Adi Pengalir (Superconductor)

Orang yang mempunyai pendidikan formal dalam bidang teknologi elektrik selalunya akan melihat bahan-bahan yang terdapat dalam dunia ini kepada 3 kategori iaitu Pengalir, Penebat dan separuh pengalir. 

Gambar diambil daripada Oak Ridge National Laboratory menunjukkan bahan magnetik ini terapung terapung diatas bahan adi pengalir yang mengalirkan arus elektrik

Bahan pengalir walaupun boleh mengalirkan arus elektrik, sebenarnya masih mempunyai sedikit rintangan terhadap arus elektrik pada suhu bilik (20-30 darjah selsius), apabila suhu diturunkan sampai kepada suatu tahap di mana bahan pengalir boleh mencapai sifar rintangan terhadap arus elektrik, pada tahap ini, bahan itu sudah berubah menjadi adi pengalir (super conductor) contohnya unsur plumbum dan merkuri yang disejukkan pada suhu lampau sejuk.

Pengalir bahan boleh mencapai sifat sifar rintangan ini pada suhu-suhu tertentu dibawah suhu bilik yang dipanggil suhu kritikal (bermaksud perlu ada mekanisme untuk menyejukkan bahan itu agar bahan mencapai sifar rintangan). Lain unsur mempunyai suhu kritikal yang berbeza, tetapi kebanyakannya dibawah -253 darjah selsius atau 20 Kelvin.

KAJIAN BERTERUSAN

Para Saintis dan pengkaji terus mengkaji untuk menghasilkan bahan yang yang boleh beroperasi sebagai adi pengalir (sifar rintangan) pada suhu yang mendekati suhu bilik (sekitar 20-30 darjah selsius) dan juga tekanan atmosfera, agar bahan itu dapat digunakan secara praktikal, tanpa mekanisme penyejukan serta mekanisme tekanan tinggi, yang menjadikan aplikasi adi pengalir ini kurang ekonomik. 

Pada tahun 2020, Ranga Dias pengkaji dari Universiti Rochester, NY mendakwa berhasil menghasilkan adi pengalir iaitu sebatian yang terdiri daripada Karbon, Hidrogen dan Sulfur, yang boleh beroperasi pada suhu bilik, tetapi perlukan tekanan yang tinggi pula iaitu sebanyak 270Gpa. Namun terdapat skandal terhadap kajian beliau antaranya pemalsuan data dan plagiarism didalam kertas kerjanya.

Pada tahun 2022 pula terdapat dakwaan daripada pengkaji dari Korea Selatan, dengan menamakan sebatian yang dihasilkan mereka LK-99, adalah bahan adi pengalir yang boleh beroperasi pada suhu bilik dan tekanan atmosfera, namun akhirnya dakwaan itu disangkal kerana apabila ujikaji itu di ulang oleh saintis/pengkaji lain, bahan itu tidak menunjukkan keputusan yang sama. Dalam dunia sains, suatu ujikaji/eksperimen hanya dapat disahkan jika keputusan sama eksperimen itu berjaya diulang menggunakan prosedur, pembolehubah yang sama.

TEKNOLOGI ADI PENGALIR (SUPERKONDUKTOR)

Jadi sehingga saat ini, aplikasi teknologi adi pengalir masih memerlukan mekanisme penyejukan. Teknologi penyejukan yang digunakan sekarang terdiri daripada 2 iaitu Adi pengalir Suhu Rendah iaitu LTS (Low Temperature Superconductor) dan Adi pengalir Suhu Tinggi iaitu HTS (High Temperatur Superconductor).

LTS menggunakan cecair helium yang sangat mahal untuk mengekalkan suhu bahan pada -273 sehingga -263 darjah selsius (bahan itu menjadi adipengalir pada julat suhu ini), contoh unsur ialah plumbum dan merkuri. Alumuniun dan Nobium juga boleh menjadi adipengalir menggunakan LTS, tetapi pada suhu yang lebih tinggi daripada suhu kritikal plumbum dan merkuri. Bahan-bahan adi pengalir yang digunakan dalam LTS adalah bahan adi pengalir jenis I (Type I Superconductor) kebanyakan dari unsur logam dan Aloi.

HTS menggunakan cecair Nitrogen yang jauh lebih murah untuk mengekalkan suhu bahan pada -196 darjah selsius (bahan itu menjadi adipengalir pada suhu melebihi - 263 darjah selsius). Kebanyakan bahan adipengalir dalam teknologi HTS ialah bahan seramik seperti seramik Lantanum dan seramik Lantanum strontium. Bahan-bahan adi pengalir yang digunakan dalam LTS adalah bahan adi pengalir jenis II (Type II Superconductor). Gambarajah dibawah adalah model kabel adi pengalir HTS.

Gambar ini di ambil daripada laman https://transformers-magazine.com/magazine/an-accurate-model-of-the-high-temperature-superconducting-cable-by-using-stochastic-methods/. Dalam gambar ini, LN2 Path adalah laluan cecair Nitrogen yang bertindak sebagai agen penyejukan.

APLIKASI ADI PENGALIR

Setakat ini aplikasi adi pengalir dalam industri dan teknologi semasa amatlah terhad. Walaubagaimanapun, teknologi ini menjanjikan revolusi teknologi yang lebih mapan. Berikut antara aplikasi adipengalir.....

1. Projek AmpaCity, Essen Germany tahun 2013

Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678

Menjadi projek penghantaran tenaga elektrik pertama di dunia menggunakan teknologi adi pengalir HTS. Penggunaan adi pengalir dalam penghantaran antara 2 pencawang sejauh 1 km dapat menyelesaikan masalah kehilangan kuasa sebagaimana yang dialami oleh pengalir biasa. Malah kabel HTS mampu membawa 5 kali ganda arus elektrik berbanding kabel konvensional.

                        Proses menarik Kabel HTS dalam projek AmpaCity.Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678

Penggunaan Pengubah (Transformer) Voltan Tinggi, serta perkakas Voltan Tinggi yang bersaiz besar juga dapat dikurangkan kerana kemampuan kabel HTS untuk memindahkan arus elektrik yang lebih besar pada Pengubah (Transformer) Voltan Sederhana

Model Kabel HTS daripada Nexans. Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678. 

Lakaran Sistem Penyejukan kabel HTS.Gambar di ambil daripada dokumen CIRED - paper 0678. 

2. Pengubah Adi Pengalir (Superconducting Transformer)

Pengubah HTS diramalkan bakal menggantikan teknologi Pengubah Konvensional yang lebih efisien (tiada kehilangan kuasa) dengan saiz yang lebih kecil, serta kurang risiko untuk kebakaran (tidak perlu media penyejukan seperti minyak, vakum, SF6)

Perbandingan Transformer Konvensional dan Transformer HTS Gambar diambil daripada https://indico.cern.ch/event/626654/attachments/1523851/2381804/Superconducting_Transformers_-_Dr._Mathias_Noe.pdf

3. Motor dan Penjana teknologi Adi Pengalir (Superconductive motor and generator)

Sama seperti Pengubah (Transformer), Motor dan Penjana (Generator) yang juga menggunakan prinsip elektromagnet akan mendapat manfaat dari penggunaan bahan adi pengalir. Tenaga yang dihasilkan lebih cekap kerana kurang kehilangan kuasa yang disebabkan oleh kehilangan kuprum (copper losses), kehilangan kuprum boleh menyebabkan penggunaan tenaga elektrik yang tinggi kerana lebih tenaga diperlukan untuk menghasilkan medan magnet untuk melakukan kerja (daya kilas yang menghasilkan putaran), manakala untuk Penjana, medan magnet digunakan untuk menghasilkan Beza Upaya (Voltan)

(i)Motor Superkonduktif (ii) Penjana Superkonduktif Gambar diambil daripada https://www.researchgate.net/figure/i-Superconducting-motor-ii-Superconducting-Generator-18_fig7_333660897

Di samping itu,menggunakan teknologi adi pengalir ini,  saiz jentera (Motor atau Penjana) dapat dikurangkan ini. Teknologi ini juga memungkinkan penggunaan tenaga elektrik sepenuhnya pada kenderaan, kapal terbang mahupun kapal laut yang menggunakan tenaga putaran seperti motor untuk menggantikan enjin yang bersifat mekanikal.

4. Teknologi Magnetik Resonance Imaging (MRI)

Perlu diingat bukan semua MRI menggunakan teknologi Adi Pengalir, ada jenis MRI yang menggunakan Magnet kekal dan ada juga menggunakan pengalir biasa seperti kuprum dalam binaan gegelung elektromagnetnya.

Untuk MRI yang menggunakan teknologi Adi Pengalir pula, Adi pengalir digunakan untuk menghasilkan medan magnet yang tinggi dalam gegelung. Jika menggunakan pengalir biasa, halangan untuk menghasilkan medan magnet yang besar terbantut kerana rintangan yang tinggi akan menyebabkan kehilangan kuprum (copper losses), sedangkan penghasilan medan magnet berkadar terus dengan arus yang mengalir pada gegelung (coil).

Bahan adi pengalir yang digunakan dalam kebanyakan pengimbas MRI jenis superkonduktor adalah niobium-titanium (NbTi) yang menjadi adi pengalir pada suhu -264 darjah selsius. Cecair penyejuk yang digunakan adalah Helium

Gambar sebuah MRI di ambil daripada https://outreach.phy.cam.ac.uk/programme/physicsatwork/physics-work-2023-exhibitor-guide/exhibit-10-quantum-matter-research-group