jurnal ilmu fisika indonesia · pdf fileintisari: dalam artikel ini dikaji mengenai perilaku...

Jurnal Ilmu Fisika Indonesia

SIMETRISIMETRISIMETRIVolume 2 Nomor 1 Januari 2014

ISSN: 2301-7112

IMETRI; Jurnal Ilmu Fisika Indonesia merupakan wahana komunikasi ilmiah di bidang fisika S yang diangkat dari hasil penelitian, survei, atau telaah pustaka baik teoretis, eksperimen, maupun aplikatif. Jurnal ini diterbitkan mulai Mei 2012 oleh Himpunan Fisika Indonesia Wilayah Barat (Konsorsium Jurusan Fisika BKS-PTN Wilayah Barat), dan terbit berkala setiap 4 bulan sekali, yaitu pada bulan Mei, Agustus, dan Januari.

Penyelia dan Mitra Bestari:

Dr.rer.nat. M. Farchani Rosyid (Fisika Matematika - UGM); Mirza Satriawan, M.Si., Ph.D. (Quantum Statistics - UGM); Dr. Agus Purwanto, M.Sc. (Fisika Partikel - ITS); Dr. A. Aminuddin Bama, M.Si. (Teori Kuantum & Fisika Matematika - UNSRI); Dr. Supardi, M.Si. (Fisika Teori Medan - UNSRI); Azrul Azwar, M.Si. (Fisika Teori - UNTAN).

Prof. Agus Setyo Budi, Ph.D. (Fisika Material Glass & Ceramic - UNJ); Ismail, Ph.D. (Teori dan Material - UNSYIAH); Dra. Dwi Asmi, M.Si., Ph.D. (Fisika Material - UNILA); Dr. Fitri S. A., M.Si. (Nano-material - UNSRI); Dr. Mursal, M.Si. (Material, Sel Surya - UNSYIAH); Satwiko Sidopekso, Ph.D. (Sel Surya - UNJ).

Dr.rer.nat Bambang Heru I., M.Si. (Fisika Komputasi & Instrumentasi - UNJ); Dr. Adi Rahwanto, M.Eng.Sc. (Optoelektronik, Komunikasi Optik - UNSYIAH); Dr. Syarun Nur, M.Si. (Laser Spektroscopy - UNSYIAH); Dr. Mangasi Alion Marpaung, M.Si. (Opto Electronics - UNJ); Dr. Menik Ariani, M.Si. (Elektronika Instrumentasi - UNSRI).

Dr. Dedi Setiabudidaya (Paleomagnetik - UNSRI); Dr. Azhar Kholiq A., M.S. (Hidrologi - UNSRI); Dr. Iskhaq Iskandar, M.Sc. (Fisika Kelautan & Lingkungan - UNSRI); Nazli Ismail, Ph.D. (Geofisika - UNSYIAH); Dr. M. Yusup N. K., M.Si. (Geofisika Eksplorasi - UNSRI); Sutrisno, M.Si. (Fisika Material Kebumian - UIN Syarif Hidayatullah); Andi Ihwan, M.Si. (Sains Atmosfir dan Geofisika - UNTAN).

Dr. I. Made Astra, M.Si. (Thermodinamika - UNJ); Dr. Sunaryo, M.Si. (Fisika Lingkungan - UNJ); Muh. Ishak Jumarang, M.Si. (Fisika Kelautan - UNTAN).

Prof. Dr.Yety Supriyati, M.Pd.; Evaluasi Pendidikan (UNJ)

Penerbit : Himpunan Fisika Indonesia (HFI) Wilayah Barat (Konsorsium Jurusan Fisika BKS-PTN Wilayah Barat)

ISSN : 2301-7112

Penasehat : Arsali, Pradanto P. P.

Pimpinan Redaksi : Akhmad Aminuddin Bama

Pelaksana Redaksi : Hadi

Bendahara : Ramlan

Staf Redaksi : M. Fuad, Marwansyah, Effendi M. Z.

Alamat Redaksi : Jurusan Fisika FMIPA UNSRI, Kampus Universitas Sriwijaya, Jalan Raya Palembang-Prabumulih Km 32, Ogan Ilir, Sumatera Selatan, Telp. 0711-580268, Faks. 0711-580056. Homepage: http://jsimetri.wordpress.com; Email: [email protected]; [email protected]

Redaksi menerima sumbangan tulisan yang belum pernah diterbitkan sebelumnya oleh penerbit lain. Naskah ditulis dalam Bahasa Indonesia atau Inggris yang baik dan benar, tidak mengandung unsur politik, komersialisme, atau subjektifitas yang berlebihan.

http://jsimetri.wordpress.com

Dari Redaksi

S yukur Alhamdulillah, meskipun dengan berbagai kendala yang terkait dengan jumlah makalah yang dite-rima oleh Redaksi, Jurnal SIMETRI Vol. 2 No.1 September 2014 dapat terbit. Terkait dengan kendala

itu, Redaksi mohon maaf (khususnya kepada Pemakalah) atas keterlambatan terbitan edisi kali ini.Perlu diketahui bahwa, terkait dengan berbagai kendala termasuk kurangnya tulisan yang masuk ke Redaksi,

Jurnal SIMETRI mengalami kevakuman di tahun 2013, bahkan untuk Volume 1 kami hanya dapat menerbitkan2 nomor, yaitu Vol. 1 No. 1 Januari 2012 dan Vol. 1 no. 2 September 2012.

Pada edisi kali ini Redaksi menganggap perlu untuk melakukan beberapa perubahan kebijakan, di antaranyaperubahan perwajahan dan publikasi. Dalam perwajahan, Redaksi berusaha untuk dapat menampilkan bentuksampul yang lebih menarik, sedangkan dalam usaha untuk mempublikasikan Jurnal ini ke khalayak, Redaksitelah mendaftarkannya ke portal GARUDA. Mudah-mudahan dengan berbagai langkah yang diambil ini dapatmeningkatkan kredibilitas Jurnal SIMETRI.

Redaksi

Aturan Penulisan Makalah untuk Jurnal SIMETRI

D emi kelancaran proses pengeditan makalah yang hendak diterbitkan dalam SIMETRI; Jurnal Ilmu FisikaIndonesia, berikut disajikan aturan yang harus dipenuhi bagi para penulis makalah yang telah dinyatakan

layak terbit oleh penyelia:

1. Naskah usulan diketik rapi dengan program pengolah-kata LATEX(TeX) atau Ms. Word (disarankan untukmenggunakan LATEX(TeX) bagi yang sudah familiar). Pada tahap usulan, naskah tidak harus disertaisoft-copy.

2. Bagi pengguna LATEX, telah tersedia makro dalam bentuk file “jsimcls.cls” dan “temlpatejs.tex” yangdapat diunduh di http://jsimetri.wordpress.com

3. Bagi pengguna Ms. Word, naskah usulan harap diketik dengan format berikut:

(a) Ukuran kertas A4, huruf standar (Times New Roman, Arial, atau Courier New) 12 pt, spasi satu,satu kolom, rata kiri (temasuk judul, nama penulis, seksi, dsb.).

(b) Pergantian alinea (paragraf) ditandai dengan kelang satu baris dan kalimat pertamanya menjorok.

(c) Penulisan rumusan (matematis) harus jelas (biasanya menggunakan “equation editor”).

4. Makalah disusun dengan sistematika sebagai berikut:

(a) Judul makalah (huruf besar-kecil)

(b) Nama penulis pertama, penulis ke-dua, dst. (tanpa gelar)

(c) Nama lembaga tempat penulis pertama, ke-dua, dst.

(d) Intisari (maks. 200 kata), Kata kunci (3 - 5 kata) (Bahasa Indonesia)

(e) Abstract (maks. 200 kata), Keywords (3 - 5 kata) (Bahasa Inggris)

(f) E-mail penulis pertama dan atau ke-dua

(g) Tanggal naskah diusulkan

(h) Pendahuluan

(i) Isi makalah, disesuaikan dengan jenis makalah

(j) Simpulan

(k) Ucapan terima kasih (jika ada)

iii

(l) Daftar pustaka, disusun sesuai dengan urutan keluarnya di dalam naskah, bukan berda-sarkan urutan abjad (alfabetik).Contoh penulisan Daftar Pustaka:(untuk acuan buku)Greiner, W., L. Neise, dan H. Stocker, 1995, Thermodynamics and Statistical Mechanics, SpringerVerlag, New York(untuk acuan jurnal)Chaturvedi, S., R.H. McKenzie, P.K. Panigrahi, dan V. Srinivasan, 1997, Equivalence of the GrandCanonical Partition Functions of Particles with Different Statistics, Mod. Phys. Lett. A, vol. 12,hal. 1095-1099

(m) Lampiran (jika ada)

5. Setiap makalah harus disertai biodata singkat, yang berisi Nama, Instansi, Alamat Instansi, AlamatRumah, No. Kontak, Email., Judul Makalah, Jenis Bidang Ilmu (terkait dengan makalah, misalnya FisikaNuklir, Fisika Teori, Nanomaterial, dsb.).

6. Makalah dikirimkan via e-mail ke [email protected] atau dikirim langsung ke:

Redaksi SIMETRI; Jurnal Ilmu Fisika Indonesiad. a. Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriijaya, Jl. Raya Palembang-Prabumulih Km.32 Indralaya,OI, Sumatera Selatan (30662).

iv

v

DAFTAR ISI

ISSN 2301-7112

Jurnal Ilmu Fisika IndonesiaSIMETRIVolume 2 Nomor 1 Januari 2014

Graviton sebagai Kurvirator Geodesik Ruang-waktu

Grasiano Geminus Fau .......................................................................................................... 2101-1

Kajian Jejak Coulomb Static Stress Change dan Lokasi Gempa Bumi Signifikan Daerah Beng-kulu (Periode Tahun 2000 – 2007)

Sabar Ardiansyah ................................................................................................................... 2102-10

Pemanfaatan Sistem Pembangkit Listrik Hybrid (Gabungan Energi Angin dan Energi Surya) sebagai Energi Alternatif di FMIPA UNJ Uuntuk Catu Daya pada Server Jurusan Fisika

H. Permana dan E. Istiqamah .............................................................................................. 2103-15

Studi Pengaruh Penggunaan Grafit sebagai Elektroda Lawan pada DSSC Berbahan Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)

Nurussaniah, Cari, Agus Supriyanto, Risa Suryana, dan Anita Boisandi ..... 2104-23

Aplikasi Automata Gas Kisi untuk Mengestimasi Porositas Efektif dan Permeabilitas yang Menggunakan Penghalang Model Bola dengan Radius Bervariasi

Halauddin ................................................................................................................................... 2105-27

Sintesa dan Pengukuran Berat Jenis serta Kekerasan dari Bahan Na-Beta-Alumina sebagai Elektrolit Padat

Ramlan ......................................................................................................................................... 2106-33

© 2014 SIMETRI

SIMETRI, Jurnal Ilmu Fisika Indonesia Volume 2 Nomor 1 Januari 2014

© 2014 SIMETRI 2101-1

Graviton sebagai Kurvirator Geodesik Ruang-waktu

Grasiano Geminus Fau

Departemen Pendidikan Matematika, STKIP Kusuma Negara Jakarta, Indonesia

Intisari: Dalam artikel ini dikaji mengenai perilaku graviton sebagai kuantum medan interaksi gravitasi, dengan cara memperlihatkan graviton sebagai satu-satunya entitas kuantum yang bertindak memperantarai kurvirasi (pelengkungan) ruang-waktu oleh massa-energi. Kehadiran graviton mengizinkan adanya pemuaian fluks skalar metrik (panjang geode-sik) ruang-waktu yang bergantung pada frekuensi perturbasi ruang-waktu.

Kata Kunci: geodesik, graviton, kurvirasi, kurvirator, metrik

Abstract: In this paper, we have investigated the graviton’s habit as gravitational interaction field quantum, by way to show graviton as the only one quantum entity which acts to mediate space-time curviration by mass-energy. The pres-ence of graviton permits a dilation of space-time metric scalar flux which depends on space-time perturbation frecuency.

Keywords: geodesic, graviton, curviration, curvirator, metric

E-mail: [email protected]; Website: http://www.stkipkusumanegara.ac.id

1 PENDAHULUAN

elativitas Umum memandang medan gravitasi sebagai ruang-waktu yang melengkung sebagai

akibat distribusi massa-energi di dalam ruang-waktu, tetapi Geometrodinamika Kuantum memandang medan gravitasi sebagai propagasi bebas graviton-graviton yang saling dipertukarkan oleh aneka ra-gam massa-energi yang menghuni ruang-waktu[1]. Tampaknya geodesik ruang-waktu dapat dijadikan sebagai sarana yang tepat untuk mempertahankan simetri antara Relativitas Umum dan Geometrodi-namika Kuantum. Dengan menganggap bahwa ke-lengkungan geodesik ruang-waktu hanya mungkin terjadi melalui perantaraan graviton, berarti setiap massa-energi haruslah senantiasa memancarkan dan menyerap graviton-graviton sebagai bentuk tanggapan massa-energi terhadap kehadiran ruang-waktu. Pada gilirannya, setiap graviton ini mengaki-batkan melengkungnya setiap geodesik ruang-waktu sebagai bentuk tanggapan ruang-waktu terhadap kehadiran massa-energi.

Kelengkungan geodesik ruang-waktu tidak ter-jadi begitu saja tanpa adanya besaran eksklusif yang memampukan graviton bertindak sebagai kurvirator (pelengkung) geodesik ruang-waktu. Besaran ini dikatakan eksklusif sebab hanya dapat berharga ti-dak nol pada graviton saja. Interaksi besaran ekslusif ini dengan kuat medan gravitasi tidak nol memam-pukan graviton untuk melengkungkan geodesik ruang-waktu. Permasalahannya kemudian tentu saja mengenai perumusan seperangkat pemikiran ini

menjadi teori fisika yang menempatkan graviton sebagai entitas kuantum yang tidak hanya berpro-pagasi bebas dalam ruang-waktu, tetapi juga berpe-ran aktif menghadirkan kelengkungan pada geo-metri ruang-waktu.

Makalah ini bertujuan memperlihatkan graviton sebagai satu-satunya entitas kuantum yang bertin-dak memperantarai kurvirasi (pelengkungan) ruang-waktu oleh massa-energi. Tanpa perantaraan gra-viton, massa-energi tak punya legalitas kuantum untuk menyebabkan pelengkungan ruang-waktu. Ini berarti, graviton itu sendiri dapat dipahami sebagai unit terkecil massa-energi yang menjadi agen tukar gravitasional sebagai hasil interaksi antara massa-energi dengan ruang-waktu. Penulisan makalah ini juga bertujuan menunjukkan bahwa kehadiran gra-viton itu sendiri mengizinkan adanya pemuaian ku-adrat fluks skalar metrik (panjang geodesik) ruang-waktu, yang bergantung pada frekuensi perturbasi ruang-waktu. Perspektif ini mengindikasikan bahwa penerimaan konsep graviton sebagai kuantum me-dan interaksi gravitasi justru sejalan dengan fakta percepatan pengembangan jagad raya.

2 POSTULAT OPERATOR METRIK INTRINSIK GRAVITON

Sebagai kurvirator geodesik ruang-waktu, graviton haruslah memiliki operator (tensor rank-4 tereduksi) metrik intrinsik yang memenuhi geometri Rieman-nian[2]. Penulis mempostulatkan operator metrik in-trinsik graviton melalui persamaan berikut ini

R

mailto:[email protected]

Fau/Graviton sebagai Kurvirator Geodesik ... SIMETRI Vol. 2 No.1 Jan’14

2101-2

𝔤μμμμ =1

2 diag 1 1 1 1 1 xμμ 2 + yμμ 2 + zμμ 2 + diag 0 −

1

2 1 −

1

2 0 xμμ yμμ + xμμ zμμ + yμμ zμμ (1)

dengan xμμ , yμμ , dan zμμ masing-masing berordo 5 × 5. Dari pers.(1) dapat diperoleh kaitan berikut:

𝔤xx = 𝔤yy = 𝔤zz = diag(1 1 1 1 1) 2

𝔤xy = 𝔤yx = 𝔤xz = 𝔤zx = 𝔤yz = 𝔤zy =1

2 diag(0 −

1

2 1 −

1

2 0) 3

3 komponen operator metrik intrinsik graviton pada pers.(2) masing-masing merupakan turunan parsial orde kedua univariat dari 𝔤μμμμ , sedangkan 6 kom-ponen operator metrik intrinsik graviton pada pers.(3) masing-masing merupakan turunan parsial orde kedua bivariat dari 𝔤μμμμ .

3 PEMBUKTIAN KUANTISASI ARAH MOMENTUM SUDUT SPIN GRAVI-TON

Untuk pembuktian kuantisasi arah momentum sudut spin graviton, digunakan persamaan geometri Rie-mannian vektor (tensor rank-1) momentum sudut spin graviton sebagai berikut

Sμ = Sμμψμ 4

dengan

Sμμ = 𝔤xx Sxμμ 2 + 𝔤yy Syμμ 2 + 𝔤zz Szμμ 2 + 2 𝔤xy Sxμμ Syμμ + 𝔤xz Sxμμ Szμμ + 𝔤yz Syμμ Szμμ 5

Perkalian dalam Euclidean pers.(5) dengan dirinya sendiri membuahkan hasil menarik sebagai berikut

Sμμ 2 = 𝔤xx Sxμμ 2 + 𝔤yy Syμμ 2 + 𝔤zz Szμμ 2 + 2 𝔤xy Sxμμ Syμμ + 𝔤xz Sxμμ Syμμ + 𝔤yz Syμμ Szμμ 6

dengan 𝔤xx = komponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada sumbu X, 𝔤yy = komponen operator me-

trik intrinsik 𝔤μμμμ pada sumbu Y, 𝔤zz = komponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada sumbu Z, 𝔤xy =

komponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada per-mukaan XY, 𝔤xz = komponen operator metrik in-trinsik 𝔤μμμμ pada permukaan XZ, 𝔤yz = komponen

operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada permukaan YZ.

Dengan memperhatikan bilangan kuantum spin graviton, s = 2[3], mencermati ketentuan pers.(6), dan pembatasan keenam komponen operator me-trik intrinsik 𝔤μμμμ pada pers.(2) dan (3), maka defi-nisi ketiga komponen operator momentum sudut spin Sμμ graviton pada pers.(6) hanya benar diru-muskan dalam bentuk

Sxμμ = ℏ opdiag −i 2i 2 − 2i i 7

Syμμ = ℏ opdiag i − 2i 2 2i −i 8

Szμμ = ℏ diag(2 1 0 − 1 − 2) 9

Masing-masing perkalian dalam Euclidean pers.(7) dan (8), (7) dan (9), serta (8) dan (9) ternyata ber-sifat komutatif, sehingga benarlah jika dikatakan bahwa

Sxμμ Syμμ = Syμμ Sxμμ = ℏ2diag(−1 − 2 2 − 2 − 1) 10

Sxμμ Szμμ = Szμμ Sxμμ = Syμμ Szμμ = Szμμ Syμμ = 05×5 11

Selain itu, masing-masing perkalian dalam Eucli-dean kembar pers.(7), (8), dan(9) menghasilkan

Sxμμ 2 = Syμμ 2 = ℏ2 diag(1 2 2 2 1) 12

Szμμ 2 = ℏ2 diag(4 1 0 1 4) 13

Penyubstitusian pers.(2), (3), dan (10) sampai den-gan (13) ke pers. (6) membuahkan hasil

Sμμ 2 = 6ℏ2 diag(1 1 1 1 1) 14

Di sisi lain, Sμμ 2 tetaplah merupakan kuadrat opera-tor nilai eigen yang senantiasa terkuantisasi menurut persamaan

Sμμ 2 = s s + 1 ℏ2 diag 1 1 1 1 1 15

sehingga diperoleh kaitan

s s + 1 = 6 16

yang wajib memenuhi syarat batas s ≥ 0, sehingga satu-satunya penyelesaian pers.(27) yang kompati-bel dengan syarat batas tersebut hanyalah

s = 2 17


2101-3

Hasil dari pers.(17) mengisyaratkan bahwa bi-langan kuantum spin s = 2 untuk graviton bukan sekadar postulat, melainkan kenyataan yang dapat dibuktikan benar jika graviton kelak ditemukan.

Perhatikan kembali pers.(15). Dengan menarik akar kuadrat dari kedua ruas pers. 15 , maka dipe-rolehlah operator nilai eigen berikut ini

Sμμ = 6ℏ diag(1 1 1 1 1) 18

Dari kaitan (18) dan (4) diperoleh

Sμ = 6ℏ diag(1 1 1 1 1)ψμ 19

dengan

ψμ =

sin 2μ μ−2 πsin 2μ μ−4 +3πsin 2μ μ−6 +8πsin 2μ μ−8 +15πsin 2μ μ−10 +24π

. 20

dengan μ = 1, 2, 3, 4, 5.

Serupa dengan pers.(19), maka perkalian dalam masing-masing kedua ruas pers.(7), (8), dan (9) dengan vektor fungsi eigen ψμ dari kanan mengha-

silkan

Sxμ = ℏ opdiag −i 2i 2 − 2i i ψμ 21

Syμ = ℏ opdiag i − 2i 2 2i −i ψμ 22

Szμ = ℏ diag 2 1 0 −1 −2 ψμ 23

Inversi pers.(19) memberikan hasil

Sμ−1 =ψμ−1

6ℏdiag 1 1 1 1 1 24

dengan

ψμ−1 =

2 sin 2μ μ−2 π sin 2μ μ−4 +3π sin 2μ μ−6 +8π sin 2μ μ−8 +15π sin 2μ μ−10 +24π

5 − cos 2 μ−1 2π + cos 2 μ−2 2

π + cos 2 μ−3 2π + cos 2 μ−4 2

π + cos 2 μ−5 2π

25

Kalikan masing-masing kedua ruas pers.(21), (22), dan (23) dengan pers.(24) dari kiri, maka−dengan memanfaatkan goniometri Riemann−didapatkan

Sμ−1Sxμ =ψμ

−1

3opdiag −

i

2i 1 −i

i

2 ψμ

= ψμ−1 sin θμμ

z cos ϕμμx

2ψz

μμμμ 2−

1

6diag 0

1

21

1

20 ψμμ

x 2ψμ 26

Sμ−1Syμ =ψμ

−1

3opdiag

i

2−i 1 i −

i

2 ψμ

= ψμ−1 sin θμμ

z cos ϕμμy

2ψz

μμμμ 2−

1

6diag 0

1

21

1

20 ψμμ

y 2ψμ 27

Sμ−1Szμ =ψμ

−1

3diag 2

1

20 −

1

2− 2 ψμ = ψμ

−1 cos θμμz ψμμψμ 28

di mana operator fungsi eigen ψzμμμμ

, ψμμ , dan dua lainnya diberikan oleh

ψzμμμμ

= ψμμ = ψμμx = ψμμ

y= diag 1 1 1 1 1 29

Transposisi pers.(20) memberikan hasil

ψμ† = sin 2μ μ−2 π sin 2μ μ−4 +3π sin 2μ μ−6 +8π sin 2μ μ−8 +15π sin 2μ μ−10 +24π 30

Kalikan kedua ruas terakhir pers.(28) dengan pers.(30) dari kiri, maka−dengan mengikutsertakan pers.(29) ke dalamnya−kita dapatkan

cos θμz =

ψμ†

3diag 2

1

20 −

1

2− 2 31

sebagai ekspresi vektor cosinus sudut dari berbagai kemungkinan arah momentum sudut spin graviton


2101-4

(relatif terhadap arah Z positif yang didefinisikan sebagai arah tuju kuat medan gravitasi) yang cosi-nus sudutnya terkuantisasi menurut pembatasan

ms

s s+1 dengan memuat ms = s, s − 1, 0, − s + 1, −s =

2, 1, 0, −1, −2. Dengan demikian, terbuktilah sudah kuantisasi arah momentum sudut spin graviton ter-hadap arah tuju kuat medan gravitasi.

4 KETIDAKNOLAN MOMEN GRAVI-TOMETRIK GRAVITON SEBAGAI ASAL KEMAMPUAN GRAVITON MELENGKUNGKAN GEODESIK RUANG-WAKTU

Dalam mengawali pembahasan ini, penulis perlu terlebih dahulu memperkenalkan besaran vektor baru bernama momen gravitometrik yang dinotasi-kan dengan ζμ . Momen gravitometrik didefinsikan sebagai kapasitas suatu entitas kuantum untuk me-lengkungkan geodesik ruang-waktu pada setiap titik yang dilingkupi oleh medan gravitasi. Besaran vek-tor baru ini berkaitan erat dengan momentum sudut spin entitas kuantum melalui hubungan persamaan

ζμ =φ

cSμ 32

di mana c = 299792458 m/s dan φ = koefisien gra-vitometrik, bernilai ≠ 0 hanya pada graviton, tetapi selalu = 0 pada selain graviton.

Ketidaknolan nilai φ graviton jelas berakibat langsung pada ketidaknolan momen gravitometrik-nya, sebab momentum sudut spin graviton senantia-sa memenuhi hubungan

Sμ = 6ℏ


≠

00000

33

Nilai φ graviton tidak boleh diterka secara langsung jika kita menghendaki pemerolehan nilai φ graviton melalui mekanisme matematis yang terpertang-gungjawabkan kebenarannya.

Guna menjawab tantangan yang tersebut, penu-lis tertarik untuk mengambil analogi pers.(4) dan (5) dalam menentukan momen gravitometrik graviton, sehingga diperoleh

ζμ = 𝔤xx ζxμμ 2 + 𝔤yy ζ

yμμ 2 + 𝔤zz ζzμμ 2 + 2 𝔤xy ζ

xμμ ζyμμ + 𝔤xz ζxμμ ζzμμ + 𝔤yz ζ

yμμ ζzμμ ψμ 34

Oleh karena vektor ζμ sebenarnya merupakan hasil perkalian dalam Euclidean antara operator ζμμ di

sisi kiri dengan vektor fungsi eigen ψμ di sisi kanan,

maka pers.(34) dapat dituliskan kembali sebagai

ζμμψμ = 𝔤xx ζxμμ 2 + 𝔤yy ζ



yμμ ζzμμ ψμ 35

Penyederhanaan lebih lanjut menyebabkan pers.-(35) dapat dituliskan menjadi

ζμμ = 𝔤xx ζxμμ 2 + 𝔤yy ζ



yμμ ζzμμ 36

Perkalian dalam Euclidean pers.(36) dengan dirinya sendiri membuahkan hasil menarik sebagai berikut

ζμμ = 𝔤xx ζxμμ 2 + 𝔤yy ζ



yμμ ζzμμ 37

dengan 𝔤xx = komponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada sumbu X, 𝔤yy = komponen operator me-

trik intrinsik 𝔤μμμμ pada sumbu Y, 𝔤zz = komponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada sumbu Z, 𝔤xy =

komponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada per-mukaan XY, 𝔤xz = komponen operator metrik in-trinsik 𝔤μμμμ pada permukaan XZ, dan 𝔤yz = kom-

ponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada permu-kaan YZ.

Keenam komponen operator metrik intrinsik 𝔤μμμμ pada pers.(37) terbagi ke dalam dua definisi besar, yakni 𝔤xx = 𝔤yy = 𝔤zz persis pers.(2) dan

𝔤xy = 𝔤xz = 𝔤yz persis pers.(3). Melalui serangkaian

pembatasan yang demikian ini, maka perumusan ketiga komponen operator momen gravitometrik


2101-5

graviton yang kompatibel dengan pers.(32) tam-paknya dipenuhi oleh rangkaian tiga postulat beri-

kut ini

ζxμμ = π cosπ

2 2+N η |sη+1+1

ℶη+1+1= 2s+1 η ,ηϵℤ

− sinπ

2 2+N η |sη+1+1

ℶη+1+1= 2s+1 η ,ηϵℤ

ℏ

copdiag −i 2i 2 − 2i i (38)

ζyμμ = π cosπ

2 2+N η |sη+1+1

ℶη+1+1= 2s+1 η ,ηϵℤ

− sinπ

2 2+N η |sη+1+1

ℶη+1+1= 2s+1 η ,ηϵℤ

ℏ

copdiag i − 2i 2 2i −i 39

ζzμμ = π cosπ

2 2+N η |sη+1+1

ℶη+1+1= 2s+1 η ,ηϵℤ

− sinπ

2 2+N η |sη+1+1

ℶη+1+1= 2s+1 η ,ηϵℤ

ℏ

cdiag 2 1 0 −1 −2 40

di mana N η|sη+1+1

ℶη+1+1= 2s + 1 η , ηϵℤ = banyaknya

nilai η bulat yang masing-masing memenuhi persa-

maan sη+1+1

ℶη+1+1= 2s + 1 η [5], dengan s = bilangan

kuantum spin dan ℶ = bilangan kuantum massa di-

am = m0e73 G

ℏc . Di sini, m0 = massa diam dan

G =25479

11992π × 10−11 Nm2/kg2, dan

e = 2,7182818284590452353602874713527 … .

Hanya jika graviton ber-s = 2 dan ber-ℶ = 0 sajalah

yang menjadikan sη+1+1

ℶη+1+1= 2s + 1 η mempunyai

penyelesaian bulat karena

2η+1 + 1

0η+1 + 1= 2 2 + 1 η 41

dapat dipenuhi oleh satu-satunya η bulat yang se-suai, yaitu η = 1, yang berarti bahwa graviton mem-punyai

N η|sη+1 + 1

ℶη+1 + 1= 2s + 1 η , ηϵℤ = 1 42

Penyubstitusian pers.(42) ke pers.(38), (39), dan (40) memberikan

ζxμμ =

π

2 3 − 1

ℏ

copdiag −i 2i 2 − 2i i 43

ζyμμ =

π

2 3 − 1

ℏ

copdiag i − 2i 2 2i −i 44

ζzμμ = π

2 3 − 1

ℏ

cdiag 2 1 0 −1 −2 45

Masing-masing perkalian dalam Euclidean pers.(43) dan (44), (43) dan (45), serta (44) dan (45) ternyata bersifat komutatif, sehingga benarlah jika dikatakan bahwa

ζxμμ ζyμμ = ζyμμ ζxμμ =π

2 3 − 1

ℏ2

c2diag −1 −2 2 −2 −1 46

ζxμμ ζzμμ = ζzμμ ζxμμ =π

2 3 − 1

ℏ2

c205×5 47

ζyμμ ζzμμ = ζzμμ ζyμμ =π

2 3 − 1

ℏ2

c205×5 48

Selain itu, masing-masing perkalian dalam Eucli-dean kembar pers.(43), (44), dan (45) menghasilkan

ζxμμ 2 =π

2 3 − 1

ℏ2

c2diag 1 2 2 2 1 49

ζyμμ 2 =π

2 3 − 1

ℏ2

c2diag 1 2 2 2 1 50

ζzμμ 2 =π

2 3 − 1

ℏ2

c2diag 1 4 0 4 1 51

Penyubstitusian pers.(2), (3), dan (46) sampai de-ngan (51) ke pers.(37) memberikan

ζμμ 2 = 3π 3 − 1 ℏ2

c2diag 1 1 1 1 1 52

Dengan menarik akar kuadrat dari kedua ruas pers.(52), maka didapatkanlah hasil sebagai berikut

ζμμ = 3π 3 − 1 ℏ

cdiag 1 1 1 1 1 53

Kalikan kedua ruas pers.(53) dengan vektor fungsi eigen ψμ dari kanan, sehingga diperoleh

ζμ = 3π 3 − 1 ℏ

cdiag 1 1 1 1 1 ψμ 54

di mana

ψμ =


55

dengan μ = 1, 2, 3, 4, 5.


2101-6

Perhatikan kembali pers.(19) dan (54). Substitu-sikan kedua persamaan yang dimaksud ke pers.(32),

sehingga didapatkan

3π 3 − 1 ℏ

cdiag 1 1 1 1 1 =

φ

c 6ℏ diag 1 1 1 1 1 56

Dengan mencermati pers.(56) secara saksama, sa-ngat mudah bagi kita untuk memperoleh bahwa

φ = π

2 3 − 1 57

Dengan demikian, pers.(32) memberi graviton hu-bungan persamaan

ζμ =1

c π

2 3 − 1 Sμ 58

antara momen gravitometriknya dengan momen-tum sudut spinnya.

Serupa dengan pers.(54), perkalian dalam Eucli-dean masing-masing kedua ruas pers.(43), (44), dan (45) dengan vektor fungsi eigen ψμ dari kanan dibe-

rikan oleh

ζxμ

= π

2 3 − 1

ℏ

copdiag −i 2i 2 − 2i i ψμ 59

ζyμ

= π

2 3 − 1

ℏ

copdiag i − 2i 2 2i −i ψμ 60

Inversi pers. 54 memberikan hasil

ζzμ = π

2 3 − 1

ℏ

cdiag 2 1 0 −1 −2 ψμ 61

ζμ−1 =ψμ

−1

3π 3 − 1

c

ℏdiag 1 1 1 1 1 62

di mana

ψμ−1 =

2 sin 2μ μ−2 π sin 2μ μ−4 +3π sin 2μ μ−6 +8π sin 2μ μ−8 +15π sin 2μ μ−10 +24π

5 − cos 2 μ−1 2π + cos 2 μ−2 2

π + cos 2 μ−3 2π + cos 2 μ−4 2

π + cos 2 μ−5 2π

63

Kalikan masing-masing kedua ruas pers.(59), (60), dan (61) dengan pers.(62) dari kiri, maka−dengan memanfaatkan goniometri Riemannian−diperoleh

ζμ−1ζxμ =ψμ

−1

3opdiag −

i

2i 1 −i

i

2 ψμ

= ψμ−1 sin θμ

z cos ϕμx

2ψz

μμμμ 2−

1

6diag 0

1

21

1

20 ψμμ

x 2ψμ 64

ζμ−1ζyμ =ψμ

−1

3opdiag

i

2−i 1 i −

i

2 ψμ

= ψμ−1 sin θμ

z cos ϕμy

2ψz

μμμμ 2−

1

6diag 0

1

21

1

20 ψμμ

y 2ψμ 65

ζμ−1ζzμ =ψμ

−1

3diag 2

1

20 −

1

2− 2 ψμ = ψμ

−1 cos θμμz ψμμψμ 66

dengan operator fungsi eigen ψzμμμμ

, ψμμ , dan dua lainnya diberikan oleh

ψzμμμμ

= ψμμ = ψμμx = ψμμ

y

= diag 1 1 1 1 1 67

Transposisi pers.(55) memberikan hasil

ψμ† = sin 2μ μ−2 π sin 2μ μ−4 +3π sin 2μ μ−6 +8π sin 2μ μ−8 +15π sin 2μ μ−10 +24π 68

Kalikan kedua ruas terakhir pers.(66) dengan pers.(68) dari kiri, maka−dengan mengikutsertakan pers.(67) ke dalamnya−kita dapatkan

cos θμz =

ψμ†

3diag 2

1

20 −

1

2− 2 69


2101-7

sebagai ekspresi vektor cosinus sudut dari berbagai kemungkinan arah momen gravitometrik graviton (relatif terhadap arah tuju kuat medan gravitasi), yang cosinus sudutnya terkuantisasi menurut pem-

batasan ms

s s+1 , di mana memuat ms = s, s −

1, 0, −s + 1, −s = 2, 1, 0, −1, −2. Tampak jelas bahwa kuantisasi arah momen gravitometrik graviton da-lam pers.(69) tepat sama dengan kuantisasi arah momentum sudut spin graviton dalam pers.(31).

Sekarang, ditinjau interaksi antara momen gra-vitometrik graviton dengan kuat medan gravitasi tidak nol. Ketidaknolan momen gravitometrik gravi-ton menyebabkan interaksi ini menghadirkan energi potensial gravitometrik graviton, yakni ukuran ke-mampuan potensial sebuah graviton dalam me-lengkungkan geodesik ruang-waktu. Energi poten-sial gravitometrik dirumuskan menurut persamaan

Vζ =

𝔤zz

1 +Ghe38

2πc7 gμgμ

gμζzμ 70

dengan

gμ = ψμ†gμμ = gψμ

†diag 1 1 1 1 1 = gψμ† 71

dan

gμ = gμμ ψμ = g diag 1 1 1 1 1 ψμ = gψμ 72

di mana gμμ = operator kovarian kuat medan gravi-

tasi tidak nol, gμμ = operator kontravarian kuat me-dan gravitasi tidak nol, dan g = skalar (tensor rank-0 = norma vektor) kuat medan gravitasi tidak nol.

Perkalian dalam Euclidean antara pers.(71) di sisi kiri dengan pers.(72) di sisi kanan memberikan

gμgμ =1

2g2 5 − cos 2 μ−1 2

π + cos 2 μ−2 2π + cos 2 μ−3 2

π + cos 2 μ−4 2π + cos 2 μ−5 2

π 73

Dikarenakan untuk setiap μ yang diperbolehkan, yakni setiap μ dalam himpunan 5 suku pertama bi-langan asli, kita senantiasa mendapatkan

cos 2 μ−1 2π + cos 2 μ−2 2

π + cos 2 μ−3 2π + cos 2 μ−4 2

π + cos 2 μ−5 2π = 3 74

Maka dari itu, dengan menyubstitusikan pers.(74) ke pers.(73), kita sudah pasti memperoleh

gμgμ = g2 75

Substitusikan pers.(2), (61), (71), dan (75) ke pers.(70) guna mendapatkan

Vζ = 3−1

2π+Gh e 38

c7 g2

gh

2c cos 2 μ−5 2

π − cos 2 μ−1 2π +

1

2 cos 2 μ−4 2

π − cos 2 μ−2 2π 76

Oleh karena energi diam graviton = 0, maka energi kinetik graviton tiada lain berupa energi total nondireksional graviton itu sendiri, yang berarti bahwa

Kfg = hf 77

dengan f = frekuensi propagasi dwipulsa fungsi ge-lombang graviton.

Dengan demikian, energi mekanik gravitometrik graviton, yakni ukuran kemampuan mekanik sebuah graviton dalam melengkungkan geodesik ruang-waktu, merupakan jumlah aljabar pers.(76) dan (77) yang diberikan oleh

Eζ = h

f + 3 − 1

2π +Ghe38

c7 g2

gh

2c cos 2 μ−5 2

π − cos 2 μ−1 2π +

1

2 cos 2 μ−4 2

π − cos 2 μ−2 2π

78

Tidak terdapat alasan mengapa ruas kiri pers.(78) tak dapat dikatakan juga sebagai energi total direk-sional graviton. Ini berarti bahwa kita dapat me-

nganggap ruas kiri pers.(78) terkait erat dengan fζ

yang adalah frekuensi direksional propagasi dwipulsa fungsi gelombang graviton, sehingga berlaku


2101-8

fζ = h

f + 3 − 1

2π +Ghe38

c7 g2

gh

2c cos 2 μ−5 2

π − cos 2 μ−1 2π +

1

2 cos 2 μ−4 2

π − cos 2 μ−2 2π

79

Dengan cara membagi kedua ruas pers.(79) dengan h, maka kita mendapatkan

fζ = f + 3 − 1

2π +Ghe38

c7 g2

gh

2c cos 2 μ−5 2

π − cos 2 μ−1 2π +

1

2 cos 2 μ−4 2

π − cos 2 μ−2 2π 80

Dari pers.(79), kita dapat mengkonstruksi per-samaan energi perturbasi ruang-waktu yang dieks-presikan sebagai

Ecomp = Ncompζν

Eζν

5,n

μ=1,ν=1

81

di mana Ncompζν

= banyaknya graviton berkeadaan

komposit μ, ν , dan Eζν = energi total direksional

graviton berkeadaan komposit μ, ν , dengan ν tak bergantung pada μ [6].

Energi perturbasi ruang-waktu bergantung pada komposisi varian graviton berkeadaan komposit μ, ν berbeda dalam grup graviton yang menghuni volume ruang tertentu pada satu waktu tertentu. Bilamana graviton-gravitonnya berenergi semu, maka energi perturbasi ruang-waktu yang terkait disebut juga energi bayangan gravitasi. Apabila gra-viton-gravitonnya berenergi nyata, maka energi per-turbasi ruang-waktu yang terkait disebut juga energi gelombang gravitasi.

Oleh karena perturbasi (gangguan) ruang-waktu lebih mudah dipahami melalui frekuensinya, berarti ruas kiri pers.(81) dapat dirumuskan sebagai

Ecomp = hfcomp ψζ−1Ncomp

ζνψζζν

comp

5,n

μ=1,ν=1

82

dengan comp merupakan singkatan dari composite (komposit), dan

ψζζνcomp

=


83

untuk setiap ν, dan ψζ−1 = ψμ

−1 seperti yang teru-

muskan dalam pers. 63 .

Substitusikan pers.(82) dan modifikasi pers.(78) ke pers.(81), sehingga perumusan frekuensi pertur-basi ruang-waktu diberikan oleh persamaan

fcomp =

Ncompζν

fν+ 3−1

2π+Gh e 38

c7 g2

gν h2c cos 2 μ−5 2

π−cos 2 μ−1 2π+

1

2 cos 2 μ−4 2

π−cos 2 μ−2 2π

5,nμ=1,ν=1

ψζ−1Ncomp

ζν5,nμ=1,ν=1 ψ

ζζνcomp 84

Apabila graviton-gravitonnya berenergi semu, maka frekuensi perturbasi ruang-waktu dikatakan pula sebagai frekuensi bayangan gravitasi. Bilamana gra-viton-gravitonnya berenergi nyata, maka frekuensi perturbasi ruang-waktu dikatakan pula sebagai fre-kuensi gelombang gravitasi.

5 PEMUAIAN KUADRAT FLUKS SKA-LAR METRIK RUANG-WAKTU

Kuadrat fluks skalar metrik ruang-waktu didefinisikan sebagai kuadrat dari skalar metrik (diferensial pan-jang kontraktif lintasan ruang-waktu) per diferensial

waktu dilatif. Pemuaian kuadrat fluks skalar metrik ruang-waktu bergantung kepada kuadrat frekuensi perturbasi ruang-waktu, yang secara kuantitatif di-rumuskan melalui pertidaksamaan

d𝔰

dt

2

t1

t2

≥4π2

c2e24

d𝔰

dt

tυ

22

υ=1

fcomp2dt2

t2

t1

85

Substitusikan pers.(84) ke pertidaksamaan (85) un-tuk memperoleh


2101-9

d𝔰

dt

2

t1

t2

≥4π2

c2e24 d𝔰

dt

tυ

22

υ=1

Ncomp

ζν fν +

3−1

2π+Gh e38

c7 g 2

gνh2c

cos 2 μ−υ 2π

1

5+ 1

2 cos 2 μ−υ 2

π 2

4 5,n

μ=1,ν=1

ψζ−1Ncomp

ζνψζζν

comp5,nμ=1,ν=1

2

dt2

t2

t1

86

di mana t2 > t1.

Karena sebenarnya d𝔰

dt

2

∝ v 2 [7], maka pe-

muaian d𝔰

dt

2

mengakibatkan peningkatan v 2 bagi

setiap massa-energi dalam ruang-waktu. Mengingat bahwa massa-energi dan ruang-waktu tidak terpi-sahkan satu sama lain, berarti peningkatan yang te-rakhir disebutkan tadi menunjukkan bahwa perti-daksamaan 97 mengindikasikan bahwa jagad raya mengembang dipercepat. Tampak jelas sekarang bahwa kehadiran frekuensi perturbasi ruang-waktu ternyata berfungsi meniadakan terwujudnya perlam-batan pengembangan jagad raya akibat interaksi gravitasional antarberbagai massa-energi dalam ruang-waktu jagad raya. Dengan perkataan lain, kehadiran kerumunan graviton tidak hanya berpe-ran memperantarai interaksi gravitasi dan meleng-kungkan ruang-waktu, tetapi juga memungkinkan terwujudnya percepatan pengembangan jagad raya.

6 KESIMPULAN

Penulis menyimpulkan bahwa graviton meleng-kungkan geodesik ruang-waktu melalui interaksi vektorial antara dengan momen gravitometrik de-ngan kuat medan gravitasi. Melengkungnya geo-desik ruang-waktu dimungkinkan melalui adanya energi potensial gravitometrik graviton yang ter-bentuk dari interaksi vektorial yang bersangkutan, dan bersama-sama dengan energi kinetik graviton membentuk energi total direksional graviton. Kua-drat frekuensi yang terkait dengan energi perturbasi ruang-waktu (himpunan energi total direksional graviton) mengizinkan memuainya kuadrat fluks metrik ruang-waktu, mengindikasikan dipercepatnya pengembangan jagad raya. Ini berarti, energi gelap dan materi gelap bukan lagi sebab-sebab elementer melainkan sebab-sebab suplementer, yang meleng-kapi kerumunan graviton, bagi terwujudnya perce-patan pengembangan jagad raya. Akan sangat me-narik jika para eksperimenter kuantum relativistik, astrofisikawan, dan kosmolog relativistik melakukan pengujian serius terhadap teori baru yang penulis usulkan melalui makalah fisika teori ini, dan menelu-suri berbagai konsekuensi fisis yang timbul kemu-dian, termasuk mengenai eksistensi graviton.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan puji syukur dan terima kasih tiada terhingga kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kepenolongan-Nya terhadap penulis selama penuli-san makalah fisika teori yang demikian menyita fo-kus, energi, dan waktu yang tidak sedikit ini. Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya juga penulis tu-jukan kepada Ibu Astuti, Bapak Sugeng, dan Bapak Made atas segala hal bermutu yang mereka telah teladankan kepada penulis semasa SMU dulu. Tak lupa pula penulis ucapkan terima kasih kepada Ba-pak Akhmad Aminuddin Bama, terkait anjurannya terhadap penulis untuk menulis ulang makalah fisika teori terdahulu secara lebih lengkap, sehingga kini dapat terwujud dalam bentuk makalah fisika teori baru yang lebih komprehensif.

REFERENSI [1] Anugraha NQZ, Rinto, 2005, Pengantar Teori Relativi-

tas dan Kosmologi, Gadjah Mada University Press, Yo-gyakarta

[2] Wospakrik, Hans J., 1987, Berkenalan dengan Teori kerelatifan umum Einstein dan biografi Albert Einstein, Penerbit ITB, Bandung

[3] Wospakrik, Hans J., 2005, Dari Atomos Hingga Quark, Penerbit Universitas Atma Jaya (UAJ) dan Kepusta-kaan Populer Gramedia (KPG), Jakarta

[4] Rachmantio, Honorius, 2004, Pengantar Material Sains I: Buku Atom – Molekul – Padat, Penerbit Tabernake-lindo, Yogyakarta

[5] Howard, Anton, 2000, Dasar-Dasar Aljabar Linear, Terjemahan Indonesia Edisi 7 Jilid 2, Interaksara, Ba-tam

[6] Tjia, M.O., 1999, Mekanika Kuantum, Penerbit ITB, Bandung

[7] Anugraha NQZ, Rinto, 2005, Pengantar Teori Relativi-tas dan Kosmologi, Gadjah Mada University Press, Yo-gyakarta

LAMPIRAN

Pers. 26 , 27 , dan 28 dikonstruksi secara siste-matis dengan tidak melanggar aturan goniometri Riemannian momentum sudut spin, yang berbentuk


© 2014 SIMETRI 2102-10

𝔤xx Sxμμ 2 + 𝔤xy Syμμ + 𝔤xz Szμμ Sxμμ ψμμx 2ψμ = sin θμμ

z cos ϕμμx ψz

μμμμSμ 87

𝔤yy Syμμ 2 + 𝔤xy Sxμμ + 𝔤yz Szμμ Syμμ ψμμy 2

ψμ = sin θμμz cos ϕμμ

y ψz

μμμμSμ 88

𝔤zz Szμμ 2 + 𝔤xz Sxμμ + 𝔤yz Syμμ Szμμ ψμμz 2ψμ = cos θμμ

z ψμμ Sμ 89

dengan ψμμz = diag 1 1 1 1 1 . Pers. 64 , 65 , dan 66 dikonstruksi secara sis-

tematis dengan tidak melanggar aturan goniometri Riemannian momen gravitometrik, yang berbentuk

𝔤xx ζxμμ 2 + 𝔤xy ζ

yμμ + 𝔤xz ζzμμ ζxμμ ψμμ

x 2ψμ = sin θμμz cos ϕμμ

x ψzμμμμ

ζμ 90

𝔤yy ζyμμ 2 + 𝔤xy ζ

xμμ + 𝔤yz ζzμμ ζyμμ ψμμ

y 2ψμ = sin θμμ

z cos ϕμμy

ψzμμμμ

ζμ 91

𝔤zz ζzμμ 2 + 𝔤xz ζ

xμμ + 𝔤yz ζyμμ ζzμμ ψμμ

z 2ψμ = cos θμμz ψμμ ζμ 92

dengan ψμμz = diag 1 1 1 1 1

Kajian Jejak Coulomb Static Stress Change dan Lokasi Gempa Bumi Signifikan Daerah Bengkulu (Periode Tahun 2000 – 2007)

Sabar Ardiansyah

Badan Meteorologi, Klimatologi, dan Geofisisika Kepahiang. Jl.Pembangunan No.156 Pasar ujung, Kepahiang-Bengkulu.39172

Intisari: Pada kasus gempabumi di daerah Bengkulu, terindikasi kuat ada hubungan antara perubahan stress coulomb positif terhadap kejadian gempabumi terdekat selanjutnya.

Dari analisa perubahan stress coulomb didapat bahwa setelah gempabumi 7.9 Mw pada tanggal 4 Juni 2000, memben-tuk pola peningkatan stress positif berharga 0,2 hingga 1.0 bar berarah timur laut – barat daya dan berarah timur-barat dari episenter. Salah satu daerah pola peningkatan stress positif ini kelak menjadi episenter bagi gempabumi besar berke-kuatan 8.5 Mw pada tanggal 12 September 2007.

Selanjutnya setelah terjadi gempabumi 8.5 Mw, terbentuk dua pola stress coulomb positif baru berarah timur laut-barat daya dan berarah barat laut-tenggara. Daerah barat laut yang merupakan daerah peningkatan stress positif berharga 0.8 hingga 1.0 bar ini kelak menjadi episenter gempa berkekuatan 7.9 Mw pada tanggal 13 September 2007.

Kata Kunci: Coulomb Stress Change, Episenter.

E-Mail : [email protected]

1 PENDAHULUAN

engkulu merupakan daerah seismik aktif dan potensi bencana kegempaan yang cukup tinggi.

Dari catatan gempa data katalog WinITDB dan USGS tahun 1970-2011 diperoleh 583 gempa den-gan magnitudo antara 3,6-8,5 SR. Sejarah kegem-paan mencatat gempabumi merusak yang terjadi di

daerah Bengkulu yaitu pada tahun 1914, 1979, 1991, 1997, 2000 dan 2007.

Dilihat dari kondisi tektonik, Bengkulu berada di antara dua lempeng utama yaitu lempeng utama Samudera Hindia dan lempeng Eurasia. Lempeng samudera Hindia bergerak menyusup dengan kece-patan berkisar 77 mm/tahun menuju lempeng Eura-sia. Selain itu daerah Bengkulu juga dilalui oleh

B


Ardiansyah/Kajian Jejak Coulomb Static ... SIMETRI Vol. 2 No.1 Jan’14

2102-11

patahan Semangko yang memanjang dari daerah Aceh sampai ke Teluk Semangko di Lampung.

Melihat history kegempaan yang aktif dan potensi kegempaan yang cukup tinggi ini, maka daerah Bengkulu dan sekitarnya perlu mendapat perhatian mendalam serta mengadakan penelitian intensif dalam hal kegempaan oleh semua pihak. Melalui tulisan ini, penulis mencoba menganalisa hubungan antara Coulomb Stress Change terhadap lokasi gempabumi signifikan yang terjadi di Bengkulu dan sekitarnya periode tahun 2000 hingga 2007.

2 TEORI KEGEMPAAN (ELASTIC RE-BOUND THEORY)

Gempabumi merupakan salah satu akibat dari pergerakan lempeng yang ada di dalam bumi, dimana pergerakannya saling mengalami pertabrakan. Sehingga pada suatu saat tertentu akan menimbulkan adanya lipatan dan setelah melewati batas elastisitas maka akan terjadi patahan, pada saat patahan itu terjadi maka gempabumi itu akan terjadi. Bentuk energi yang dilepaskan saat terjadinya gempabumi antara lain adalah energi deformasi dan gelombang.

Energi deformasi dapat dilihat pada perubahan bentuk volume sesudah terjadinya gempa bumi, seperti misalnya tanah naik, tanah turun, pergeseran batuan, dan lain-lain. Sedangkan energi gelombang akan menggetarkan medium elastis disekitarnya dan akan menjalar ke segala arah. Gelombang yang dipancarkan oleh gempa tektonik tersebut akan menjalar keseluruh penjuru, tidak hanya melewati permukaan bumi melainkan juga melalui bagian bumi bagian dalam dan bahkan seringkali gelombang tersebut melewati inti bumi sebelum ditangkap oleh suatu stasiun pencatat gempa.

Gambar 2.1 Mekanisme gempabumi yang menjadi

sumber gempa tektonik. Garis tebal vertikal menunjukan pecahan atau sesar pada bagian bumi yang padat.

Pada keadaan I menunjukan suatu lapisan yang belum terjadi perubahan bentuk geologi. Karena di dalam bumi terjadi gerakan yang terus-menerus, maka akan terdapat stress yang lama kelamaan akan terakumulasi dan mampu merubah bentuk geologi dari lapisan batuan.

Keadaan II menunjukan suatu lapisan batuan telah mendapat dan mengandung stress dimana telah terjadi perubahan bentuk geologi. Untuk daerah A mendapat stress ke atas, sedang daerah B mendapat stress ke bawah. Proses ini berjalan terus sampai stress yang terjadi ( dikandung ) di daerah ini cukup besar untuk merubahnya menjadi gesekan antara daerah A dan daerah B. Lama kelamaan karena lapisan batuan sudah tidak mampu lagi untuk menahan stress, maka akan terjadi suatu pergerakan atau perpindahan yang tiba-tiba sehingga terjadilah patahan. Peristiwa pergerakan secara tiba-tiba ini disebut gempabumi.

Pada keadaan III menunjukan lapisan batuan yang sudah patah, karena adanya pergerakan yang tiba-tiba dari batuan tersebut. Gerakan perlahan-lahan sesar ini akan berjalan terus, sehingga seluruh proses diatas akan diulangi lagi dan sebuah gempa akan terjadi lagi setelah beberapa waktu lamanya, demikian seterusnya. Teori Reid ini dikenal dengan nama “Elastic Rebound Theory”.

3 DATA DAN METODE

3.1 Data Penelitian

Data yang dipakai pada penulisan paper ini meng-gunkan data katalog Global CMT yang diambil dari website United State Geologi Survey (USGS). Data input untuk perubahan Stress Coulomb Change di-gunakan data gempabumi pada tanggal 4 Juni 2000 berkuatan 7.9 Mw, gempabumi 12 dan 13 Septem-ber 2007 berkekuatan 8.5 Mw dan 7.9 Mw. Sedang-kan rentang wilayah penelitian berada pada 1.0 LS–7.0 LS dan 96 BT–106 BT.

No Tanggal Lintang Bujur Magnitudo

(Mw)

1 4 Juni 2000 4.72 LS 102.047 BT 7.9

2 12 September 2007

4.52 LS 101.373 BT 8.5

3 13 September 2007

2.506 LS 100.906 BT 7.9

Tabel 3.1 Data Gempa input untuk perhitungan Stress Coulomb Change

3.2 Kriteria Pembebanan Stress Coulomb

Asumsikan model friksi coulomb sederhana (simple coulomb friction model) untuk gempabumi, slip po-tensial akan meningkat atau menurun pada Cou-lomb failure stress, yang didefinisikan sebagai :

𝜎ƒ = 𝜏𝛽 − 𝜇(𝜎𝛽 − 𝑃) (1)

Dimana 𝜎ƒ adalah Coulomb failure, 𝜏𝛽 adalah shear stress, 𝜎𝛽 adalah normal stress, P adalah tekanan


2102-12

pori (pore fliud pressure) dan 𝜇 adalah koefisien frik-si. slip potensial mengarah kekanan atau kekiri. Ni-lai dari 𝜎 dalam hal ini harus selalu positif, namun sebaliknya proses yang berlangsung dalam mencari nilai stress ke patahan dapat diberikan nilai positif maupun negatif bergantung pada slip potensial mengarah ke kanan atau ke kiri. Dalam bidang pa-tahan orientasi 𝛽 kesudut 𝜎1 kita dapat menyebut komponen stress yang ditunjukkan untuknya seba-gai stress utama.

𝜎𝛽 =1

2 𝜎1 + 𝜎3 −

1

2 𝜎1 − 𝜎3 cos2𝛽 (2)

𝜏𝛽 =1

2 𝜎1 − 𝜎3 sin2𝛽 (3)

Di mana 𝜎1 adalah stress utama terbesar dan 𝜎3 adalah stress utama terkecil. Pers.(1) menjadi:

𝜎𝑓 =1

2 𝜎1 − 𝜎3 cos2𝛽 − 𝜇 cos2𝛽 −

1

2 𝜎1 + 𝜎3 + 𝜇𝑝𝑥 (4)

Pers.(4) diturunkan sebagai fungsi 𝛽 dan didapat Coulomb Stress maksimum apabila:

cot 2𝛽 = −1/𝜇 (5)

Nilai P merubah normal stress efektif sepanjang bidang patahan seperti ditunjuk persamaan (1). Ke-tika stress batuan berubah dengan cepat selanjutnya P berubah dalam aliran jalar. Nilai P dapat dihu-bungkan dengan koefisien Skemptons B, dimana ni-lainya bervariasi antara 0 dan 1. Koefisien friksi efek-tif dalam penelitian stress koseismik bervariasi anta-ra 0,0 hingga 0,75, dengan nilai rata-rata 𝜇 = 0,4. Persamaan (1) selanjutnya dapat ditulis dengan asumsi bahwa 𝜎𝛽 mewakili batasan stress seperti normal stress pada bidang.

𝜎ƒ = 𝜏𝛽 − 𝜇′𝜎𝛽 (6)

Dimana koefisien friksi efektif dinyatakan dengan 𝜇′ = 𝜇(1 − 𝐵). Selanjutnya jika 𝜎ƒ > 0 potensial slip akan meningkat dan jika 𝜎ƒ < 0 potensial slip akan berkurang. Kalkulasi 𝜎ƒ yang disebabkan oleh gem-pabumi bergantung kepada geometri dan distribusi slip, asumsi magnitudo, orientasi stress regional ser-ta nilai dari asumsi koefisien friksi. Rasio dari ampli-tudo stress regional terhadap stress drop gempabu-mi hanya berdampak signifikan di dekat patahan. Dimana ketidakpastian 𝜎ƒ dalam beberapa kejadian selalu didominasi oleh ketidakpastian distribusi slip.

Dalam system koordinat pada gambar 3.2 di atas ditunjukan bidang patahan (failure plane) dikenakan normal stress 𝜎𝛽 yang dapat disebut komponen stress utama. Selanjutnya orientasi stress utama ter-hadap sudut 𝛽 akan membentuk 𝜎1 sebagai stress utama terbesar dan 𝜎3 sebagai stress utama terkecil. 𝜏𝛽 adalah shear stress pada bidang patahan.

Gambar 3.2 Sistem Koordinat untuk Kalkulasi Coulomb Stress pada bidang patahan optimum

4 PEMBAHASAN

4.1 Gempabumi 7.9 Mw 4 Juni 2000

Gempabumi pada tanggal 4 Juni 2000 dengan ke-kuatan 7.9 Mw memiliki solusi bidang sesar dengan jurus 192˚, dip 46˚ dan rike 50˚. Dilihat dari segi stress coulomb change, memiliki enam buah bidang lobus yang terdiri dari empat buah bidang lobus positif dan dua buah bidang lobus negatif. Dua buah bidang lobus negatif merupakan daerah penu-runan stress coulomb berarah barat daya-tenggara dari episenter. Daerah penurunan stress ini memiliki kisaran nilai -0.2 hingga -1.0 bar. Sedangkan empat bidang lobus bernilai positif dua berarah timur laut-barat daya dan dua lobus relatif berarah timut-barat. Empat lobus bernilai positif (0.2-1.0 bar) ini merupakan daerah peningkatan Stress Coulomb. Lobus stress positif yang berarah barat merupakan episenter gempa besar 8.5 Mw pada 12 September 2007.

Gambar 4.1 Coulomb Stress Change pada gempabumi 4 Juni 2000


2102-13

4.2 Gempabumi 8.5 Mw dan 7.9 Mw, 12 dan 13 September 2007

Dalam analisa stress coulomb, episenter gempabumi 8.5 Mw berada pada daerah peningkatan stress cou-lomb berharga positif dari gempa bumi sebelumnya. Peningkatan stress coulomb ini berarti terjadinya akumulasi stress yang ditenggarai dapat memicu seismisitas di sekitarnya. Bidang lobus peningkatan stress positif berkisar antara 0.2 hingga 1.0 bar. Pe-ningkatan Stress Coulomb kisaran tersebut cukup berpotensi memicu sebuah event dan sebaliknya pengurangan dalam nilai yang sama dapat meng-hambat picuan sebuah event.

Bidang lobus stress coulomb positif yang relatif berarah barat inilah yang memicu gempabumi beri-kutnya, 8.5 Mw pada tanggal 12 September 2007. Daerah lobus tempat episenter gempabumi 8.5 Mw ini memiliki nilai stress berkisar 0.8 hingga 1.0 bar.

Gambar 4.2 Coulomb Stress Change pada gempabumi 4 Juni 2000 dan 12 September 2007 sebelum gempabumi

13 September 2007

Setelah event kedua yaitu gempabumi dengan kekuatan 8.5 Mw terjadi pada daerah eks lobus pe-ningkatan positif pada gempa pertama, terbentuk pola stress baru. Pola stress baru ini memiliki lobus peningkatan stress positif relatif berarah timur laut-barat daya dan barat laut-tenggara. Kisaran nilai stress positif ini antara 0.2 hingga 1.0 bar. Berbeda dengan gempabumi pertama, bidang lobus negatif kini lebih sedikit dan menyebar pada arah timur laut-barat daya gempa kedua dan berarah barat laut-tenggara gempa pertama dalam rentang nilai -0.2 hingga 1.0 bar.

Kedua gempabumi 7.9 Mw dan 8.5 Mw memiliki sebaran Coulomb Stress yang berbeda. Hal ini dika-renakan baik magnitudo yang jauh berbeda kedua gempa juga memiliki solusi bidang sesar yang ber-beda. Gempabumi pertama memiliki jurus 192˚ dan dip 46˚, sedangkan gempa kedua memiliki jurus 327˚ dan dip 12˚.

Jurus 327˚ yang diakibatkan oleh gempabumi kedua 8.5 Mw secara perhitungan teoritis menye-babkab failure membentang barat laut-tenggara, paralel sepanjang jalur subduksi yang diakibatkan oleh lempengan utama Indo-Australia dan lempeng Eurasia. Sehingga perpindahan dalam vektor hori-zontal teoritis (horizontal displacement) juga mengi-kuti pola bidang sesar yang mana pola tekanan (pressure) mengarah ke barat laut di sekitar pulau Pagai Selatan. Sehingga hanya berselang satu hari 13 September 2007, gempabumi susulan dengan kekuatan 7.9 Mw terjadi pada bidang lobus positif ini. Daerah tempat terjadinya gempabumi ketiga 7.9 Mw ini memiliki nilai stress berkisar 0.8 hingga 1.0 bar.

Gambar 4.3 Coulomb Stress Change pada gempabumi 4 Juni 2000 serta 12 dan 13 September 2007

Jika dilihat dari gambar 4.3, Stress Coulomb Change yang diakibatkan oleh tiga gempa signifikan Bengkulu dan sekitarnya, pola perubahan stress yang terbentuk lebih kompleks. Namun secara kese-luruhan stress coulomb change positif lebih domi-nan dan membujur sepanjang barat laut-tenggara dari gempabumi 8.5 Mw dan sebagian berpusat se-kitar kepulauan Pagai. Sedang Stress negatif lebih dominan berarah timur laut-barat daya dari gempa-bumi 8.5 Mw.

Dari perubahan stress coulomb ketiga gempa ini, menarik untuk dilihat lebih jauh. Maka dibuat cross


2102-14

section versus kedalam pada daerah yang memiliki stress coulomb positif lebih dominan. Dalam hal ini cross section dibuat pada daerah sepanjang timur laut-barat daya dari episenter gempabumi berkeku-atan 8.5 Mw.

Gambar 4.4 Cross Section dengan kedalam coulomb stress change pada gempabumi 8.5 Mw

Dari hasil cross section dapat dilihat peningkatan stress coulomb sampai pada kedalaman 200 km. Se-baran daerah peningkatan stress ini ke arah kanan patahan mencapai jarak 150 km sedangkan ke arah kiri mencapai 100 km.

5 DISKUSI DAN KESIMPULAN

Gempabumi Bengkulu 7.9 Mw pada tanggal 4 Juni 2000 memiliki pola perubahan stress coulomb dalam enam bidang lobus. Dua bidang lobus negatif dan empat bidang lobus positif. Stress Coulomb positif memiliki kisaran nilai 0.2 hingga 1.0 bar dan bidang lobus negative memiki kisaran nilai antara -0.2 hingga -1.0 bar. Bidang lobus positif yang relatif be-rarah barat dari episenter akan menjadi lokasi gem-pabumi selanjutnya berkekuatan 8.5 Mw. Lokasi episenter ini terindikasi memiliki nilai stress berkisar 0.8 hingga 1.0 bar.

Selanjutnya setelah terjadi gempabumi

berkekuatan 8.5 Mw pada tanggal 12 September 2007, perubahan stress coulomb memiliki pola yang baru. Perubahan stress positif jauh lebih dominan

dari stress negatif, stress positif ini menyebar kearah barat laut-tenggara dari episenter gempabumi 8.5 Mw dan bararah timur laut-barat daya dari episenter gempabumi pertama. Lobus yang berarah barat laut dari gempa pertama akan menjadi loasi gempa susulan berkekuatan 7.9 Mw.

Dari jejak lobus positif berarah barat laut gempa kedua berkekuatan 8.5 Mw, kurang dari satu hari terjadi gempabumi dengan kekuatan 7.9 Mw. Lokasi episenter gempa susulan ini terindikasi memiliki nilai stress berkisar 0.8 hingga 1.0 bar.

Dari jejak-jejak tersebut dapat disimpulkan bahwa perubahan peningkatan stress coulomb (coulomb stress change) yang bernilai positif dengan harga berkisar 0< 𝜎ƒ >1 bar dapat men-trigger atau memicu terjadinya gempabumi selanjutnya. Dalam kasus ini bernilai dari 0.8 bar hingga 1.0 bar.

Sebaliknya daerah dengan perubahan penurunan stress coulomb yang bernilai negatif berharga -1< 𝜎ƒ>0 berpotensi menghambat terjadinya gempabumi pada daerah tersebut dimasa yang akan datang. Namun, tidak menutup kemungkinan masih akan terjadi aktivitas seismic di daerah yang memiliki nilai stress coulomb negatif.

REFERENSI [1] Astra, I Made Kris Adi.2011.Coulomb Statik Stress

Change Dalam Interaksi Gempabumi Doublets 5.8 Mw dan 5.9 Mw 23 Januari 2007 dan Gempabumi 7.0 Mw 16 Juni 2010 di Wilayah Papua.Jurnal Meteorologi Dan Geofisika 12 (1),103-109.

[2] King, C.P.G., Stein, R.S., & Lin J. (1994). Static Stress Change And The Triggering of Earthquakes. Bulletin Seismological Socoety America.

[3] Pramono, Sigit.2007.Analisa Gempabumi Bengkulu 12 September 2007.Buletin Meteorologi dan Geofisika BBMGWII 1 (2007),5-8.

[4] Rectanguler Area Earthquake Search.(2012). (http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eqarchives/epic/epic_rect.php) diakses: 29 September 2012.

[5] Source Parameter Search. (2012). (http://earthquake. usgs.gov/eartquakes/eqarchives/sopar/) diakses: 29 September 2012.


© 2014 SIMETRI 2103-15

Pemanfaatan Sistem Pembangkit Listrik Hybrid (Gabungan Energi Angin dan Energi Surya) sebagai Energi Alternatif di FMIPA UNJ Uuntuk Catu Daya pada Server Jurusan Fisika

H. Permana dan E. Istiqamah

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta Jl. Pemuda No. 10 Rawamangun, DKI Jakarta

Intisari: Semakin menipisnya persediaan energi fosil, menyebabkan banyak penelitian yang difokuskan pada energi alternatif atau energi yang dapat diperbaharui (renewable energy).Energi yang dimanfaatkan dalam penelitian ini, meru-pakan gabungan antara energi angin dan energi matahari. Keunggulan dari sistem pembangkit listrik hybrid adalah mengkombinasikan keunggulan dari setiap pembangkit sehingga saling mengisi kelemahan masing-masing pembangkit untuk kondisi-kondisi tertentu, sehingga secara keseluruhan sistem dapat beroperasi lebih ekonomis dan efisien. Peneli-tian ini bertujuan untuk mengetahui daya yang dihasilkan sistem pembangkit listrik gabungan energi angin dan energi matahari (sistem hybrid). Kemudian daya tersebut akan digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik pada server juru-san fisika sehingga pada saat terjadi pemadaman listrik oleh PLN, tidak terjadi kerusakan data pada server.

Abstract: The depletion of fossil energy supplies, causing a lot of research has focused on alternative energy or renew-able energy (renewable energy). Energy utilized in this study, a combination of wind energy and solar energy. The advan-tages of the hybrid power system is to combine the advantages of each generation that complement each other's weak-nesses power to certain conditions, so that the overall system can operate more economically and efficiently. This study aims to determine the power generated electricity generation systems combined wind energy and solar energy (hybrid systems). Then the power will be used to meet the electricity needs of the physics department at the server so that in the event of a power outage by PLN, does not damage the data on the server.

E-mail: [email protected], [email protected]

1 PENDAHULUAN

ada saat ini, tidak ada aktivitas tanpa adanya energi, oleh karena itu energi sangat dibutuh-

kan. Sebagian besar energi digunakan pada saat ini berasal dari fosil, tidak bisa diperbaharui (non-renewable energy) tentunya akan habis jika diguna-kan secara terus menerus. Semakin menipisnya per-sediaan energi fosil, menyebabkan banyak peneli-tian yang difokuskan pada energi alternatif atau energi yang dapat diperbaharui (renewable energy). Pada saat ini energi listrik sangat dibutuhkan, se-dangkan menurut data International Energy Agency (IEA), tahun 2005, sektor kelistrikan adalah pe-nyumbang terbesar emisi karbon dunia (41%), dis-usul transportasi (23%), industri (19%), rumah tang-ga (7%), dan lain-lain (10%). Di mana emisi karbon tersebut yang menyebabkan pemanasan global, dengan demikian maka pemanfaatan sumber energi terbarukan harus ramah lingkungan seperti peman-faatan sumber energi surya dengan menggunakan sel surya, pemanfaatan sumber energi angin dengan menggunakan turbin angin, dll.

Indonesia merupakan salah satu negara kepu-lauan terletak di garis khatulistiwa. Hal tersebut

menyebabkan Indonesia memiliki potensi angin yang besar serta mendapatkan sinar surya sepan-jang tahun, dengan demikian sangat menguntung-kan bagi Indonesia untuk pememanfaatan energi surya dan energi angin sebagai sumber energi alter-natif.

Energi listrik hasil konversi dari energi surya hanya bisa diperoleh pada pukul 06.00 WIB – 18.00 WIB, sedangkan energi listrik hasil konversi dari energi angin hanya diperoleh pada saat angin ber-hembus. Pada penelitian ini digunakan gabungan dari keduanya, dengan tujuan pada saat malam ha-ri, ketika tidak ada energi masukan dari panel surya, tetap ada energi masukan dari turbin angin, atau mendapatkan energi yang lebih maksimum pada siang hari.

Salah satu ukuran performansi dari sel surya dan turbin angin adalah efisiensi. Yaitu prosentasi peru-bahan energi surya menjadi energi listrik. Tetapi pada kenyataannya, efisiensi dari sel surya yang ada saat ini masih rendah. Untuk sel surya jenis mono-crystalline silicon efisiensinya 12-15 %, jenis multiy-crystalline silicon 10-13 %, amorphous silicon 6-9 %. Untuk efisiensi turbin angin 30-40 %.

P



Permana & Istiqamah/Pemanfaatan Sistem ... SIMETRI Vol. 2 No.1 Jan’14

2103-16

Peningkatan efisiensi turbin angin dan sel surya dapat diketahui dengan melakukan pengukuran berbagai indikator seperti tegangan, arus dan daya keluaran dari kedua alat tersebut. Dalam penelitian ini, pengukuran indikator-indikator tersebut akan dilakukan dengan menggunakan Atmega 8535. Penggunaan Atmega 8535 dikarenakan Atmega 8535 tidak hanya dapat mengukur arus dan tegangan, tetapi juga dapat mengakuisisi data dengan dihu-bungkan langsung ke PC.

Dengan pengukuran arus dan tegangan dapat diketahui daya yang dihasilkan pada sistem pem-bangkit listrik hybrid tersebut, kemudian digunakan sebagai energi pengganti dari PLN. Energi listrik yang berasal dari PLN sering kali mengalami pema-daman, hal tersebut sangat mengganggu kegiatan perkuliahan maupun penelitian, dengan adanya energi alternatif, maka kebutuhan energi listrik pada saat terjadi pemadaman dari PLN tetap dapat ter-penuhi, khususnya untuk server jurusan fisika se-hingga data yang tersimpan di server tidak rusak atau hilang.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui arus, tegangan dan daya yang dihasilkan dari sistem pembangkit listrik hybrid (energi angin–energi surya) serta sebagai pemanfaatan sistem pembang-kit listrik hybrid sebagai energi alternatif di FMIPA UNJ untuk memenuhi kebutuhan listrik pada server jurusan fisika.

Energi surya adalah energi yang didapat dengan mengubah energi surya dengan menggunakan pe-ralatan tertentu menjadi sumber daya dalam bentuk lain. Energi surya telah lama dimanfaatkan sebagai sumber energi oleh manusia. Energi surya termasuk energi terbarukan karena sumber energinya hampir tak terbatas, digunakan sebagai salah satu alternatif pengganti energi fosil.

Meskipun penggunaan energi surya memiliki ke-lebihan yaitu tidak menghasilkan limbah seperti pa-da penggunaan sumber-sumber energi lain tetapi penggunaan energi surya hanya dapat diman-faatkan pada siang hari sehingga hanya dapat op-timal pada beberapa jam saja. Selain itu penggu-naan energi surya dipengaruhi oleh perubahan cu-aca. Hal tersebut menjadi hambatan dalam peng-gunaan energi surya.

Proses konversi cahaya surya menjadi listrik da-pat terjadi karena bahan penyusun sel surya berupa semikonduktor, yaitu semikonduktor jenis n dan p. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebi-han muatan negatif. Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole sehingga kelebihan mua-

tan positif. Dengan menambahkan unsur lain ke dalam semikonduktor, kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, seperti pada gambar 1.

Gambar 1. Penambahan unsur dalam semikonduktor

Semikonduktor jenis p, biasanya dibuat dengan menambahkan unsur boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga) atau Indium (In) ke dalam Si. Un-sur-unsur tambahan ini akan menambah jumlah hole. Sedangkan semikonduktor jenis n dibuat den-gan menambahkan nitrogen (N), fosfor (P) atau ar-sen (As) ke dalam Si. Dengan demikian, tambahan elektron dapat diperoleh. Usaha menambahkan unsur tambahan ini disebut dengan doping yang jumlahnya tidak lebih dari 1 % dibandingkan den-gan berat Si yang hendak di-doping.

Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatu-kan akan membentuk sambungan p-n atau dioda p-n (istilah lain menyebutnya dengan sambungan me-talurgi/metallurgical junction). Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpin-dahan elektron-elektron dari semikonduktor n me-nuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n. Perpin-dahan elektron maupun hole ini hanya sampai pada jarak tertentu dari batas sambungan awal.

Gambar 2. Perpindahan elektron dan hole dalam

semikondukor

Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan negatif. Pada saat yang sama, hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhir-nya lebih bermuatan positif.

http://energisurya.files.wordpress.com/2008/07/sambungan-pn-1.jpg



2103-17

Gambar 3. Daerah deplesi pada semikonduktor

(daerah w)

Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W. Elektron atau hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda. Perbedaan mua-tan positif dan negatif di daerah deplesi, menyebab-kan timbulnya medan listrik internal. Adanya medan listrik mengakibatkan sambungan p-n berada pa-da titik setimbang. Medan listrik E tersebut mence-gah seluruh elektron dan hole berpindah dari semi-konduktor yang satu ke semiikonduktor yang lain.

Proses konversi cahaya surya menjadi listrik ter-jadi pada sambungan p-n. Pada sel surya, semikon-duktor n menghadap kearah datangnya sinar surya dan terletak di lapisan atas sambungan p. Semi konduktor n memiliki lapisan yang lebih tipis dari lapisan p sehingga cahaya surya yang jatuh ke per-mukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p.

Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya surya, maka elektron mendapat energi dari cahaya surya untuk melepaskan dirinya dari semi-konduktor n, daerah deplesi. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggal-kan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi elektron-hole (electron-hole photogeneration) yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya surya.

Pada sambungan p-n terdapat medan listrik E, sehingga elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang ter-tarik ke arah semikonduktor p.

Energi yang dikeluarkan oleh sinar surya sebe-narnya hanya diterima oleh permukaan bumi sebe-sar 69% dari total energi pancaran surya. Suplai energi surya dari sinar surya yang diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 10 joule pertahun, energi ini setara dengan 2 x 1017 Watt. Jumlah energi sebesar itu setara dengan 10.000 kali konsumsi energi di selu-ruh dunia saat ini. Dengan kata lain, dengan menu-tup 0.1% saja permukaan bumi dengan divais solar sel yang memiliki efisiensi 10% sudah mampu untuk

menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini.

Gambar 4. Proses konversi energi surya menjadi energi

listrik

Prinsip kerja sel surya adalah dengan meman-faatkan teori cahaya sebagai partikel. Energi yang dipancarkan oleh sebuah cahaya dengan panjang gelombang V dirumuskan dengan persamaan E = h.c/λ. Dengan h adalah konstanta Plancks (6.62 x 1034 J.s) dan c adalah kecepatan cahaya dalam va-kum (3.00 x 108 m/s). Persamaan di atas juga me-nunjukkan bahwa photon dapat dilihat sebagai se-buah partikel energi atau sebagai gelombang den-gan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan menggunakan sebuah divais semikonduk-tor yang memiliki permukaan yang luas dan terdiri dari rangkaian dioda tipe p dan n, cahaya yang da-tang akan mampu dirubah menjadi energi listrik.

Gambar 5. Aplikasi Energi Surya

2 KELEBIHAN PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI SURYA

Keunggulan-keunggulan PLTS, antara lain:




2103-18

Tidak memerlukan bahan bakar, karena meng-gunakan sumber energi surya yang dapat diper-oleh dimana saja secara cuma-cuma sepanjang tahun, sehingga hampirtidak memerlukan biaya operasi.

Tidak memerlukan konstruksi yang berat dan menetap, sehingga dapat dipasangdimana saja dan dapat dipindahkan bilamana dibutuhkan.

Dapat diterapkan secara sentralisasi (PLTS ditempatkan di suatu area dan listrik yang diha-silkan disalurkan melalui jaringan distribusi ke tempat-tempat yang membutuhkan) maupun desentralisasi (sistem PLTS dipasang pada setiap rumahdengan demikian tidak diperlukan jari-ngan distribusi).

Pada pola desentralisasi, gangguan pada satu sistem tidak akan mempengaruhi sistem yang lain dan tidak banyak energi yang terbuang pada jaringan distribusi.

Bersifat moduler; kapasitas listrik yang dihasilkan dapat disesuaikan dengan kebutuhan dengan cara merangkai modul secara seri dan paralel.

Dapat dioperasikan secara otomatis (unattend-able) maupun menggunakan operator (attend-able).

Ramah lingkungan. Tidak menimbulkan polusi suara maupun polusi asap.

Tidak ada bagian yang bergerak, sehingga ham-pir tidak memerlukan biaya pemeliharaan, yang diperlukan hanya membersihkan modul apabila kotor dan menambah air accu (aquades).

Umur pakai (life time) lebih dari 25 tahun.

3 PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI BAYU (ANGIN)

Pembangkit Listrik Energi Bayu (PLTB) adalah suatu teknologi pembangkit listrik untuk merubah potensi energi angin menjadi energi listrik. Angin adalah udara bergerak/mengalir sehingga memiliki kecepa-tan, energi dan arah. Penyebab dari pergerakan ini adalah pemanasan bumi oleh radiasi surya. Udara di atas permukaan bumi selain dipanaskan oleh surya secara langsung, juga mendapat pemanasan oleh radiasi surya bumi tidak homogen, maka jum-lah energi surya yang diserap dan dipancarkan kembali oleh bumi berdasarkan tempat dan waktu adalah bervariasi. Hal ini menyebabkan perbedaan temperatur pada atmosfer, yang menyebabkan perbedaan kerapatan dan tekanan atmosfer. Udara memiliki sifat untuk selalu mencapai kesetimbangan tekanan, karena itu perbedaan kecepatan dan teka-nan atmosfer ini menyebabkan udara bergerak dari

daerah yang bertekanan tinggi ke daerahbertekanan rendah.

Pada daerah yang relatif panas, partikel udara mendapat energi sehingga udaramemuai. Akibat dari pemuaian ini, tekanan udara di daerah itu naik, namun kerapatan udara menjadi berkurang, se-hingga berat jenis udara di tempat itu menjadi rela-tif kecil,akibatnya udara berekspansi ke atas dan menyebabkan terjadinya penurunan tekanan didae-rah yang ditinggalkannya. Daerah ini lalu diisi oleh udara dari daerah sekelilinginyayang memiliki teka-nan udara dan massa jenis lebih tinggi. Udara yang berekspansi keatas lalu mengalami penurunan suhu, sehingga terjadi penyusutan dan massa jenisnya-kembali naik. Udara ini akan turun kembali di tem-pat lain yang memiliki tekanan yang lebih rendah. Hal ini berlangsung terus menerus sepanjang waktu, sehingga pergerakan udara terus berlangsung.

4 KOMPONEN PLTB

Blades (Bilah Kipas)

Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3 bilah kipas. Angin yang menghembus menye-babkan turbin tersebut berputar.

Brake (Rem)

Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis, dengan energi listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau saat keadaan darurat. Digunakan untukmenjaga putaran pada poros setelah gear box agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja amandalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal.

Controller Pengontrol mesin mulai dengan kecepatan angin sekitar 8-16 mil per jam (mph) dan menutup mesin turbin sekitar 55 mph. tidak beroperasi pada kecepatan angin sekitar 55 mph di atas, karena dapat rusak karena angin yang kencang.

Generator Biasanya standar induksi generator yang meng-hasilkan listrik dari 60 siklus listrik AC.

Tower

Menara yang terbuat dari baja tabung, beton, atau kisi baja. Karena kecepatan angin mening-kat dengan tinggi, menara tinggi memungkinkan turbin untuk menangkap lebih banyak energi dan menghasilkan listrik lebih banyak.

Wind direction


2103-19

Ini adalah turbin “pertama” yang disebut karena beroperasi melawan angin. turbin lainnya diran-cang untuk menjalankan “melawan arah angin” menghadap jauh dari angin.

Gambar 6. Turbin Angin

5 SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK ENERGI HYBRID

PLTH adalah suatu sistem pembangkit listrik (PL) yang memadukan beberapa jenis PL, pada umum-nya antara PL berbasis BBM dengan PL berbasis EBT.Merupakan solusi untuk mengatasi krisis BBM dan ketiadaan listrik di daerah terpencil, pulau-pulau kecil dan pada daerah perkotaan. Umumnya terdiri atas: modul surya, turbin angin, generator diesel, baterai, dan peralatan kontrol yang terinte-grasi. Tujuan PLTH adalah mengkombinasikan keunggulan dari setiap pembangkit sekaligus menu-tupi kelemahan masing-masing pembangkit untuk kondisi-kondisi tertentu, sehingga secara keseluru-han sistem dapat beroperasi lebih ekonomis dan efisien. Mampu menghasilkan daya listrik secara efisien pada berbagai kondisi pembebanan. Untuk mengetahui unjuk kerja sistem pembangkit hybrid ini, hal-hal yang perlu dipertimbangkan antara lain: karakteristik beban pemakaian dan karakteristik-pembangkitan daya khususnya dengan memperha-tikan potensi energi alam yang ingindikembangkan berikut karakteristik kondisi alam itu sendiri, seperti pergantian siang malam, musim dan sebagainya.

6 SISTEM OPERASI PLTH

Sistem operasi pada PLTH dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu sistem serial, sistem tersaklar, dan sistem paralel.

PLTH Sistem Serial

Semua pembangkit daya mensuplai daya DC ke dalam baterai, setiap komponen harus dilengkapi dengan charge controller sendiri, untuk menja-min operasi yang handal sistem ini, generator dan inverter harus didisain agar dapat melayani beban puncak. Pada sistem ini sejumlah besar energi yang dibangkitkan dilewatkan melalui

baterai, siklus baterai bank menjadi naik dan mengurangi efisiensi sistem, daya listrik dari genset di-DC-kan dan diubah kembali menjadi AC sebelum disuplai ke beban sehingga terjadi rugi-rugi yang signifikan.

PLTH sistem serial ini memiliki beberapa keung-gulan antara lain:

Genset dapat didisain untuk dapat dibebani secara optimal, sewaktu mensuplai beban juga mengisi baterai hingga mencapai State of Charge(SOC) 70-80%,

Tidak diperlukan saklar AC diantara sumber energi, menyederhanakan komponen antar muka keluaran, daya yang disuplai ke beban tidak terinterupsi ketika genset di-start.

Kelemahan atau kerugian apabila menggunakan sistem ini adalah:

Inverter tak dapat beroperasi paralel dengan genset, sehingga inverter harus didisain untuk mensuplai beban puncak, siklus baterai men-jadi tinggi, sehingga mengurangi umur baterai

Siklusmembutuhkan baterai bank yang besar, untuk membatasi DOD (Depth of Discharge)

Efisiensi total rendah, karena genset tak dapat mensuplai beban secara langsung, kerusakan inverter akan mengakibatkan kehilangan daya total ke beban, kecuali beban dapat disuplai dengan genset emergency.

PLTH Sistem Tersaklar

Pada sistem PLTH tersaklar (switched) sebagai sumber AC, pada sistem yang tidak memiliki operasi paralel, genset dan), genset dan inverter dapat beroperasi sumber energi terbarukan dapat mengisi (charging) baterai. Pada sistem ini beban dapat langsung disuplai genset sehingga meningkatkan efisiensi total, kelebihan daya dari genset dapat digunakan untuk mengisi baterai, ketika beban rendah, genset dimatikan, beban disuplai dari ET bersama energi yang tersimpan.

Keunggulan yang dapat diperoleh jka menggu-nakan sistem ini adalah:

Inverter dapat membangkitkan gelombang si-nus, kotak termodifikasi atau kotak tergantung pada aplikasi

Genset dapat mensuplai beban secara lang-sung, sehingga meningkatkan efisiensi sistem total dan mengurangi konsumsi BBM.

Sedangkan kelemahannya adalah:


2103-20

Daya ke beban terinterupsi sesaat ketika ter-jadi pemindahan sumber listrik AC,

Genset dan inverter didisain untuk dapat mensuplai beban puncak, berakibat menurun-nya efisiensi pada sebagian operasi beban.

PLTH Sistem Paralel

Pada PLTH yang menggunakan sistem ini, beban dapat disuplai baik dari genset maupun inverter secara paralel. Bi-directional inverter (BDI) digu-nakan untuk menjembatani antara baterai dan sumber AC, BDI dapat mengisi baterai dari genset (AC-DC converter) maupun sumber energi terbarukan, juga dapat beraksi sebagai DC-AC converter, sumber ET dihubungkan pada sisi DC, sistem ini terbagi lagi menjadi dua jenis yaitu sistem paralel AC Coupling dan sistem paralel DC Coupling.

7 SERVER

Server adalah sebuah sistem komputer yang menye-diakan jenis layanan tertentu dalam sebuah jaringan komputer. Server didukung dengan prosesor yang bersifat scalable dan RAM yang besar, juga dileng-kapi dengan sistem oprasi khusus, yang disebut se-bagai sistem operasi jaringan. Server juga menja-lankan perangkat lunak administratif yang mengon-trol akses terhadap jaringan dan sumber daya yang terdapat di dalamnya, seperti halnya berkas atau pencetak, dan memberikan akses kepada stasiun kerja anggota jaringan.

Umumnya, di dalam sistem operasi server terda-pat berbagai macam layanan yang menggunakan arsitektur klient/server. Contoh dari layanan ini ada-lah Protokol Konfigurasi Hos Dinamik, server su-rat,server PTH, server PTB, DNS server, dan lain sebagainya. Setiap sistem operasi server umumnya membundel layanan-layanan tersebut, meskipun pihak ketiga dapat pula membuat layanan tersendi-ri. Setiap layanan tersebut akan merespon re-quest dari klien. Sebagai contoh, klien PKHD akan memberikan request kepada server yang menjalan-kan layanan server PKHD; ketika sebuah klien membutuhkan alamat IP, klien akan memberi-kan request kepada server, dengan bahasa yang di-pahami oleh server PKHD, yaitu protokol PKHD itu sendiri.

Contoh sistem operasi server adalah Windows NT 3.51, dan dilanjutkan dengan Windows NT 4.0. Saat ini sistem yang cukup populer adalah Windows 2000 Server dan Windows Server 2003, kemu-dian Sun Solaris, Unix, dan GNU/Linux.

Server biasanya terhubung dengan klien de-ngan kabel UTP dan sebuah kartu jaringan. Kartu jaringan ini biasanya berupa kartu PCI atau ISA. Dilihat dari fungsinya, server bisa di kategorikan dalam beberapa jenis, seperti: server aplikasi, server data maupun server proksi. Server aplikasi adalah server yang digunakan untuk menyimpan berbagai macam aplikasi yang dapat diakses oleh klien, serv-er data sendiri digunakan untuk menyimpan data baik yang digunakan klien secara langsung maupun data yang diproses oleh server aplikasi. Server prok-si berfungsi untuk mengatur lalu lintas di jaringan melalui pengaturan proksi. Orang awam lebih men-genal proxy server untuk mengkoneksikan komputer klien ke Internet.Kegunaan server sangat banyak, misalnya untuk situs internet, ilmu pengetahuan, atau sekedar penyimpanan data.

Gambar 7. Server

8 METODE PENELITIAN

Membuat desain alat berupa sistem pembangkit listrik hybrid, dengan menggunakan modul surya dan turbin angin, kemudian daya yang dihasilkan pada sistem hybrid tersebut, digunakan untuk po-wer supply server.Adapun alat dan cara pengonver-sian gabungan energi surya dan energi angin men-jadi energi listrik, dapat dilihat pada bagan berikut:

Gambar 8. Alur kerja penelitian

Dari alur kerja diatas setelah pembangkit listrik hybrid selesai dibuat, perlu dilakukan pengambilan

Mendesain sistem hybrid

Studi Literatur

Menganalisa hasil pengukuran dengan teori

Menarik kesimpulan

Pemanfaatan sistem hybrid sebagai power supply pd server

Mengambil data

http://id.wikipedia.org/wiki/Komputer

http://id.wikipedia.org/wiki/Jaringan_komputer



http://id.wikipedia.org/wiki/Prosesor

http://id.wikipedia.org/wiki/RAM

http://id.wikipedia.org/wiki/Sistem_operasi

http://id.wikipedia.org/wiki/Sistem_operasi_jaringan

http://id.wikipedia.org/wiki/Protokol_Konfigurasi_Hos_Dinamik

http://id.wikipedia.org/wiki/Surat_elektronik

http://id.wikipedia.org/wiki/Surat_elektronik

http://id.wikipedia.org/wiki/Protokol_Transfer_Hiperteks

http://id.wikipedia.org/wiki/Protokol_Transfer_Berkas

http://id.wikipedia.org/wiki/Sistem_Penamaan_Domain

http://id.wikipedia.org/wiki/Alamat_IP

http://id.wikipedia.org/wiki/Windows_NT



http://id.wikipedia.org/wiki/Windows_NT_4.0

http://id.wikipedia.org/wiki/Windows_2000



http://id.wikipedia.org/wiki/Windows_Server_2003

http://id.wikipedia.org/wiki/Sun_Solaris

http://id.wikipedia.org/wiki/Unix

http://id.wikipedia.org/wiki/GNU/Linux

http://id.wikipedia.org/wiki/Kabel_UTP

http://id.wikipedia.org/wiki/Kartu_jaringan

http://id.wikipedia.org/wiki/Bus_PCI

http://id.wikipedia.org/wiki/Bus_ISA


2103-21

data, berupa pengukuran arus dan tegangan untuk mengetahui daya yang dihasilkan, kemudian digu-nakan sebagai power supply pada server

Desain Sistem Pembangkit Listrik Hybrid

Gambar 9. Sistem pembangkit listrik hibrid

9 HASIL DAN PEMBAHASAN

Tegangan, Arus dan Daya Keluaran dari Sistem Hybrid

a. Tegangan Sistem Hybrid

Gambar 10. Grafik tegangan keluaran sistem hybrid

Gambar 10 merupakan grafik tegangan keluaran dari sistem hybrid dengan. Pada grafik tersebut, ter-lihat tegangan yang dihasilkan pada malam hari sangat kecil, yaitu sebesar 2.49 Volt pada pukul 1:23:00 WIB, pada saat itu tegangan yang dihasilkan hanya dari turbin angin. sedangkan tegangan mak-

simum yang dihasilkan pada sistem hybrid, pada saat turbin angin dan modul surya bekerja adalah sebesar 45.73 Volt pada pukul 13:54:00 WIB. Te-gangan minimum yang dihasilkan adalah 0 Volt, pada saat turbin angin dan modul surya tidak beker-ja

b. Arus Sistem hybrid

Gambar 11. Grafik keluaran arus pada sistem hybrid

Grafik arus pada gambar 11 memiliki pola yang sama dengan grafik tegangan pada gambar 10. Pa-da malam hari, arus hanya muncul pada pukul 00:00:00 WIB, sebesar 0.05 Ampere. Arus minimum terjadi pada saat matahari tidak bersinar dan blade tidak berputar.

c. Daya Sistem Hybrid

Gambar 12. Grafik daya keluaran pada sistem hybrid

Pola grafik gambar 12 hampir sama dengan pola grafik pada gambar 10 dan 11. Daya maksimum yang dihasilkan sistem hybrid dengan Atmega 8535 adalah 40.61 Watt, pada pukul 13:54:00 WIB. Daya

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

0:00:00

1:59:00

3:58:00

5:57:00

7:56:00

9:55:00

11:54:00

13:53:00

15:52:00

17:51:00

19:50:00

21:49:00

Tega

nga

n (

Vo

lt)

waktu

00,10,20,30,40,50,60,70,8

0:00:00

1:51:00

3:42:00

5:33:00

7:24:00

9:15:00

11:06:00

12:57:00

14:48:00

16:39:00

18:30:00

20:21:00

22:12:00

aru

s (A

)

waktu

051015202530354045

0:00:00

1:51:00

3:42:00

5:33:00

7:24:00

9:15:00

11:06:00

12:57:00

14:48:00

16:39:00

18:30:00

20:21:00

22:12:00

Day

a (W

att)

Waktu


2103-22

minimum adalah sebesar 0 Volt pada saat matahari tidak bersinar dan blade pada turbin angin tidak berputar, sehingga tidak adanya energi yang meng-gerakan generator.

10 PENUTUP

Kesimpulan

Berdasarkan hasil dan pembahasan dari penguku-ran karakterisasi arus tegangan modul surya serta pengukuran arus dan tegangan keluaran yang diha-silkan pembangkit listrik sistem hybrid, maka dapat diambil kesimpulan bahwa arus dan tegangan yang dihasilkan sistem pembangkit listrik pada siang hari lebih didominasi oleh arus dan tegangan yang diha-silkan dari modul surya daripada tegangan dan arus yang dihasilkan turbin angin. Tegangan maksimum diperoleh sebesar 78 Volt, pada malam hari (tidak ada tegangan yang dihasilkan modul surya). Tega-ngan maksimum yang dihasilkan sistem hybrid, pa-da saat turbin angin dan modul surya bekerja ada-lah sebesar 71.8 Volt. Arus maksimum diperoleh sistem hybrid, pada saat turbin angin dan modul surya bekerja adalah sebesar 5.9 Ampere. Arus dan tegangan yang diperoleh dari sistem pembangkit listrik lebih besar dari arus den tegangan yang dipe-roleh dari energi matahari saja atau energi angin saja.Ketelitian data tegangan ialah sebesar 0.024 V/bit, ketelitian data arus ialah sebesar 0.048 A/bit.

Saran

Untuk penelitian selanjutnya sebaiknya mengguna-kan alat yang lebih teliti serta pengambilan data uji yang lebih banyak agar didapat data hasil yang lebih akurat.

DAFTAR PUSTAKA [1] Ariantii, Erna. 2000. Studi Eksperimen Karakteristik

Arus-Tegangan Sel Surya Silikon, Skripsi. Jakarta: Un-iversitas Negeri Jakarta.

[2] Arief B. 2009. Modul Praktikum Mikrokontroler. Juru-san Fisika, Universitas Negeri Jakarta.

[3] Burton, Tony, dkk. 2001. Wind Energy Handbook. Chichester: John Wiley & Sons.

[4] Desire Le Gourieres, 1982. Wind Power Plants, Theory and Design, Pergamon Press.

[5] Dewi, Regina. 2012. Pengukuran Arus dan Tegangan Pada Sistem Pembangkit Listrik Hybrid di FMIPA UNJ. Jakarta: Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Jakarta.

[6] Dr A Harsono Soepardjo M. Eng Ketua Pusat Studi Kelautan FMIPA-UI dan Peneliti Pusat Studi Energi UI “ Energi Baru dan Terbarukan” Kompas 24 Oktober 2005.

[7] Halim, Abdul. 2001. Photovoltaic Power System: Hara-pan dan Kenyataan Dimensi Waktu Sains Dan Tekno-logi. ISEECS.

[8] L.L. Freris, 1990. Wind Energy Conversion System, Prentice Hall, UK.

[9] Markvart, T. 1996. Sizing of hybrid PV-wing energy systems. Solar Energy 59 (4), 277-281. England.

[10] R. Alur, T.A. Henzinger, G. Lafferriere, and G.J. Pap-pas. Discrete abstractions of hybrid

[11] Sasongko, P. 2005. Peranan Konversi Energi dalam penyediaan energi Nasional, Seminar Penghematan Li-strik dan Pemanfaatan Energi Alternatif yang terbaru-kan, Yogyakarta,

[12] Systems. Proceedings of the IEEE, 88(7):971–984, July 2000

[13] Yang, Hongxing. 2007. Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar-wind system with LPSP tech-nology by using genetic algorithm. China: Department of Building Services Engineering.


© 2014 SIMETRI 2104-23

Studi Pengaruh Penggunaan Grafit sebagai Elektroda Lawan pada DSSC Berbahan Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)

Nurussaniah, Cari, Agus Supriyanto, Risa Suryana, dan Anita Boisandi

Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta

Intisari: Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan suatu divais fotovoltaik yang mampu mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Struktur DSSC secara umum terdiri dari kaca konduktif, material semikonduktor, sensitizer, elektro-lit dan elektroda lawan. salah satu komponen penting dalam DSSC adalah elektroda lawan, karena merupakan media transfer elektron dari sirkuit eksternal menuju larutan elektrolit agar terjadi reaksi redoks. Penggunaan grafit pensil seba-gai elektroda lawan menghasilkan performa DSSC yang lebih baik dibandingkan dengan yang tidak menggunakan grafit pensil. Grafit pensil yang dideposisikan pada kaca konduktif sebagai elektroda lawan mampu menjadi katalis untuk mem-percepat reaksi redoks. Performa DSSC terbaik dari penelitian ini diperoleh pada DSSC yang menggunakan dye P3HT 1%wt dan menggunakan grafit sebagai elektroda lawan, efisiensi yang dihasilkan adalah 2,9 ×10-3%.

Kata kunci: Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), grafit, elektroda lawan, poly (3-hexylthiophene) (P3HT).

Abstract: Dye-sensitized Solar Cell (DSSC) is a photovoltaic device that converts sunlight into electrical energy. Gen-erally, DSSC consists of a conductive glass, semiconductor material, sensitizer, electrolyte and counter electrode. One of the most important component of DSSC is counter electrode, because it is a medium of electron transfer from the exter-nal circuit to the electrolyte redox reaction to occur. The use of pencil graphite as counter electrode DSSC produces better performance compared with not using a graphite pencil. The aplication graphite pencil on conductive glass as the counter electrode is able to be a catalyst to the redox reaction. DSSC best performance of this study were obtained on a DSSC using 1 wt% P3HT and using graphite as a counter electrode, the resulting efficiency is 2,9 ×10-3%.

Keyword: Dye Sensitized Solar Cell (DSSC), graphite, counter electrode, poly(3-hexylthiophene) (P3HT)

E-mail: [email protected]

1 PENDAHULUAN

Saat ini teknologi fotovoltaik sangat memiliki kema-juan dibidang energi surya sebagai sebuah energi alternatif dan terbaharukan. Dua dekade terakhir Prof. M. Gratzel telah menemukan Dye Sensitized Solar Cell (DSSC) sebagai sebuah devais fotovoltaik. DSSC sangat atraktif untuk diteliti lebih jauh karena memungkinkan untuk menghasilkan efisiensi tinggi dengan biaya produksi murah[1,2]. Dye Sensitized Solar Cells telah menarik perhatian sebagai suatu konverter energi dibandingkan sel surya silikon.

Secara umum DSSC terdiri dari sebuah kaca konduktif, material semikonduktor sebagai fotoelek-troda, dye sebagai media sensitizer, elektrolit yang terdiri dari pasangan redox dan elektroda lawan. Titanium dioxide (TiO2) paling banyak digunakan sebagai fotoanoda dalam DSSC, hal ini dikarenakan TiO2 bersifat tidak beracun, inert dan memiliki lebar pita energi (Eg ~3 eV). Selain itu TiO2 memiliki sifat optik dan listrik yang baik[3].

Elektroda lawan merupakan salah satu kompo-nen yang memegang peranan penting dalam me-nentukan baik tidaknya performa yang dihasilkan

DSSC. Fungsi elektroda lawan adalah mentransfer elektron dari sirkuit eksternal ke dalam elektrolit dan sebagai media terjadinya reduksi hasil oksidasi mua-tan. Material yang dapat dijadikan sebagai elektroda lawan harus memiliki resistansi rendah dan memiliki elektrokimia stabil dalam elektrolit serta permukaan elektroda dan mampu menjadi katalis dalam mere-duksi pasangan redoks[4].

Beberapa penelitian menggunakan Platinum (Pt) sebagai elektroda lawan pada DSSC[5,6]. Platinum (Pt) dan karbon (C) adalah material yang umum digunakan sebagai elektroda lawan. Grafit, intan dan karbon amorf merupakan alotrop karbon. Pada abad ke-18, pertama kali diidentifikasi bahwa grafit adalah karbon murni. Pada penelitian ini, akan dikaji pengaruh penggunaan grafit pensil jenis 2B sebagai elektroda lawan pada DSSC berbahan poli-mer organik P3HT.

Prinsip kerja DSSC adalah mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik. Saat dye yang melekat dipermukaan TiO2 menyerap foton dari cahaya matahari elektron akan tereksitasi ke pita konduksi TiO2. Elektron akan terkumpul di TiO2. Molekul dye yang ditinggalkan berada dalam keadaan teroksi-

Nurussaniah dkk./Studi Pengaruh Penggunaan ... SIMETRI Vol. 2 No.1 Jan’14

2104-24

dasi. Selanjutnya elektron akan ditransfer melalui rangkaian luar menuju elektroda lawan. Elektrolit yang terdiri dari pasangan redoks berperan sebagai mediator elektron sehingga menghasilkan proses siklus dalam sel. Ion triodide menangkap elektron yang berasal dari rangkaian luar masuk kembali ke dalam sel. Elektron tersebut bereaksi dengan elek-trolit yang menyebabkan penambahan ion iodide pada elektron. Satu ion iodide pada elektrolit mengantarkan elektron membawa energi menuju dye teroksidasi. Elektrolit menyediakan elektron pengganti untuk molekul dye teroksidasi sehingga dye kembali ke keadaan awal[7].

Performa DSSC adalah kemampuan sel surya mengkonversi cahaya menjadi energi listrik. Gam-bar 1. menunjukkan kurva I-V yang menunjukkan kemampuan sel dalam memproduksi tegangan dan arus.

Gambar 1. Kurva I-V DSSC

Gambar 1 memperlihatkan tegangan open circuit (Voc), arus short circuit (Isc), tegangan maksi-mum, arus maksimum dan fill factor. Saat kondisi short circuit (Isc), sel akan menghasilkan arus short circuit. Saat kondisi open circuit tidak ada arus yang mengalir sehingga akan tegangannya menjadi mak-simum atau disebut dengan tegangan open circuit (Voc). Fill factor merupakan ukuran kualitas perfor-ma sel surya[8]. Fill factor dapat ditentukan dengan persamaan 1.

scoc

maksmaks

IV

IVFF (1)

Dengan menggunakan fill factor maka daya mak-simum yang dihasilkan sel surya dapat ditentukan dengan pers.(2).

FFIVP scocmaks (2)

Efisiensi menjadi ukuran global kualitas sel surya. Sehingga efisiensi sel surya yang merupakan per-bandingan kuantitatif dari daya maksimum yang

dihasilkan sel ( maksP ) dengan daya dari cahaya yang

datang ( cahayaP ) dapat ditentukan dengan pers.(3).

cahaya

maks

P

P (3)

2 METODE

Titanium dioxdie (TiO2) 3,5 gram dilarutkan dalam 25 ml etanol diaduk selama 30 menit menggunakan vortex stirrer. TiO2 dilapiskan ke atas kaca konduktif Flourine Tin Oxide (FTO) dengan metode slip cast-ing. Lapisan TiO2 dipanaskan pada suhu 400°C se-lama 10 menit. Dye yang digunakan dalam peneli-tian ini adalah poly (3-hexylthiophene) (P3HT). P3HT yang diproduksi oleh Sigma Aldrich memiliki ke-murnian 99,995% berbentuk serbuk kasar. P3HT dilarutkan dengan chlorobenzene dan dibuat menja-di tiga konsentrasi yaitu 0,1% wt, 0,5% wt dan 1% wt. Proses pembuatan larutan P3HT dilakukan menggunakan ultrasonic cleaner. Grafit pensil 2B digerus menggunakan mortar dan alu sampai men-jadi serbuk halus. Serbuk grafit pensil 2B sebanyak 3,5 gram ditetesi 15 ml etanol sambil diaduk meng-gunakan vortex stirrer selama 30 menit. Pasta grafit pensil 2B dideposisikan ke atas kaca konduktif menggunakan metode slip casting. Kemudian kaca FTO yang telah dilapisi grafit pensil 2B dipanaskan menggunakan hotplate pada suhu 400°C selama 10 menit.

Konstruksi DSSC yang digunakan adalah sistem sandwich. Elektroda kerja berupa kaca konduktif FTO yang telah dilapisi TiO2 ditetesi dengan dye P3HT. Elektroda lawan pada penelitian ini divariasi yaitu berupa kaca konduktif FTO yang dilapisi grafit pensil 2B dan kaca konduktif FTO yang dibiarkan bersih tanpa dilapisi apapun. Elektrolit I¯/I³¯ ditetesi diantara elektroda lawan dan elektroda kerja. Dian-tara elektroda kerja dan elektroda lawan diberi pembatas menggunakan keyboard protector agar tidak terjadi hubungan arus pendek. Elektroda kerja dan elektroda lawan serta elektrolit yang telah dite-tesi di antara keduanya ditumpuk kemudian dijepit menggunakan clipboard. Kemudian DSSC dikarak-terisasi arus dan tegangannya.

3 Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi arus-tegangan (I-V) adalah suatu me-tode untuk mengetahui kinerja Dye Sensitized Solar Cells yaitu seberapa besar kemampuan DSSC dapat mengkonversi cahaya menjadi energi listrik. Pengu-kuran I-V dilakukan pada kondisi terang yaitu di bawah penyinaran lampu halogen dengan intensitas


2104-25

sebesar 1991 W/m2. Dengan memvariasi hambatan pada saat pengukuran, maka akan didapatkan nilai arus dan tegangan yang akan membentuk kurva I-V.

Gambar 2 menunjukkan kurva I-V hasil karakte-risasi arus tegangan DSSC menggunakan P3HT 0,1% wt. Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat bah-wa kurva I-V DSSC yang menggunakan grafit seba-gai elektroda lawan berada di atas kurva I-V yang tidak menggunakan grafit. Arus short circuit dan te-gangan open circuit yang dihasilkan DSSC menggu-nakan grafit sebagai elektroda lawan lebih tinggi dibandingkan tidak menggunakan grafit. DSSC yang menggunakan grafit sebagai elektroda lawan terse-but menghasilkan arus short circuit sebesar

6101,10 ampere dan tegangan open circuit sebesar

413,0 volt.

Gambar 2. Kurva I-V DSSC P3HT 0,1% wt.

Gambar 3. Kurva I-V DSSC P3HT 0,5% wt.

Gambar 3 menunjukkan kurva I-V hasil karakte-risasi arus tegangan DSSC menggunakan P3HT 0,5% wt. Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat bah-wa kurva I-V DSSC yang menggunakan grafit seba-

gai elektroda lawan berada di atas kurva I-V yang tidak menggunakan grafit. Arus short circuit dan te-gangan open circuit yang dihasilkan DSSC menggu-nakan grafit sebagai elektroda lawan lebih tinggi dibandingkan tidak menggunakan grafit. DSSC yang menggunakan grafit sebagai elektroda lawan terse-but menghasilkan arus short circuit sebesar

6109,11 ampere dan tegangan open circuit sebe-

sar 453,0 volt.

Gambar 4 menunjukkan kurva I-V hasil karakte-risasi arus tegangan DSSC menggunakan P3HT 1% wt. Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat bah-wa kurva I-V DSSC yang menggunakan grafit seba-gai elektroda lawan berada di atas kurva I-V yang tidak menggunakan grafit. Arus short circuit dan te-gangan open circuit yang dihasilkan DSSC menggu-nakan grafit sebagai elektroda lawan lebih tinggi dibandingkan tidak menggunakan grafit. DSSC yang menggunakan grafit sebagai elektroda lawan terse-but menghasilkan arus short circuit sebesar

6104,18 ampere dan tegangan open circuit sebe-

sar 0,475 volt.

Gambar 4. Kurva I-V DSSC P3HT 1% wt.

Saat DSSC disinari, elektron dari P3HT akan te-reksitasi menuju pita konduksi TiO2. Kemudian elek-tron akan dialirkan ke sirkuit eksternal menuju elek-troda lawan. Kekurangan elektron pada P3HT akan digantikan oleh elektron hasil reaksi redoks elektro-lit. Proses tersebut akan berlangsung secara terus-menerus sehingga menghasilkan sebuah siklus. Ba-nyaknya elektron yang mengalir akan menentukan baik-buruknya kinerja DSSC.

Berdasarkan kurva I-V dengan beberapa variasi konsentrasi dye P3HT, ditunjukkan bahwa DSSC yang menggunakan grafit menghasilkan arus short circuit (Isc) dan tegangan open circuit (Voc) lebih ting-gi dibandingkan dengan DSSC yang tidak menggu-


2104-26

nakan grafit sebagai elektroda lawan. Arus yang dihasilkan DSSC yang menggunakan grafit sebagai elektroda lawan lebih stabil sehingga kinerja yang dihasilkan juga lebih baik. Berdasarkan hal tersebut, grafit menunjukkan perannya sebagai katalis yaitu untuk mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit. Grafit juga merupakan salah satu alotrop karbon yang berfungsi sebagai konduktor akibat delokalisasi elektron antar-permukannya[9], sehingga dapat mempercepat P3HT yang kekurangan elektron kembali ke keadaan awal untuk memulai proses kerja DSSC.

Efisiensi yang dihasilkan DSSC menggunakan P3HT sebagai dye dengan variasi elektroda lawan disajikan pada tabel 1. DSSC yang menggunakan grafit sebagai elektroda lawan menghasilkan efisien-si yang lebih baik dibandingkan dengan DSSC yang tidak menggunakan elektroda lawan. Hasil optimasi menunjukkan efisiensi paling baik yang berhasil di-

peroleh adalah %109,2 3 yaitu pada DSSC den-

gan dye P3HT 1% wt dan menggunakan karbon se-bagai elektroda lawan.

Tabel 1. Efisiensi yang dihasilkan DSSC dengan variasi elektroda lawan.

P3HT Voc

(mV) Isc

(µA) η (%)

Tanpa Grafit

1% wt 429 8,4 41000,5

0,5% wt 332 4,8 41081,2

0,1% wt 154,7 1,1 51059,2

Menggu-nakan Grafit

1% wt 475 18,4 31090,2

0,5% wt 453 11,9 31075,1

0,1% wt 413 10,1 31012,1

4 Simpulan

Sel surya Dye Sensitized Solar Cells (DSSC) meng-gunakan dye P3HT dengan variasi elektroda lawan telah difabrikasi. Dengan adanya arus dan tegangan yang dihasilkan, sel surya telah terbukti dapat mengkonversi cahaya menjadi energi listrik. Luasan kurva menunjukkan DSSC yang menggunakan grafit sebagai elektroda lawan menghasilkan kurva I-V yang lebih baik dibandingkan dengan DSSC yang tidak menggunakan grafit sebagai elektroda lawan. Elektroda lawan merupakan salah satu komponen

penting yang tidak bisa dilepaskan pada struktur DSSC. Pemberian grafit pada elektroda lawan memberikan performa yang lebih baik pada DSSC. Grafit berfungsi sebagai katalis dalam mempercepat reaksi redoks dengan elektrolit. Efisiensi yang diha-

silkan adalah %109,2 3 .

UCAPAN TERIMA KASIH

Peneliti mengucapkan terima kasih kepada pengelo-la Laboratorium FMIPA UNS Surakarta dan dukun-gan dari LPPM Hibah Pasca UNS Surakarta dengan No. 2345/UN27.16/PN/2012.

DAFTAR PUSTAKA

[1] B. O’Regan, M. Gratzel, “ A low cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films”, Nature, Vol. 353, 1991, 737-740.

[2] M. Gratzel, “Photoelectrochemical cells”, Nature, Vol. 414, 2001, 338

[3] S. Karuppuchamy, J. M. Jeong, D. P. Amalnerker, and H. Minoura, “Photoinduced hydrophilicity of titanium dioxide thin films prepared by cathodic electrodeposi-tion,” Vaccum, vol. 80, no.5, pp.494-498, 2006.

[4] Doong-Joo Kwak, Byung-Ho Moon, Don-Kyu Lee, Cha-Soo Park dan Youl-Moon Sung, “Comparison of transparent conductive indium tin oxide, titanium-doped indium oxide, and flourine-doped tin oxide films for dye sensitized solar cell application”, Journal of Electrical Engineering & Technology Vol.6 No. 5 pp. 684-687, 2011.

[5] C. Longo and M.A. De Paoli, “Dye-sensitized solar cells: a successfull combination of materials,” Journal of the Brazilian Chemical Society, vol. 14, no. 6, pp. 889-901, 2003.

[6] Juan Bisquert, David Cahen, Gary Hodes Sven Ruhle dan Arie Zaban, “Physical chemical principles of pho-tovoltaic conversion with nanoparticle, mesoporous dye-sensitized solar cells’, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8106-8118.

[7] M. Gratzel, “Dye-sensitized Solar Cells,” Journal of Pho-tocemistry and Photobiology C 4 pp.145, 2003.

[8] Green, Martin A., 1982, “Solar Cells Operating Prin-ciples Technology and System Application”, Prentice Hall, Inc; Evylewood Clifts N.J.

[9] Cen-Ching Ting and Wei-Shi Chao, “Effienciency Im-provement of DSSC by Building the Carbon Black as Bridge in Photoelectrode. SET2009-8th International Conference in Sustainable Energy Technologies,. Aa-chen, Germany. 2009. Pp 1-7.


© 2014 SIMETRI 2105-27

Aplikasi Automata Gas Kisi untuk Mengestimasi Porositas Efektif dan Permeabilitas yang Menggunakan Penghalang Model Bola dengan Radius Bervariasi

Halauddin

Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Bengkulu, Indonesia

Intisari: Penelitian ini bertujuan untuk menghitung porositas efektif (eff) dan permeabilitas (k) yang menggunakan penghalang model bola dengan dengan radius bervariasi yaitu 1 cm; 1,6 cm; 2 cm; 2,2 cm; dan 2,5 cm. Perhitungan porositas efektif dan permeabilitas dilakukan dengan menggunakan model Lattice Gas Automata (LGA) yang diimplementasikan dengan bahasa program Delphi 7.0. Untuk model penghalang bola dengan radius 1 cm, 1.6 cm, 2

cm, 2.2 cm dan 2.5 cm, diperoleh nilai porositas efektif dan permeabilitas berturut-turut: eff(R1)=0,615, k(R1)=8,984

piksel2; eff(R2)=0,534, k(R2)=6,463 piksel2; eff(R3)=0,525, k(R3)=7,418 piksel2; eff(R4)=0,489, k(R4)= 5,682 piksel2; dan

eff(R5)=0,447, k(R5)=1,969 piksel2. Dari hasil simulasi, diperoleh bahwa radius bola akan berpengaruh signifikan terhadap nilai porositas efektif dan permeabilitas. Jika radius bola besar, menyebabkan tumbukan aliran fluida model LGA mengalami hambatan lebih banyak dengan penghalang, sehingga porositas efektif dan permeabilitas menjadi kecil. Sebaliknya, Jika radius bola kecil, menyebabkan tumbukan aliran fluida model LGA mengalami hambatan lebih sedikit dengan penghalang, sehingga porositas efektif dan permeabilitas semakin besar.

Kata kunci: porositas efektif, permeabilitas, radius bola dan model LGA.

Abstract: This research purposed to calculate the effective porosity (eff) and permeability (k) using the barrier model of the sphere with a radius varying the 1 cm 1.6 cm, 2 cm 2.2 cm and 2.5 cm. Effective porosity and permeability calcula-tions performed using the model Lattice Gas Automata (LGA), which is implemented with Delphi 7.0 programming lan-guage. For model the barrier sphere with a radius of 1 cm, 1.6 cm, 2 cm, 2.2 cm and 2.5 cm, the value of effective porosi-

ty and permeability in a row: eff(R1)=0,615, k(R1)=8,984 pixel2; eff(R2)=0,534, k(R2)=6,463 pixel2; eff(R3)=0,525,

k(R3)=7,418 pixel2; eff(R4)=0,489, k(R4)= 5,682 pixel2; and eff(R5)=0,447, k(R5)=1,969 pixel2. From the simulation results, obtained by the radius of the sphere will be a significant effect on the value of effective porosity and permeability. If a big sphere radius, causing the collision LGA fluid flow models have problems more with the barrier, so that the effective po-rosity and permeability to be small. Conversely, if a small sphere radius, causing the collision model of fluid flow LGA experienced fewer barriers with a barrier, so that the effective porosity and permeability increase.

Keywords: effective porosity, permeability, radius of sphere and model of LGA.

E-mail: [email protected]

1 PENDAHULUAN

da dua cara umum studi mengenai fluida, yang pertama adalah dengan mengambil sudut

pandang makroskopik yang menggambarkan fluida sebagai kontinum. Yang kedua menggunakan sudut pandang mikroskopik yang menggambarkan inter-aksi antar partikel dalam fluida. Fluida memiliki karakteristik skala panjang. Pada skala makroskopik, karakteristik tersebut berkaitan dengan lebar chan-nel atau diameter hambatan atau bisa juga ukuran pusaran. Pada skala mikro, karakteristik ini diten-tukan oleh jarak perpindahan partikel sebelum terjadi tumbukan, atau mean free path. Pada skala mikro, mean free path untuk fluida cair jauh lebih kecil daripada gas[1].

Dengan kemajuan di bidang komputasi numerik, simulasi aliran fluida telah banyak dilakukan, walau-pun masih ditemukan beberapa kesulitan dalam

jumlah kisi, dan kestabilan numerik[2]. Beberapa relasi antar parameter reservoar telah dapat diterangkan dengan pemodelan numerik, salah satunya adalah metoda Automata Gas Kisi (LGA, Lattice Gas Automata). LGA merupa-kan variasi dari sistem cellular automata, dengan kisi sebagai mediumnya.

Pada penelitian ini dilakukan pemodelan fisika (physical modelling) untuk validasi mekanisme ali-ran fluida dalam medium berpori. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan pemahaman kom-prehensif tentang mekanisme aliran fluida dalam medium berpori dengan yang sebenarnya.

Permeabilitas adalah suatu sifat batuan reservoir untuk dapat meluluskan cairan melalui pori-pori yang berhubungan, tanpa merusak partikel pem-bentuk atau kerangka batuan tersebut. Henry Darcy telah memperkenalkan suatu persamaan yang

A


Halauddin/Aplikasi Automata Gas Kisi ... SIMETRI Vol. 2 No.1 Jan’14

2105-28

sederhana untuk menghitung kecepatan aliran laminer dari suatu fluida yang viskous dalam medium berpori.

dx

dpkq

(1)

dengan q = laju aliran per luas penampang dinya-takan dalam sentimeter per sekon, k = permeabi-

litas hidrolik, = viskositas fluida, dan dxdp / =

gradien tekanan,

Pers.(2) di dalam disiplin geohidrologi dapat dimodifikasi menjadi:

l

h ku f

(2)

dengan kf = koefisien rembesan, h = beda tinggi head, dan l = panjang medium.

Dengan demikian jelaslah bahwa permeabilitas adalah k yang dinyatakan dalam darcy. Definisi API untuk 1 darcy: suatu medium berpori mempunyai permeabilitas sebesar 1 darcy, jika cairan berfasa satu dengan kekentalan 1 sentipoise mengalir dengan kecepatan 1 cm/sekon melalui penampang seluas 1 cm2 pada gradien hidrolik satu atmosfer (76,0 mm Hg) per sentimeter dan jika cairan tersebut seluruhnya mengisi medium tersebut.

Dari definisi diatas tidak dijelaskan hubungan antara permeabilitas dan porositas. Sebetulnya tidak ada hubungan antara permeabilitas dan porositas. Batuan yang permeabel selalu porous, tetapi sebaliknya, batuan yang porous belum tentu permeabel. Hal ini disebabkan karena batuan yang berporositas lebih tinggi belum tentu pori-porinya berhubungan satu dengan yang lain. Sebaliknya juga dapat dilihat, bahwa porositas tidak tergantung dari besar butir, dan permeabilitas merupakan suatu fungsi yang langsung terhadap besar butir[3].

Persamaan Mikrodinamik dan Makrodinamik LGA

Aturan dan medium tumbukan dalam LGA adalah kisi-kisi berbentuk segitiga. Berikut ini adalah rumu-san matematis untuk menggambarkan aliran fluida dari sistem cellular metoda LGA.

txntxntcxn iiii ,,1, (3)

Partikel bergerak dalam kisi heksagonal sebagai variabel booelan ni(x,t), nilai tersebut akan bernilai 1 jika ada partikel dan 0 jika tidak ada partikel yang bergerak dari posisi x ke posisi x+ci. Operator delta (∆) adalah operator tumbukan yang menggambar-kan perubahan nilai ni(x,t). Operator tumbukan ini

dapat berharga 0, 1 atau –1. Jika tidak ada peruba-han dalam jumlah partikel i akibat peristiwa tum-bukan, yaitu jumlah partikel sebelum dan sesudah tumbukan adalah sama maka nilai ∆I = 1. Partikel bergerak dari posisi x ke posisi x+ci, partikel bergerak dengan kecepatan satuan unit dalam arah:

6

2sin,

6

2cos

iici

(4)

dengan i = 1, 2, 3, …,6.

Partikel-partikel bertumbukan dalam medium kisi gas dan harus memenuhi hukum kekekalan massa, syaratnya

i

i n 0 (5)

dan memenuhi hukum kekekalan momentum

i

ii nc 0 (6)

dengan menggunakan hubungan (6), maka persa-maan mikrodinamik untuk seluruh arah i, hukum kekekalan massa menjadi

i i

iii txntcxn ,1, (7)

Sedangkan untuk mendapatkan persamaan kekeka-lan momentum diperoleh dengan mengalikan pers.(3) dengan ci,

i i

iiiii txnctcxnc ,1, (8)

Pers.(7) dan (8) menggambarkan evolusi massa dan momentum dalam medan booelan dan dapat dianggap sebagai persamaan keseimbangan massa dan momentum dari sistem gas kisi.

Persamaan makrodinamik LGA diperoleh de-ngan melihat kasus pada Gambar 1 yang meng-gambarkan evolusi yang terjadi dalam sistem. Pada gambar tersebut digambarkan suatu daerah A, dari kisi yang dikelilingi oleh garis S. Pers.(8) dapat dituliskan sebagai:

S

txntxnAx i

iii

darikeluaryangmassanettoflux

,1,

(9)

Ruas kiri persamaan tersebut identik dengan persa-maan finite difference dan ruas kanannya adalah pernyataan diskrit dari integral permukaan. Dengan menyatakan ∑<ni> sebagai jumlah rata-rata par-tikel untuk semua komponen i dalam satu grup dan diasumsikan <ni>(x,t) berubah lambat terhadap ruang dan waktu. Hukum kekekalan massa mikros-kopik dapat dinyatakan menjadi:


2105-29

0,

txn

ti (10)

sehingga pers.(10) dapat ditulis dalam bentuk

i i

ii

i

i cnnt

(11)

dimana komponen α dari kecepatan ci dinyatakan ciα.

Uraian tersebut diatas juga berlaku untuk fluks momentum, sehingga persamaan hukum kekekalan momentum dapat dituliskan sebagai:

S

ctxntxn i

Ax i

ii

darikeluaryangarahmomentumnettoflux

,1,

(12)

Persamaan di atas dapat ditulis dalam bentuk yang lebih sederhana menjadi:

iii

i

i ccnnt

(13)

Untuk menyatakan pers.(12) dan (13), didefinisikan variabel fisika densitas

i

in (14)

dan rapat momentumnya

i

ii cnu (15)

Dengan substitusi pers.(12) dan (13) ke (11) dida-patkan persamaan kontinuitas

ut

(16)

dengan mendefinisikan tensor fluks momentum untuk LGA sebagai:

i

iii ccn )0( (17)

maka persamaan makroskopik momentum men-jadi:

)0(

u

t (18)

Pada kasus kecepatan yang rendah, tensor Παβ dapat diekspansi menjadi[4]:

40 uOuup

dimana adalah tensor elastisitas. Akhirnya

dari pers.(16) dapat dilakukan pendekatan persa-maan yang mendekati bentuk nyata yaitu:

202 upuu

t

(19)

Pers.(19) tersebut mirip dengan persamaan Euler untuk kasus aliran termampatkan. Sedangkan A dan B adalah dua modul elastis bebas yang dapat diperoleh dari populasi rata-rata[4] <ni>.

Persamaan permeabilitas pada porositas retakan batuan

Pemahaman tentang pola aliran fluida dalam retakan sangat penting untuk dilakukan. Dalam eksplorasi dan eksploitasi, baik itu untuk minyak maupun untuk mencari air tanah, informasi tentang pola retakan dapat memberikan gambaran pergerakan fluida. Sehingga dimungkinkan untuk memprediksi posisi fluida berada[5]. Pola retakan sederhana diperlihatkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Ilustrasi pola retakan sederhana

Le adalah panjang saluran efektif. Persamaan aliran volume fluida yang didapatkan dari ilustrasi di atas adalah[6]:

avvAQ p (20)

Porositas diperoleh dari pers.(21):

AL

aLe (21)

Permeabilitas dihitung dengan pers.(22)[2],

2

3

cSk

eff

(22)

dengan eff : porositas efektif medium.

c : koefisien Kozeny.

S : specific surface area.

S dihitung melalui persamaan (23)[6],

)1(0

RS (23)

dengan R0 adalah radius hidrolik.


2105-30

2 METODE PENELITIAN

Pembuatan Model Retakan

Ada 5 buah model retakan dengan penghalang model bola yang akan disimulasikan berdasarkan perbedaan radius. Kelima model dibuat berupa saluran (channel) dengan ukuran panjang dan lebar tetap yaitu 15 cm dan 3 cm, sedangkan radiusnya dibuat bervariasi dengan ukuran 1 cm; 1,6 cm; 2 cm; 2,2 cm; dan 2,5 cm seperti diilustrasikan pada Gambar 2.

Gambar 2. Ilistrasi retakan dengan penghalang model bola

Visualisasi program

Program model ini terdiri atas beberapa program dan keseluruhan program dibuat dengan menggu-nakan bahasa pemograman BORLAND DELPHI 6, serta visualisasinya. Program tersebut adalah:

1. Input, di mana program ini digunakan untuk memilih retakan, menentukan arah aliran fluida pada retakan, menentukan time-step aliran fluida serta perintah untuk menjalankan (run) program.

2. Menghitung besarnya porositas retakan.

3. Menghitung besarnya permeabilitas retakan.

4. Menghitung besarnya porositas retakan.

5. Menampilkan grafik antara porositas terhadap time-step.

6. Menampilkan grafik antara permeabilitas terha-dap time-step.

7. Gambar hasil (visualisasi) retakan setelah dile-wati fluida.

3 HASIL DAN PEMBAHASAN

Simulasi dilakukan dengan bahasa program Borland Delphi 7,0, dengan time-step konstan sebesar 1000 time-step. File disimpan dengan extention (*.md3). Ada beberapa parameter yang langsung diketahui setelah running data, yaitu:

1. Dalam bentuk notepad mencatat besarnya poro-sitas total dan porositas efektif dan nilai permea-bilitas.

2. Dalam bentuk bmp.image diperoleh grafik poro-sitas, grafik permeabilitas vs time-step, serta ilus-

trasi aliran fluida melalui retakan sampel untuk setiap variasi sudut pada saat sebelum dan sesu-dah running data.

Sedangkan hasil permeabilitas model LGA ditulis-kan secara lengkap pada Tabel 1.

Tabel 1. Hasil Pengamatan

Radius Time-step

Porositas Total (tot)

Porositas Efektif (eff)

Permeabilitas (k)

1,0 cm 1000 0,934 0,615 8,984 piksel2 1,6 cm 1000 0,845 0,534 6,463 piksel2 2,0 cm 1000 0,815 0,525 7,418 piksel2 2,2 cm 1000 0,779 0,489 5,682 piksel2 2,5 cm 1000 0,724 0,447 1,969 piksel2

Perhitungan porositas dan permeabilitas untuk model retakan dengan radius penghalang bola 1 cm pada saat running dengan durasi 1000 time-step ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Hasil model LGA untuk radius bola 1 cm

Pada Gambar 4, diperlihatkan besarnya nilai porositas total dan permeabilitas untuk radius 1 cm, masing-masing dengan nilai 0,934 dan 8,984 piksel2.

Gambar 4. Grafik porositas dan permeabilitas hasil model LGA untuk radius 1 cm

Perhitungan porositas dan permeabilitas untuk model retakan dengan radius penghalang bola 1,6 cm pada saat running dengan durasi 1000 time-step ditunjukkan pada Gambar 5.


2105-31

Pada Gambar 6, diperlihatkan besarnya nilai porositas total dan permeabilitas untuk radius 1,6 cm, masing-masing dengan nilai 0,845 dan 6,463 piksel2.

Gambar 5. Hasil model LGA untuk radius bola 1,6 cm

Gambar 6. Grafik porositas dan permeabilitas hasil model LGA untuk radius 1,6 cm

Perhitungan porositas dan permeabilitas untuk model retakan dengan radius penghalang bola 2 cm pada saat running dengan durasi 1000 time-step ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Hasil model LGA untuk radius bola 2 cm

Pada Gambar 8, diperlihatkan besarnya nilai porositas total dan permeabilitas untuk radius 2 cm, masing-masing dengan nilai 0,815 dan 7,418 piksel2.


Gambar 8. Grafik porositas dan permeabilitas hasil model LGA untuk radius 2 cm


Pada Gambar 10, diperlihatkan besarnya nilai porositas total dan permeabilitas untuk radius 2,2 cm, masing-masing dengan nilai 0,779 dan 5,682 piksel2.



Pada Gambar 12, diperlihatkan besarnya nilai porositas efektif dan permeabilitas untuk radius 2,5 cm, masing-masing dengan nilai 0,724 dan 1,969 piksel2.


2105-32



Dari hasil simulasi pada Gambar 3; 5; 7; 9 dan 11, ditunjukkan bahwa gerak fluida memiliki pola kecepatan yang kompleks (laminer dan turbulen). Time-step untuk setiap simulasi adalah 1000. Pembe-rian nilai time-step sebesar 1000 telah dicoba sebe-lumnya untuk kelima jenis image, jadi dapat dipas-tikan pada nilai time-step 1000 proses running data untuk menghitung porositas dan permeabilitas telah mencapai keadaan mantap (steady state). Proses fisis yang terjadi dalam model LGA ini adalah terbuk-tinya aliran laminar dan turbulen.

Model Lattice Gas Automata (LGA) dapat meng-hitung nilai porositas total, porositas efektif dan permeabilitas terhadap time-step untuk variasi radius penghalang model bola hasil model. Nilai porositas total, porositas efektif dan permeabilitas sangat dipe-ngaruhi oleh radius yang diberikan. Semakin besar radius bola akan berpengaruh linier terhadap kenaikan nilai porositas total, porositas efektif dan permeabilitas. Hal ini disebabkan karena simulasi aliran fluida pada saat running data arahnya hori-zontal menyebabkan fluida bertumbukan dengan model bola sebagai penghalang sesuai dengan variasi radius yang diberikan.

Secara hidrodinamika, untuk model bola sebagai penghalang, untuk radius yang kecil, pola aliran lebih didominasi oleh aliran laminer, menyebabkan aliran secara turbulensi hanya terjadi di daerah sisi bola saja menyebabkan permeabilitas besar Sebalik-nya, untuk model bola sebagai penghalang untuk radius yang besar, pola aliran lebih didominasi oleh aliran turbulensi, menyebabkan aliran secara lami-ner hanya terjadi di tengah bola saja menyebabkan permeabilitas semakin kecil.

4 SIMPULAN

Dari hasil pengamatan dan pembahasan, dapat dibuat beberapa kesimpulan antara lain:

1. Nilai porositas efektif (eff) dan permeabilitas (k) untuk kelima model bola sebagai penghalang dengan radius 1 cm; 1,6 cm; 2 cm; 2,2 cm; dan

2,5 cm diperoleh berturut-turut: eff (R1)=0,615,

k(R1)=8,984 piksel2; eff(R2)=0,534, k(R2)=6,463

piksel2; eff(R3)=0,525, k(R3)=7,418 piksel2; eff(R4)

=0,489, k(R4)= 5,682 piksel2; dan eff(R5)= 0,447, k(R5)=1,969 piksel2.

2. Automata gas kisi model FHP dapat digunakan untuk mengestimasi besarnya permeabilitas reta-kan batuan dengan model penghalang model bola berdasarkan radius yang bervariasi. Walau-pun pola simulasi bersifat deskrit (pergerakan fluida bersifat random), tidak persis seperti aliran fluida sebenarnya, tetapi model ini dapat menge-nali pola retakan untuk mengestimasi permea-bilitas dengan baik.

REFERENSI [1] Bimo. BB, 2009., Makrodinamika dan Mikrodinamika

pada Lattice Gas Cellular Automata, Jurusan Fisika Fa-kultas MIPA, ITB, Bandung.

[2] Koponen, A., Kataja, M, 1986., Permeability and Effec-tive Porosity of Porous Media, Phys. Rev. E 54, 406-410.

[3] Koesoemadinata, R.P, 1980., Geologi Minyak dan Gas-bumi, Jilid 1, Edisi Kedua, Penerbit ITB, Bandung.

[4] Frisch U, Hasslacher B, and Pomeau Y, 1986., Lattice-Gas Automata for the Navier-Stokes Equation, Physical Review Letters , Vol 56, No 14, pp 1505 - 1508.

[5] Halauddin, 2003., Estimasi Permeabilitas Rekahan Dengan Pendekatan Analitik dan Model LGA, Tesis Magister, Jurusan Geofisika Terapan, ITB, Bandung.

[6] Dullien, F.A.L, 1992., Porous media fluida transport and pore structure, Academic Press, Inc., New York.


© 2014 SIMETRI 2106-33

Sintesa dan Pengukuran Berat Jenis serta Kekerasan dari Bahan Na-Beta-Alumina sebagai Elektrolit Padat

Ramlan

Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Sriwijaya, Sumatera Selatan, Indonesia

Intisari: Na-Beta-Alumina mengandung campuran bahan lain dengan komposisi tertentu dari masing-masing bahan yaitu α-Al2O3, Na2CO3 dan Mg(OH2CO3. Bahan-bahan tersebut dicampur dan digiling dalam Ball Mill dengan media ace-ton selama 24 jam hingga homogen. Proses selanjutnya adalah proses pengeringan dalam kamar pengering pada tempe-ratur 1250°C dengan kecepatan 300°C/jam. Serbuk Na-Beta-Alumina yang dihasilkan dianalisa dengan XRD. Proses selan-jutnya, serbuk Na-Beta-Alumina dicetak berbentuk pelet (tablet) dengan cara press menggunakan alat hydraulic press. Kemudian sampel yang dihasilkan disinter (bakar) pada temperatur 1500°C, 1550°C dan 1600°C selama 2 jam. Uji karak-teristik porositas, densitas dan kekerasan adalah proses yang perlu dilakukan terhadap sampel yang telah dihasilkan dari proses sebelumnya. Dari hasil pengujian dapat dilihat bahwa porositas berkisar 51.89% sampia 53.34%. Densitas berkisar (3.26 – 3.34)×103 kg/m3 dan tingkat kekerasan bahan (238.8 – 342.9)×10 kgf/m2.

Kata kunci: Na-Beta-Alumina, elektrolit padat

1 PENDAHULUAN

lektrolit padat sering digunakan dalam menen-tukan besaran kimia (termokimia) dari suatu

bahan melalui metoda EMF (Electromotive Force). Elektrolit padat dari bahan Na-Beta-Alumina (Na-β’-Al2O3) ini dapat digunakan dalam sistem penyimpa-nan energi seperti baterei. Baterei yang dimaksud adalah Sodium-Sulfur Cell, yang dapat diisi kembali (recharged) bila sumber dayanya telah menurun. Yao dan Kummer[1] mengatakan bahwa Na-Beta-Alumina adalah bahan elektrolit padat yang baik dalam pengantaran ion dan stabil sampai suhu 1600°C[2].

Bentuk elektrolit padat berupa tabung dengan salah satu ujung tertutup yang kemudian diisi Na-trium sebagai anoda, katoda berupa Natrium-Sulfur. Sebagai sumber energi baterei sejenis ini praktis dan dapat dipindahkan serta mampu bekerja hingga suhu 300°C, membutuhkan material yang jauh lebih sedikit, waktu pengisian kembali dapat dilakukan dengan waktu singkat. Sodium-Sulfur Cell sangat menarik, bersih dan aman terhadap lingkungan. Sehubungan dengan hal tersebut, penelitian ini ber-tujuan meneliti bahan elektrolit padat Na-Beta-Alumina dan sintesa karakteristiknya.

Keramik Alumina (Al2O3) merupakan material keramik yang tepat untuk bahan keramik Hi-Tech, karena dalam proses sintering membutuhkan tem-peratur yang sangat tinggi, disamping itu keramik alumina termasuk keramik tahan suhu tinggi mem-punyai densitas tinggi.

Tujuan dasar dalam teknologi alumina adalah untuk mengontrol struktur mikronya yakni ukuran bentuk dan susunan dari butiran pori-pori serta ben-tuk fase keduanya, ini merupakan suatu hal yang mempunyai peranan penting.

Alumina mengandung dua bentuk dasar yaitu α-Alumina (-Al2O3) dan -Alumina (-Al2O3). Di

samping itu bentuk lain Alumina disebut sebagai β-Alumina yang merupakan alumina tidak murni. β-Alumina merupakan variasi dari struktur α-Alumina dengan transformasi temperatur yang bervariasi dan terjadi secara irreversible. β-Alumina ada dalam be-berapa modifikasi struktur antara lain bernama β-Alumina dan β'-Alumina, yang berada dalam rang-kaian banyak lapisan.

2 METODOLOGI

Untuk mendapatkan batch yang homogen dari ba-han Na-Beta-Alumina dibutuhkan pencampuran bahan dasar -Al2O3, Na2O3, dan Mg(OH)2CO3 de-

ngan komposisi 88,74%-massa Al2O3, 9,03%-massa Na2O3, dan 2,23% massa MgO. Semua bahan dasar tersebut dicampurkan dengan aceton dan diletakkan dalam wadah silinder (Ball Mill) selama 24 jam. Se-telah tercampur secara homogen, butiran bahan tersebut dikeringkan dalam oven pengering dengan suhu 120°C serta dibakar hingga suhu mencapai 1250°C.

Setelah dingin, Butiran bahan tersebut disintesa dengan XRD. Sebelum dicetak berbentuk pelet, serbuk tersebut ditambahkan bahan pengikat serbuk yaitu PVA (Polivynil Aceton) sebanyak 1% dari berat serbuk yang akan dicetak. Kemudian, serbuk dice-

E

Ramlan/Sintesa & Pengukuran Berat Jenis ... SIMETRI Vol. 2 No.1 Jan’14

2106-34

tak dengan cara Dry Pressing dengan menggunakan alat Hydraulic Press pada tekanan 40000 kPa. Kan-dungan air bebas, kandungan air terikat dan gas-gas yang terdapat dalam pelet perlu dihilangkan melalui sintering dalam Electrical Furnace Thermolyne 46200 dengan temperatur 1500°C, 1550°C, 1600°C selama 2 jam dan 1550°C selama 5 jam.

Setelah ukuran volume berkurang dan bertam-bah kuat pula sampelnya, sampel akan diukur untuk mengetahui perubahan sampel sesuai dengan syarat teori. Pengukuran porositas pada sampel perlu dila-kukan untuk mengetahui kelayakan sampel yang dibuat sesuai dengan syarat teori yaitu keramik yang mempunyai porositas 20% sampai 90%. Berikut per-samaan umum porositas dari pengujian sampel,

Porositas =𝑊2−𝑊1

𝑊2 − (𝑀2 −𝑀𝑘)× 100%

dengan W2, W2, M2 dan Mk berturut-turut adalah massa sampel kering, massa sampel basah, kawat penggantung dan sampel yang diikat dengan kawat penggantung.

Sementara itu, pengukuran densitas dilakukan untuk mendapatkan hasil keramik yang mempunyai densitas yang sesuai, yakni Al2O3 (85-95%) dengan densitas 3,3 – 3,5 gr/cm3 dan Al Al2O3 (99,5%) de-ngan densitas 3,98 gr/cm3 melalui perhitungan beri-kut ini:

𝜌bulk =𝑊1

𝑊1 − (𝑀2 −𝑀𝑘)× 𝜌air

dengan 𝜌bulk dan 𝜌air berturut-turut adalah densitas sampel ukuran bulk dan densitas air.

Uji tingkat kekerasan dilakukan pada sampel dengan menggunakan metode Vickers Hardness Test. Alat yang digunakan pada pengujian ini adalah Matsuzawa MXT-50 Microhardness Tester. Uji ini di-lakukan secara berulang-ulang dan nilai rata-rata dari pengukuran tersebut merupakan nilai tingkat kekerasan sampel. Kemudian, Analisa struktur den-gan XRD dilakukan terhadap sampel untuk menge-tahui perubahan fasa struktur bahan sesuai dengan suhu pembakaran.

3 HASIL PERCOBAAN

Penyiapan Bahan

Dalam pemilihan bahan baku, kualitas dan tingkat kemurnian bahan baku memegang peranan penting untuk mendapatkan mutu produk yang baik. Bahan baku dengan tingkat kemurnian yang tinggi me-mungkinkan ketepatan dalam perhitungan kompo-sisi pencampuran bahan baku sehingga menda-

patkan sifat dan karakteristik produk hasil sesuai dengan yang diharapkan. Berikut tahapan proses pembuatan serbuk Na-Beta-Alumina.

Gambar 1. Diagram alir pembuatan Na-Beta-Alumina

Bahan-bahan dasar yang digunakan untuk proses pencampuran adalah (-Al2O3, Mg(OH)2CO3, dan

Na2CO3.

Percobaan

Tahapan proses pembuatan serbuk Na-β-Alumina pada pembakaran terjadi pelepasan H2O, gas CO2 dan O2. Setelah disintering pada tempera-tur 1100°C, terbentuk α-Al2O3. Terlihat adanya pun-cak-puncak intensitas difraksi sinar-x yang menun-jukkan terbentuknya struktur fasa. Analisis puncak-puncak difraksi sinar-x dilakukan dengan menco-cokkan data-data yang diperoleh dari hasil analisis dengan buku acuan JCPDS. Hasil sintering menun-jukkan Na-Beta-Alumina terbentuk pada temperatur 1250°C.

Hasil pengukuran porositas untuk sampel uji di-peroleh sekitar 51,89% sampai 53,34% dan hasil pengukuran densitas untuk sampel uji diperoleh sekitar (3,26 - 3,34)×103 kg/m3. Untuk pengukuran tingkat kekerasan bahan diperoleh sekitar (238.8 - 342.9)×10 kgf/m2.

Pengaruh suhu pembakaran terhadap porositas, densitas dan kekerasan bahan menunjukkan bahwa semakin tinggi temperatur pembakaran akan mem-berikan porositas yang semakin kecil dan densitas makin tinggi serta kekerasan bahan semakin tinggi. Hal ini dikarenakan proses pemadatan bahan atau pengikatan partikel-partikel pada batas permukaan di dalam massa bahan sebagian pori akan tertutup akibatnya volume berkurang.

Dari proses pembuatan dan percobaan tersebut didapatkan data pengukuran. Data pengukuran me-liputi pengukuran porositas terhadap suhu sintering, densitas terhadap suhu sintering dan porositas ter-hadap densitas. Data analisis struktur dari bahan di dapat dengan menggunakan XRD. Data yang dida-

Ramlan/Sintesa & Pengukuran Berat Jenis ... SIMETRI Vol. 2 No.1 Jan’14

2106-35

pat ditampilkan berupa kurva pada Gambar 2, Gambar 3 dan Gambar 4:

51.80

52.00

53.00

53.20

53.40

53.60

52.20

52.40

52.60

52.80

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Suhu Sintering (°C)

Po

ros

itas

(%

)

Gambar 2. Hubungan Porositas vs Suhu Sintering untuk Bahan Na-Beta-Alumina

3.26

3.27

3.32

3.33

3.34

3.35

3.28

3.29

3.30

3.31

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Suhu Sintering (°C)

De

nsit

as

(1

0 k

g/m

)3

3

Gambar 3. Hubungan Densitas vs Suhu Sintering untuk Bahan Na-Beta-Alumina

51.80

52.00

53.00

53.20

53.40

53.60

52.20

52.40

52.60

52.80

Po

ros

itas

(%

)

3.26 3.27 3.32 3.33 3.343.28 3.29 3.30 3.31

Densitas (10 kg/m )3 3

Gambar 4. Hubungan Porositas vs Densitas untuk Bahan Na-Beta-Alumina

4 KESIMPULAN

Dari hasil sintesa serta pengukuran densitas dan kekerasan dari bahan Na-Beta-Alumina sebagai elektrolit padat. Setelah dilakukan pengujian karak-teristiknya maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

Variasi suhu sintering (pembakaran) sangat mempengaruhi kualitas sampel, karena dapat menimbulkan keretakan atau cacat pada bahan.

Perlakuan panas (heat treatment) dapat mening-katkan kualitas bahan, tampak bahwa sampel yang dibakar pada suhu 1600°C memiliki poro-sitas yang kecil dan densitas serta kekerasan ba-han yang tinggi.

Dari percobaan yang dilakukan sampel yang diuji masih rapuh, dimana memiliki nilai poro-sitas besar, densitas kecil serta tingkat kekerasan bahan masih rendah. Hal ini disebabkan oleh karena suhu pembkaran belum mencapai standar (> 1700°C) dengan melting point suhu 2050°C.

Temperatur pembakaran berbanding lurus dengan densitas berbanding terbalik terhadap porositas.

REFERENSI [1] Yao, Y.F.Y., J.T. Kummer, 1967, Ion Exchange Proper-

ties of and Rates of Ionic Diffusion in Bata Alumina, J. Inorg, nucl, chem., 29, 2453-2475

[2] Janke, D., 1987, Ioneleiter, In : H. Deutsch-Franzosiche Tagung uber Technische Keramik, aachen, 4, Bis 6, Marz, 1987, 259-392

Yang diacu tidak secara langsung:

[3] Kiukola K. and C. Wagner, 1957, Measurements on Galvanic Cell Involving Solid Electrolytes, J. Electro-hem. Soc, 104,397-387

[4] Hausner, H., 1985, Der Einfluss von verfaren stechni-sehen Parameter aufdas Mikrogefuge yon Beta Al2O3, BMFT-Forschungsvohaben, kennzeichen 03E 8122 A, TU Berlin, Inst. f. Nichtmerallische Werkstoffe

[5] Knacke, O., Kubaschewski, K. Hesselmann, 1991, Thermochemical properties of inorganic substances, Ver-lag Stahleisen m b H Dusseldorf

[6] Ramlan, 2001, Pengaruh MgO dan Suhu Sintering ter-hadap mikrostruktur dan Sifat Keramik Beta-Alumina β"-Al2O3

[7] A. Reviov and J.N. Pratt, 1990, Aplication of Solid Electrolytes in Thermodynamic Studies of Materials, Metallurgical Transactions A, Vol 21 A

[8] Goro Yamaguchi and Kazutaka Suzuki, 1986, On the structures of Alkali Polyaluminates, Bulletin of the Chemical Society of Japan, Vol 41,

jurnal ilmu fisika indonesia · pdf fileintisari: dalam artikel ini dikaji mengenai perilaku...

Documents