Apa itu Railgun?

Railgun adalah senjata/senapan yang keseluruhan bekerja secara elektris, yang mengakselerasi proyektil konduktor di antara sepasang rel logam. Railgun bekerja dengan prinsip yang sama seperti motor homopolar. Railgun menggunakan dua kontak geser/gulir yang memungkinkan arus listrik besar melewati proyektil. Arus listrik ini berinteraksi dengan medan magnet kuat yang dihasilkan oleh sepasang rel logam dan hal inilah yang mengakselerasi proyektil. Karakteristik khusus rail gun adalah tidak digunakannya propelan (hanya proyektil dan energi elektris) dan kemampuannya untuk meluncurkan proyektil jauh lebih cepat dari teknologi senjata api.

Railgun sudah lama dikenal sebagai teknologi eksperimental dan demonstrator. Akan tetapi dalam beberapa tahun terakhir, teknologi ini sudah menjadi teknologi militer yang layak. Sebagai contoh, pada akhir 2000an, AL AS menguji railgun yang mampu mengakselerasi proyektil sebesar 3,2 kg hingga sekitar 2,4 km/detik (5.400 mil per jam). Mereka memberi motto proyek ini dengan bahasa Latin “Velocitas Eradico”, yang berarti “Kecepatan yang Menghancurkan” tetapi dapat diartikan lebih akurat menjadi “Saya Cepat dan Saya Menghancurkan”.

Terpisah dari aplikasi militer, railgun juga diusulkan untuk meluncurkan pesawat ruang angkasa ke orbit. Selain jalur peluncuran yang harus panjang (dan akselerasi untuk mencapai orbit memerlukan waktu yang jauh lebih lama), peluncuran semacam ini juga hanya terbatas untuk pesawat ruang angkasa tanpa awak.

Sejarah Railgun

Pada 1918, penemu asal Perancis, Louis Octave Fauchon-Villeplee, menemukan sebuah meriam elektrik yang mempunyai kemiripan dengan motor linear. Dia mendaftarkan penemuaanya ke paten AS pada 1 April 1919, yang telah diresmikan pada Juli 1922 dengan nomor 1,421,435 “Electric Apparatus for Propelling Projectiles”. Pada alatnya, dua buah busbar dihubungkan dengan sayap dari sebuah proyektil, dan keseluruhan alatnya dikelilingi oleh medan magnetis. Dengan mengalirkan listrik melewati busbar dan proyektil, gaya terinduksi dan mendorong proyektil sepanjang busbar dan selanjutnya ke sasaran/target.

Selama PD II, ide ini kembali dimunculkan oleh Joachim Hänsler, Kantor Artileri Jerman. Dia mengusulkan senapan elektrik anti-pesawat. Pada akhir 1944 sudah cukup teori yang dikerjakan untuk membuat Flak Command Lutwaffe mengeluarkan spesifikasi senapan yang diharapkan. Mereka mengharapkan kecepatan laras 2.000 m/detik dengan proyektil yang mengandung 0,5 kg bahan peledak. Senapan ini didesain dengan 6 laras yang menembakkan 12 amunisi per menit. Akan tetapi senjata ini tidak pernah dibuat. Ketika detail desain ditemukan setelah perang, ketertarikan akan senjata ini kembali meningkat dan penelitian yang lebih detail telah dilakukan. Puncaknya pada laporan di tahun 1947 yang menyimpulkan bahwa senjata ini layak secara teoritis, hanya saja setiap senjata ini akan membutuhkan energi yang sangat besar, yang diperkirakan cukup untuk menerangi setengah kota Chicago.

Selama 1950, Sir Mark Oliphant, seorang ilmuwan Australia dan direktur pertama Research School of Physical Sciences di Australian National University, mulai desain dan pembuatan generator homopolar terbesar di dunia (500 megajoule). Generator ini digunakan untuk mengoperasikan railgun skala besar yang dipakai untuk instrumen ilmiah.

Prinsip Dasar Railgun

Sebuah railgun pada dasarnya merupakan sirkuit elektrik besar, yang dibuat dengan tiga bagian: sebuah sumber listrik, sepasang rel logam paralel dan sebuah armatur bergerak. Power supply sumber aliran listrik. Biasanya diperlukan arus listrik sebesar jutaan ampere untuk railgun kaliber menengah sampai besar. Relnya merupakan logam konduktor seperti tembaga. Biasanya panjangnya antara 4 hingga 30 kaki (9 meter) Armatur menjembatani celah antara kedua rel. Armatur dapat berbentuk potongan utuh logam konduktor atau sabot konduktif yang merupakan pembawa anak panah atau proyektil lain. Beberapa railgun menggunakan armatur plasma. Dalam set ini, sebuah logam foil tipis ditempatkan di belakang proyektil non-konduktor. Ketika arus listrik mengalir melewati foilnya, foil akan menguap dan membentuk plasma, yang mengalirkan arus listrik.

Berikut ini adalah bagaimana ketiga bagian tersebut bekerja bersama.

Arus listrik mengalir dari terminal positif power supply, naik rel positif, melewati armatur, turun ke rel negatif dan akhirnya kembali ke power supply melalui terminal negatif. Arus yang mengalir pada kabel apapun membentuk medan magnet di sekitarnya, daerah di mana gaya magnetik dirasakan. Medan magnetik ini mempunyai ukuran dan arah. Pada railgun, kedua relnya berperan seperti kabel, dengan medan magnet yang berputar di rel. Garis gaya dari medan magnet berputar berlawanan dengan arah jarum jam sepanjang rel positif dan searah jarum jam di sepanjang rel negatif. Medan magnet total di antara rel mengarah vertikal.

Seperti kabel berarus pada sebuah medan elektrik, proyektil juga mengalami gaya yang disebut sebagai gaya Lorentz. Gaya Lorentz mengarah tegak lurus dari medan magnet dan arah arus listrik yang mengalir pada armatur. Anda dapat melihat bagaimana gaya Lorentz bekerja dalam diagram di bawah ini

Perhatikan bahwa gaya Lorentz sejajar dengan rel dan menjauh dari power supply. Besarnya gaya Lorentz ditentukan dengan persamaan F = (i)(L)(B), dengan F adalah gaya total, i arus listrik, L panjang rel dan B adalah medan magnetik. Total gaya dapat diperbesar dengan menambah panjang rel atau jumlah arus listrik. Proyektil di bawah pengaruh gaya Lorentz berakselerasi ke ujung rel yang berseberangan dengan power supply dan keluar dari dalam celah. Ketika proyektil keluar dari celah, arus listrik akan terhenti.

Railgun membutuhkan arus yang sangat besar untuk menembakkan proyektil hingga kecepatan 5 Mach atau lebih. Hal ini mengakibatkan masalah pada kapal perang tradisional karena tenaganya tidak dapat didiversikan dari sistem propulsi kapal. Kapal perang generasi baru milik AL AS, DD(X) all-electric, memungkinkan penggunaan teknologi ini. Untuk menembakkan proyektil railgun, tenaga listrik didiversikan dari mesin kapal ke turret meriam. Meriam dapat menembakkan hingga enam proyektil permenit. Kemudian tenaga listrik dikembalikan ke mesin.

Masalah dan Kelemahan Railgun

Dalam Teori, railgun merupakan solusi sempurna untuk daya tembak jarak dekat dan jauh. Pada kenyataannya, teknologi ini menghadapi masalah serius.

Power supply: Menghasilkan tenaga yang diperlukan untuk mengakselerasi proyektil railgun adalah tantangan yang sangat nyata. Kapasitor harus dapat menyimpan muatan listrik hingga arus listrik yang cukup besar dapat diakumulasikan. Sementara kapasitor pada teknologi lain dibuat dengan ukuran yang sangat kecil, kapasitor pada railgun dibuat dalam ukuran yang sangat besar hingga beberapa meter kubik.

Pemanasan Resistif: Ketika arus listrik melewati konduktor akan menghasilkan panas. Pada railgun, panas yang dihasilkan akan sangat besar.

Pelelehan Logam: Kecepatan tinggi armature pada rail gun dan panas yang dihasilkan dari pemanasan resistif dapat merusak dan melelehkan rel.

Gaya Tolak: Arus pada setiap rel mengalir dengan arah yang berlawanan. Hal ini mengakibatkan gaya tolak yang proporsional dengan. Gaya tolak ini akan menekan setiap rel ke arah yang berlawanan. Karena arus pada railgun yang sangat besar, gaya tolak antara kedua rel menjadi sangat signifikan. Hal ini mengakibatkan rel hanya dapat dipakai beberapa kali, bahkan ada beberapa yang hanya dapat dipakai sekali.

Penerapan Teknologi Railgun

Railgun mempunyai banyak potensi penerapan praktis, terutama di bidang militer. Namun demikian, penerapan teoritis lain sedang dalam penelitian.

Peluncuran/Alat Bantu Peluncuran Pesawat Luar Angkasa

Bantuan elektrodinamika untuk peluncuran roket sudah dipelajari. Aplikasi luar angkasa dari Railgun melibatkan kumparan elektromagtetik dan magnet superkonduktor yang dibuat khusus. Material komposit juga digunakan dalam teknologi ini.

Pada 2003, Ian McNab membuat rencana untuk mengubah ide ini menjadi teknologi yang nyata. Akselerasi yang dihasilkan sangat signifikan lebih kuat dari yang dapat dihadapi oleh manusia. Sehingga sistem ini hanya dapat dipakai pada barang yang kokoh seperti makanan, air dan bahan bakar. Kecepatan peluncuran di bawah kondisi ideal (katulistiwa, gunung, menghadap ke timur) adalah 10.735 km/s.

McNab memperkirakan sistem ini dapat meluncurkan barang hingga 500 ton setahun dalam 2.000 kali peluncuran setahun. Karena jalur peluncurannya sepanjang 1.6 km, sumber energinya akan disuplai dari 100 mesin rotasi (kompulsator) yang tersebar sepanjang jalur. Sebuah mesin dapat me-recharge energi dalam hitungan jam sebanyak 10 MWatt. Tenaga mesin dapat berasal dari generator khusus.

Sebagai Senjata

Railgun telah diteliti sebagai senjata dengan proyektil yang tidak mengandung bahan peledak, tetapi menghasilkan kecepatan ekstrim 3.500 m/detik (sekitar 10 Mach pada permukaan laut) atau lebih. Sebagai perbandingan, senapan M16 mempunyai kecepatan proyektil 930 m/detik. Dengan demikian, membuat energi kinetik railgun sama dengan atau melebihi energi yang dihasilkan oleh proyektil berbahan peledak dengan massa yang lebih besar. Teknologi ini membuat kita dapat membawa lebih banyak amunisi dan mengurangi resiko dari pengangkutan bahan peledak di dalam tank atau kapal. Dengan penembakan berkecepatan tinggi, maka jarak jangkau semakin jauh, dan mengurangi hambatan angin.

Jika mungkin diterapkan dalam senapan otomatis, railgun akan mempunyai keuntungan dalam meningkatkan kecepatan tembak. Mekanisme “Feed” pada senjata api konvensional harus bergerak untuk mengakomodasi kebutuhan propelan dan juga amunisi. Sementara railgun hanya perlu mengakomodasi proyektil. Selanjutnya railgun tidak harus mengeluarkan selongsong peluru dari bagian belakang senapan, yang berarti peluru selanjutnya dapat ditembakkan langsung setelah peluru sebelumnya ditembakkan.

Penelitian

Model railgun skala penuh telah dibuat dan ditembakkan, termasuk meriam 90 mm berenergi konetik 9MJoule yang dikembangkan oleh DARPA AS. Masalah rel dan insulator masih perlu diselesaikan sebelum railgun dapat mulai menggantikan senjata konvensional. Mungkin sistem paling sukses konsisten dan tertua adalah yang dibuat oleh Defence Research Agency UK di Dundrennan Range, Skotlandia. Sistem ini telah beroperasi lebih dari 10 tahun dan menghasilkan rekor kecepatan dan massa proyektil.

Sistem yang dibangun oleh MTI (Military Technology Institute) Yugoslavia, dengan proyek bernama EDO-0, merupakan railgun dengan energi kinetik 7kJoule pada 1985. Pada 1987, suksesornya telah dibuat dengan nama EDO-1, yang menggunakan proyektil dengan berat 0,7 gram dan mencapai kecepatan 3000 m/detik, serta 1,1 gram dengan kecepatan 2.400 m/detik. Sistem ini menggunakan jalur dengan panjang 0,7m. Dengan sedikit modifikasi, diperkirakan sistem ini dapat mencapai 4.500m/detik. Target proyek ini adalah untuk mencapai kecepatan 7.000m/detik. Saat ini sistem ini masuk dalam daftar rahasia militer.

Militer AS mendanai berbagai eksperimen railgun. Di University of Texas, Institut Teknologi Lanjut, railgun dapat menembakkan peluru tajam baja tungsten dengan energi kinetik 9MJoule. 9MJ merupakan energi yang cukup untuk menembakkan 2 kg proyektil tungsten atau logam padat lain dengan kecepatan 3km/detik yang dapat dengan mudah menembus tank.

Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division AS mendemonstrasikan railgun 8MJ yang menembakkan proyektil 3,2 kg pada Oktober 2006, sebagai purwarupa senjata 64MJ yang nantinya akan dipasang di kapal perang AS. Senjata yang dapat mengakibatkan kerusakan yang lebih besar oleh misil Tomahawk BGM-109 dengan proyektil yang lebih kecil. Permasalahan utama yang dihadapi oleh AL AS adalah rusaknya rel akibat panas ekstrim yang dihasilkan.

Pada 31 Januari 2008, AL AS menguji railgun dengan energi 10,64 M. Kecepatan yang dihasilkan 2.520 m/detik. Diharapkan senjata ini menghasilkan kecepatan 5.800 m/detik dengan keakuratan 5m pada jarak 200 nmi (370km) dan kecepatan 10 tembakan per menit.Energinya dihasilkan dari purwarupa kapasitor 9-MJbaru yang menggunakan saklar “solid-state” dan kapasitor densitas-energi-tinggi. Dan sistem pulsa tenaga 32-MJ dikembangkan oleh Green Farm Electric Gun Research and Development Facility milik AD AS sejak 1980an. Sistem ini diperkirakan akan siap pada 2020 hingga 2025.

Uji railgun paling baru dilakukan pada 10 Desember 2010 oleh AL AS di Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division.Pengujian ini menghasilkan rekor dunia baru dengan energi 33 MJ. Sistem ini dibuat oleh BAE System.

Pemantik Reaksi Fusi Nuklir Kurungan Inersia (Inertial Confinement Fusion)

Railgun dapat diminiaturisasi dalam ukuran sentimeter untuk diterapkan dalam reaksi fusi nuklir kurungan inersial. Reaksi Fusi dipicu dengan temperatur dan tekanan ultra-tinggi pada pusat reaktor. Teknologi saat ini menggunakan beberapa laser, biasanya 100, yang ditembakkan secara serentak ke pellet bahan bakar, menghasilkan tekanan kompresif simetris. Railgun juga dapat memantik reaksi fusi dengan menembakkan plasma energetik dari beberapa arah. HyperV Technologies sedang bekerja untuk membawa teknologi ini ke reaksi fusi.

Proses yang dikembangkan oleh Hyper V memakai 4 langkah kunci:

- Plasma dipompa menuju bilik reaksi

- Ketika tekanan sudah cukup kuat, sebuah diafragma akan pecah, dan mengirim gas ke rel.

- Taklama kemudian, voltasi yang cukup dialirkan ke rel, menghasilkan jalur konduksi gas terionisasi

- Plasma ini akan terakselerasi, dan terlontar dengan kecepatan sangat tinggi.