Melesat dengan Maglev

Seiring dengan terbitnya fajar pertama abad ke-21, kebutuhan manusia pada sistem transportasi menjadi jauh lebih vital dibandingkan dengan masa-masa sebelumnya. Sejauh ini, kebutuhan yang sangat besar tersebut berusaha dipenuhi oleh mobil dan pesawat terbang. Namun, seiring sistem transportasi yang akan terus berkembang, beban yang ditanggung kedua lini terdepan transportasi dunia tersebut pun semakin membesar. Efek dari tekanan ini adalah kemacetan di jalan-jalan raya, penggunaan sumber daya tak terbarukan seperti bahan bakar fosil secara besar-besaran, dan tentunya meningkatnya polusi udara.

Solusi bagi masalah transportasi tampaknya harus lebih dari sekadar menghabiskan sumber daya untuk melebarkan atau memperpanjang jalan raya dan membuka bandara-bandara baru. Agar dapat melayani kebutuhan masyarakat dengan baik, sistem transportasi generasi baru harus memenuhi beberapa persyaratan seperti: kecepatan, keandalan, dan keamanan. Ia juga harus nyaman, ramah lingkungan, rendah biaya perawatan, ringkas, murah, dan cocok digunakan sebagai transportasi massal.

Salah satu solusi yang patut dipertimbangkan dan memenuhi kriteria tersebut adalah dengan meninjau ulang koneksi antarakota melalui revitalisasi jalur kereta. Di antara semua jenis kereta, pilihan yang bisa menandingi kecepatan tempuh pesawat adalah magnetically levitated train atau lazim disebut sebagai kereta maglev. Jika kereta konvensional melesat melalui gesekan antara roda dan rel, kereta maglev menggantikan peran roda dengan elektromagnet sehingga ia akan membuat gerbong melayang di atas jalur pemandu, menghasilkan tenaga pendorong elektromekanis tanpa adanya kontak dengan rel.¹

Mereka yang menginisiasi kereta maglev ini membayangkan bahwa di masa depan jumlah  penumpang akan bertambah dalam jumlah signifikan, sehingga dibutuhkan kereta yang dapat melesat aman dan nyaman di atas bantalan udara dengan kecepatan lebih dari 500 km/jam. Jika mimpi ini terwujud, kereta maglev dapat mengambil peran utama dalam perjalanan manusia di abad ke-21 ini.²

Mengapa Maglev?

Kereta Maglev menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan dengan kereta konvensional, seperti:

Tidak perlu anggaran biaya perawatan roda dan rel yang aus, karena kereta maglev tidak menggunakan keduanya.

Berkat keberadaan lajur pemandu, kereta maglev tidak akan mengalami ketergelinciran keluar dari rel.

Mengurangi kebisingan dan getaran.

Mampu mencapai tingkat dan kurva yang lebih tinggi dalam radius yang lebih kecil.

Mampu mencapai akselerasi maupun perlambatan dalam tempo yang cepat.

Tidak mudah terpengaruh oleh perubahan cuaca ekstrim.

Kereta maglev dioperasikan dengan tenaga listrik, sehingga tidak menyebabkan polusi udara secara langsung seperti halnya mobil atau pesawat terbang. Emisi CO2 yang dihasilkan pun lebih kecil. Kemampuannya membuat lengkungan dalam radius pendek membuatnya memerlukan jumlah terowongan lebih pendek ketika harus melewati perbukitan dan ini dianggap sebagai pilihan yang menarik bagi industri transportasi.³

Perbandingan Kereta Maglev dan

Kereta Konvensional

Aplikasi Kereta Maglev

Terdapat dua bahasan utama pada kereta maglev, yaitu:

Bagaimana membuatnya mengambang sehingga ia tidak memerlukan roda dan rel yang membuatnya bebas dari gaya gesekan dan kebisingan,

Bagaimana membuatnya bergerak, baik dengan kecepatan tinggi maupun dengan kecepatan rendah.

Kata maglev merupakan gabungan dari dua kata, magnetic (magnetik) dan levitation (melayang/mengambang). Maglev adalah metode propulsi menggunakan levitasi magnetik untuk mendorong suatu kendaraan alih-alih menggunakan roda, as roda, maupun bantalan. Dengan maglev, sebuah kendaraan melayang dalam ketinggian pendek dari jalur pemandu (guideway) dengan menggunakan prinsip magnet sehingga terciptalah daya angkat untuk mengambang dan untuk menghasilkan gaya dorong.

Prinsip Gerak pada Kereta Maglev

Kereta maglev memiliki tiga sumbu gerak:

Levitation, yang berhubungan dengan gerak kereta mengambang di atas rel (gerak atas-bawah).

Guidance, yang berhubungan dengan gerak kereta untuk tetap berada pada rel dan tidak menabrak sisi rel (gerak kiri-kanan).

Propulsion berhubungan dengan gerak kereta untuk melaju sesuai dengan kecepatan yang diinginkan (gerak maju-mundur).⁴

Sistem Propulsion 

Dengan melewatkan arus melalui kumparan propulsion di tanah, medan magnet (kutub utara dan selatan) dihasilkan sehingga kendaraan terdorong ke depan oleh gaya tarik menarik dari kutub yang berlawanan dan gaya tolak dari kutub yang sama yang bekerja antara kumparan tanah dan magnet superkonduktor di dalam kereta. Pengereman dilakukan dengan mengirimkan arus listrik AC (alternating current atau arus bolak-balik) ke arah sebaliknya sehingga kereta diperlambat oleh gaya tarik dan tolak magnet.⁵ Pengereman juga dapat dilakukan dengan cara mengubah energi kinetik kereta menjadi energi listrik sehingga energi ini dapat digunakan di lain waktu. Untuk pengereman secara mekanik, dapat digunakan peralatan pengereman berupa cakram yang dipasang pada roda untuk memperlambat kereta. Secara aerodinamis, terdapat juga sistem berupa panel hambatan udara dari kereta untuk perlambatan. Ini memberikan efek perlambatan yang sangat signifikan saat kereta melaju dengan kecepatan tinggi.⁶

Rel kereta maglev masih memiliki jalur bantuan untuk roda kereta. Pada kecepatan rendah, resultan fluks magnetik tidak cukup besar untuk membuat kereta mengambang sehingga adanya roda pada kereta maglev tetap diperlukan. Selain diperlukan terutama saat kereta berada pada kecepatan yang rendah, roda juga berguna ketika tiba-tiba terjadi kesalahan teknis atau suplai listrik mati mendadak.⁷

Sistem Levitasi

Kumparan levitasi dan kumparan pemandu dipasang di kedua sisi trek kereta maglev. Ketika magnet superkonduktor melewati rel dengan kecepatan tinggi, arus listrik yang diinduksi dalam kumparan levitasi dan pemandu menyebabkan kumparan menjadi bersifat elektromagnet. Hal ini menghasilkan gaya yang membuat kereta dapat mengambang di atas rel. Berdasarkan mekanisme inilah, kereta pada akhirnya dapat mengambang dengan ketinggian sekitar 0,39 sampai 3,9 inci (sekitar 1-10 cm) di atas rel pemandu.⁸

Sistem Guidance

Saat kereta dalam kondisi tidak berada di tengah jalur pemandu, sisi jalur pemandu yang lebih jauh dari kereta menerima gaya tarik, sedangkan sisi yang lebih dekat ke kereta menerima gaya tolak menurut prinsip induksi elektromagnetik. Dengan menggunakan prinsip ini, kereta dibawa kembali ke tengah jalur pemandu secara otomatis tanpa kontrol dari manusia. Semakin cepat kereta beroperasi, maka akan semakin besar gaya yang muncul. Mekanisme ini memberikan stabilitas yang lebih besar bagi kereta maglev.⁹

Dengan mekanisme magnetik yang mengagumkan serta bentuknya yang aerodinamis, kereta maglev mampu melesat dengan laju cukup tinggi. Pada Pada tahun 2015, kereta maglev di Jepang memecahkan rekor kecepatan dunia dari semua kereta dengan kecepatan tertinggi, yakni 603 km/jam⁷. Untuk mengetahui seberapa cepat 500 km/jam, kita ambil contoh berikut: jika jarak antara Stasiun Pasar Senen Jakarta dengan Stasiun Poncol Semarang adalah 443 km, maka waktu perjalanan yang diperlukan dengan kecepatan tersebut hanya 54 menit. Sungguh teknologi yang mengagumkan, bukan? Hal ini tentu akan menjadi solusi yang patut dipertimbangkan dari kebutuhan mobilisasi di kota-kota besar di Indonesia dan kepadatan penggunaan jalan raya oleh kendaraan pribadi maupun sibuknya bandara-bandara udara komersial di negeri ini.

Pemanfaatan Sifat Magnet dalam Teknologi Kereta

Bagaimana ceritanya hingga suatu benda memiliki sifat magnet? Ingat bahwa material magnet seperti halnya semua benda yang ada di alam semesta terdiri dari atom-atom penyusunnya. Masing-masing atom ini memiliki elektron yang bergerak. Terdapat dua macam gerak elektron dalam atom: gerak elektron mengorbit inti atom dan gerak elektron berputar pada sumbunya sendiri. Bayangkan, gerak elektron adalah seperti gerak Bumi yang diputarkan mengelilingi Matahari, dan gerak Bumi berotasi pada sumbunya. Gerakan inilah yang kemudian menghasilkan medan magnet pada material, atau disebut dengan momen magnet.⁹ Momen magnet yang muncul akibat gerak elektron yang mengelilingi inti disebut dengan “momen magnet orbital”, sedangkan momen magnet yang muncul akibat gerak elektron pada sumbunya disebut dengan “momen magnet spin”. Sifat kemagnetan material akan semakin kuat jika resultan dari momen magnet pada material saling menguatkan.

Material Magnet

Sekarang kita telah mengetahui bahwa setiap elektron memiliki apa yang dinamakan momen magnet. Apabila momen magnet pada suatu daerah dalam material saling menguatkan pada arah tertentu, daerah ini disebut domain, atau dengan kata lain, domain adalah pembagian daerah-daerah yang ada dalam bahan material yang memiliki momen magnetik dengan arah yang sama.¹⁰ Domain-domain ini memengaruhi sifat dari suatu material, apakah ia mudah ditarik oleh magnet, ataukah sulit. Pada bahan feromagnetik, atom memiliki momen magnet sejajar atau paralel dan orientasi yang sama. Pada bahan paramagnetik, atom memiliki momen magnetik yang berorientasi acak. Untuk bahan diamagnetik, atom tidak memiliki momen magnetik.¹¹

Teknologi Superkonduktor

Sekarang kita telah mengetahui bagaimana sifat magnet timbul. Lalu bagaimana bisa kereta maglev memberikan medan magnet yang cukup untuk membuat badan kereta tetap mengambang? Untuk hal ini, digunakan prinsip superkonduktivitas, yakni sebuah fenomena saat hambatan listrik dari material tertentu mendekati nol, saat suhunya didinginkan di bawah suhu kritis.¹¹ Sekali arus listrik dialirkan ke kumparan superkonduktor, arus akan terus menerus mengalir di dalam loop, menghasilkan magnet superkonduktor yang kuat.¹²

Perlu diingat bahwa teknologi menakjubkan ini dimotori oleh triliunan elektron yang bergerak dalam kumparan superkonduktor. Benda-benda kecil ini digerakkan secara harmonis, seolah-olah diperintahkan oleh komandannya. Sangat sulit untuk tidak mengakui bahwa ada arsitek ahli fisika luar biasa yang melakukan segala kalkulasi dengan sangat sempurna sehingga dunia dapat berjalan sebagaimana mestinya. Implikasi dari patuhnya elektron terhadap Sang arsitek ini membuat manusia yang mau berpikir terhadap penciptaan alam dan segala keteraturannya dapat mengambil manfaat dengan mengaplikasikan hukum-hukum tersebut dalam kehidupan sehari-hari demi kemaslahatan Bumi seisinya. Tidaklah sia-sia waktu dan sumber daya yang dicurahkan untuk melakukan berbagai penelitian, bahkan dari benda yang tidak terbayang apa manfaatnya bagi kehidupan.

Dari bahasan kereta maglev, Sang Maha Teliti menunjukan kebesaran-Nya melalui hal yang sangat kecil, elektron. Apabila pada hal sekecil itu terdapat perhitungan kompleks yang merupakan salah satu tanda kebesaran-Nya, maka manusia mana yang tidak takjub saat merenungkan bahwa tidak hanya elektron, tetapi segala sesuatu yang ada di alam semesta juga diciptakan dengan keteraturan dan ketelitian luarbiasa?

Penulis adalah seorang yang antusias dengan topik-topik seputar fisika komputasi, metode numerik, radioterapi (khususnya Boron Neutron Capture Therapy), dan pemrosesan gambar. Penulis sangat terbuka untuk mendiskusikan hal-hal tersebut di alamat email [email protected]

Referensi:

1. Lee, H.W., Kim, K.C. and Lee, J., 2006. Review of maglev train technologies. IEEE transactions on magnetics, 42(7), pp.1917-1925.
2. Jacobs, Jonathan., 2002. Magnetic Levitation. Harvard Science Review, hlm. 52
3. Yaghoubi, H., 2011. The most important advantages of magnetically levitated trains. In ICCTP 2011: Towards Sustainable Transportation Systems (pp. 3974-3986).
4. Abhijeet T. Tambe, Dipak S. Patil, Sanjay S. Avhad , “Introduction & Overview of Magnetic Levitation (MAGLEV) Train System “, Volume. 3 Issue. 2 , February- 2018, International Journal of Innovative Science and Research Technology (IJISRT) ,www.ijisrt.com , ISSN – 2456-2165, PP:-703-708.
5. Pal, Chandan. (2015). LIVE MODEL OF SUPERCONDUCTING MAGLEV. 10.13140/RG.2.1.3300.7527. A a presentation on the project work carried out in B.Tech final year at Department Of Mechanical Engineering, Asansol Engineering College.
6. Kristanti, D. R. (2018). Revolusi Perkembangan Magnet Pada Sarana Transportasi Kereta Api Dengan Menggunakan Teknologi Maglev (Magnetic Levitation). http://eprints.umsida.ac.id/4069/
7. ‘Emergency preparedness: SCMAGLEV: Central Japan Railway Company’, URL https://scmaglev.jr-central-global.com/about/emergency/ , data diakses pada tanggal 27 April 2024 pukul 10.53
8. Sharma, M., Kumar, M., & Kumar, I. (2018). Magnetic Levitation (MAGLEV): A Technology on which Vehicles propels. International Journal of Applied Engineering Research, 13 (9): 112-118
9. Stoyanov, D. G. (2009). A modification of Oersted experiment. European Journal of Physics. DOI: 10.1088/0143-0807/30/3/021.
10. (2018). Analisis Pengaruh Ukuran Bulis Serta Jenis Domain Magnetik terhadap Kesuburan tanah Perkebunan Sawit. Natural Science Journal, 4, 616–627.
11. Kittel, C. (1949). Physical theory of ferromagnetic domains. Reviews of modern Physics, 21(4), 541.
12. Ono, M., Koga, S., & Ohtsuki, H. (2002). Japan’s superconducting Maglev train. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 5(1), 9-15.