadaan tereksitasi karena diberikan energi (misalnya energi panas). Untuk kembali ke keadaan awalnya energi tersebut harus dilepaskan kembali (dilepaskan dalam bentuk energi cahaya). Sinar LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) mempunyai karakteristik tersendiri: monokromatik (satu panjang gelombang yang spesifik), koheren (pada frekuensi yang sama), dan menuju satu arah yang sama sehingga cahayanya menjadi sangat kuat, terkonsentrasi, dan terkoordinir dengan baik. Cahaya biasa (bukan sinar laser) memiliki panjang gelombang yang berbeda-beda, dengan frekuensi berbeda-beda pula (incoherent light) sehingga cahayanya termasuk cahaya yang lemah.

Untuk mendapatkan cahaya yang monokromatik, koheren, terkonsentrasi, dan menuju satu arah yang sama diperlukan teknologi yang dapat mengendalikan emisi cahaya. Bagaimana cara mengontrol emisi cahaya ini? Dengan menggunakan bantuan cermin!

Pada Gambar 1 kita melihat dua buah cermin yang diletakkan di kedua ujung batu ruby. Salah satu cermin dibuat half-silvered (hanya memantulkan sebagian cahaya; sementara cahaya yang tidak dipantulkan dapat menerobos keluar). Ruby diberi stimulasi energi (disinari dengan cahaya) sehingga beberapa elektronnya tereksitasi. Kemudian elektron yang tereksitasi ini berusaha kembali ke tingkat energi awal dengan melepaskan cahaya (foton). Cahaya ini memantulmantul pada permukaan cermin dan menyinari elektron-elektron ‘tetangga’nya sehingga menyebabkan tereksitasinya para elektron ‘tetangga’ tersebut. Elektronelektron ini kemudian juga mengemisikan cahaya untuk kembali ke keadaan normalnya. Begitu seterusnya! Seperti reaksi berantai!

Sebagian cahaya berhasil menerobos keluar dari half-silvered mirror. Sinar ini merupakan sinar yang monokromatik, koheren, dan berfasa tunggal (single phase). Sinar inilah yang kita kenal sebagai sinar laser. Energi dari sinar laser inilah yang digunakan untuk mengirimkan pesawat masa depan ke luar angkasa. Sinar laser ditembakkan ke bagian bawah pesawat yang memiliki cermin berbentuk parabola (Gambar 2) yang berfungsi untuk menerima dan memfokuskan sinar laser. Sinar laser yang sudah difokuskan tersebut kemudian memanaskan udara di sekitarnya sampai ‘meledak’ sehingga ledakannya ini dapat digunakan sebagai tenaga pendorong pesawat.

Sebelum lepas landas, pesawat yang bentuknya unik ini diputar (menggunakan udara yang dikompresi) sampai 10.000 putaran per menit (10.000 rpm). Ini dimaksudkan untuk menstabilkan pesawat secara giroskopik (seperti gasing yang stabil saat sedang berputar cepat) sehingga mudah terangkat ke angkasa. Sesudah itu sinar laser dinyalakan dan diarahkan pada pesawat super ringan ini. Pada pesawat mini (terbuat dari bahan aluminium dengan diameter 12,2 cm) yang digunakan untuk ujicoba, sinar yang digunakan adalah sinar laser yang dihasilkan oleh karbon dioksida, dengan kekuatan 10 kW dan berpulsasi pada frekuensi 25-28 Hz. Pulsa sinar laser ini dapat menjaga pesawat untuk tetap terangkat di udara. Energi dari sinar laser yang difokuskan oleh cermin parabola ini kemudian memanaskan udara yang berada di ruangan absorpsi di bagian bawah pesawat. Udara di dalam ruang absorpsi ini merupakan udara di sekitar

pesawat yang diarahkan masuk sehingga dapat dipanaskan sampai temperatur 10.000-30.000oC. Temperatur ini jauh lebih tinggi dari temperatur pada permukaan matahari sehingga udara mengalami ekspansi dan terkonversi menjadi plasma. Plasma yang super panas inilah yang kemudian meledak dan mendorong pesawat pada kecepatan tinggi. Saat diujicoba pada bulan Oktober 2000, pesawat mini yang massanya hanya 50 gram itu berhasil mencapai ketinggian maksimum 71 meter. Untuk mengirimkan sebuah pesawat luar angkasa yang massanya 1 kg (terbuat dari bahan silikon karbida) dibutuhkan sinar laser dengan kekuatan 1 MW.

Sinar laser sekuat itu mampu mengirimkan pesawat untuk mencapai orbit yang tidak terlalu tinggi. Untuk mengirimkan pesawat menuju orbit yang lebih jauh lagi dibutuhkan laser yang lebih kuat lagi (bisa mencapai 1 GigaWatt). Karena itu teknologi sinar laser merupakan kunci utama pengembangan lightcraft yang canggih ini. Selain itu pesawat juga harus dilengkapi dengan cadangan hidrogen (sedikit saja) untuk digunakan saat pesawat melewati lapisan atmosfer yang kandungan udaranya sangat sedikit atau saat mencapai kecepatan 5,5 kali kecepatan suara. Pesawat futuristik ini tidak perlu membawa laser selama meluncur di udara. Sumber sinar laser tetap berada di bumi sehingga tidak menambah berat beban yang harus dibawa pesawat. Rancangan lainnya melibatkan sebuah stasiun penghasil sinar laser (laser power station) yang ditempatkan di luar angkasa (mengorbit di luar angkasa). Karena itulah pesawat ini menjadi sangat ringan dan dapat ‘dilemparkan’ oleh sinar laser ke luar angkasa dengan sangat mudah. Selain ringan dan cepat, pesawat ini juga sangat ramah lingkungan karena sama sekali tidak menghasilkan polusi.

Ada variasi lain dari teknologi yang memanfaatkan cahaya untuk misi luar angkasa ini. Kali ini cahaya tidak digunakan sebagai tenaga pendorong pesawat, tetapi justru digunakan untuk menarik pesawat ke angkasa. Karena digunakan untuk menarik pesawat, sumber cahayanya tidak berasal dari bumi, melainkan dari stasiun yang mengorbit di luar angkasa. Stasiun luar angkasa ini memiliki diameter 1 km dan mampu menghasilkan tenaga sampai 20 GigaWatt. Cahaya yang digunakan untuk menghasilkan energi adalah cahaya matahari yang ditangkap oleh stasiun luar angkasa tadi. Di stasiun luar angkasa tersebut cahaya matahari yang berhasil ditangkap kemudian dikonversi menjadi gelombang mikro (microwave) yang nantinya dikirimkan ke pesawat yang berada di bumi. Pesawat ini memiliki ribuan rectenna (rectifying antenna) yang berjajar di permukaan atas pesawat dan berfungsi untuk menangkap gelombang mikro tersebut dan mengubahnya menjadi energi listrik. Teknik ini mirip dengan teknik tractor beam yang digunakan dalam film fiksi ilmiah Star Trek.

Pesawat yang ditarik dari angkasa ini memiliki diameter yang jauh lebih besar dari pesawat yang menggunakan sinar laser untuk mendorongnya terbang. Ini disebabkan banyaknya rectenna yang dibutuhkan untuk menerima gelombang mikro yang dikirimkan stasiun luar angkasa tadi. Pesawat yang disebut microwave lightcraft ini berbentuk seperti piring terbang (flying saucer) yang selama ini dibayangkan sebagai UFO (Unidentified Flying Object) atau pesawat tak dikenal yang membawa makhluk asing ke bumi.

Saat hendak lepas landas, listrik yang dihasilkan dari konversi gelombang mikro digunakan untuk mengionisasi udara sehingga pesawat bisa terangkat. Saat itu udara di sekitar pesawat dipanaskan sehingga pesawat bisa melewati kecepatan suara. Kecepatan maksimum pesawat bisa mencapai 50 kali kecepatan suara! Pesawat yang bisa menyaingi kepopuleran UFO ini dilengkapi dengan dua magnet berkekuatan super. Pada kecepatan hipersonik ini sebagian energi gelombang mikro yang berhasil ditangkap oleh rectenna digunakan juga untuk kedua magnet tadi (mesin elektromagnetik). Mesin elektromagnetik ini digunakan untuk mempercepat partikel-partikel udara yang mengalir di sepanjang pesawat (slip stream). Dengan mempercepat slip stream pesawat canggih ini dapat terbang pada kecepatan hipersonik tanpa menghasilkan sonic boom (ledakan sonik). Ini berarti pesawat yang mirip UFO ini dapat meluncur dengan tenang tanpa suara sedikit pun. (Yohanes Surya)

Januari 28, 2011 Posted by | Aplikasi Fisika | | Tinggalkan komentar