KAJIAN KELAYAKAN COIL GUN/GAUSS GUN SEBAGAI SENJATA TENAGA LISTRIK BERBIAYA RENDAH

Penulis: Bowo Suranto, S.Si BUKIT HARAPAN KERINCI KANAN, SIAK SRI INDRAPURA, RIAU

Apa itu coil gun atau gauss gun? Coil gun atau gauss gun merupakan suatu alat/instrumen yang dapat mempercepat sebuah proyektil/peluru berbahan besi (ferromagnetic) bergerak di dalam sebuah tabung, dan terlontar dengan kecepatan tertentu dengan memanfaatkan tenaga magnet akibat adanya efek electromagnet sesaat didalam tabung tersebut. Coil gun tidak menghasilkan bunyi, dentuman, ledakan atau percikan api dari tembakan tersebut. Apa aplikasi dari mempelajari coil gun? Coil gun/Gauss gun adalah suatu bentuk motor linier yang dapat mempercepat pergerakan sebuah projectil. Dengan mempelajari coil gun maka kita akan banyak belajar tentang teorema fisika dasar yang berhubungan dengan listrik dan magnet. Dengan mempelajari coil gun juga kita akan tahu bagaimana caranya membuat electromagnet berdaya besar, karena coil gun hanya bekerja pada electromagnet berdaya besar, sehingga kedepannya sebagai aplikasi dari coil gun akan dapat membuat dibuat senjata, penembak sebuah roket atau pelontar pesawat bahkan sampai keluar angkasa, tanpa ledakan, tanpa bunyi dan tanpa efek samping yang terjadi akibat ledakan tersebut. Kenapa teknologi coil gun sampai sekarang belum termanfaatkan? Pemanfaatan coil gun sebagai senjata sampai sekarang belum termanfaatkan karena masih kalah efektif dari pada senjata konvensional yang menggunakan tenaga kimia (mesiu). Kelemahan coil gun terletak pada fisiknya yang besar, tenaganya yang kurang dan power (baterai) yang masih lemah. Sistem coil gun akan termanfaatkan apabila telah menghasilkan tenaga lontar yang sangat besar dengan body dan baterai yang tidak terlalu besar. Untuk menghasilkan yang demikian maka diperlukan teknologi yang dapat menahan dan melepaskan arus listrik yang besar (bisa berskala ratusan, ribuan bahkan ratus ribuan ampere). Untuk mencapai gagasan seperti itu telah banyak para peneliti yang terus mengembangkan hardware pendukung, seperti super capasitor, super battery, dan super switching device.

Apa latar belakang penelitian ini. Technologi is power, begitulah kira-kira alasan yang kuat untuk kita agar terus mengembangkan perangkat teknologi yang pendukung pembuatan coil gun, apakah dimanfaatkan untuk pembuatan coil gun ataupun tidak. Setidaknya dengan mempelajari coil gun ini, pemahaman kita akan bertambah dan ilmu kita tentang bagaimana caranya membuat sebuah senjata yang berbasis tenaga listrik terus akan berkembang. Sehingga kita tidak terus ketinggalan teknologi dari bangsa-bangsa lainnya. Apa tujuan dan batasan dari penelitian ini. Tujuan inti dari penelitian ini adalah untuk mengetahui cara mengoptimalisasi daya/tenaga listrik untuk dikonversi menjadi tenaga magnet yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai tenaga lontar. Sistem penelitian yang digunakan menggunakan kajian teoritis dengan memanfaatkan pemahamanan matematis dan fisika dalam mencari nilai optimasi dari tenaga listrik ke tenaga magnet. Tahapan penelitian. Adapun tahapan pertama dari penelitian ini adalah kajian secara teori, yang dibantu dengan penggunaan software simulasi dan perhitungan. Software yang dibutuhkan untuk kajian ini menggunakan software yang sangat umum. Yaitu Multisim 11 untuk simulasi rangkaian elektroniknya dan excell untuk melakukan perhitungannya. Selain cara konversi energi penulis masih melihat tentang masih adanya kajian tentang kelayakan penggunaan coil gun ini dengan metoda perhitungan medan megnet di sekitar coil (inductor). Sehingga tahapan selanjutnya apakah untuk para peneliti lain atau penulis sendiri, masih terbuka kajian mendalam secara teoritis untuk mencari nilai optimasi dari perancangan/pembuatan coil gun dengan perhitungan medan magnet diseputaran coil. Apabila dua metoda ini berhasil dipecahakan maka akan sangat membantu dalam perancangan dan pembuatan coil gun. Uji Experimentasi Suatu kepastian untuk menguji keabsahan dari teori yang didapat dengan melakukan uji eksperimentasi. Dengan melakukan experimentasi maka lebih jauh kita akan melihat perilaku dari sistem coil gun ini. Sehingga dengan melakukan eksperimentasi akan didapatkan hasil nyata apakah coil gun sudah layak digunakan untuk keperluan senjata, atau belum.

TAHAPAN I UJI KEEFEKTIFITASAN COIL GUN SECARA TEORITIS DENGAN MENGGUNAKAN METODA KONVERSI ENERGI

I. Perhitungan yang digunakan untuk uji teoritis coil gun 1. Menentukan hambatan inductor/coil a. Rumus yang digunakan untuk menentukan hambatan sebuah inductor adalah: 


=   ............................. pers (1.1) dengan :
= hambatan kawat (Ω)  = hambat jenis kawat tembaga (1.68 x 10 Ω.m)  = panjang kawat (m) ! = luas alas kawat (m2 ) b. Menentukan panjang kawat, dan jumlah lilitan:

a

L

% = jari-jari inti selenoida * = panjang selenoida + = diameter kawat , = jumlah lapisan  = panjang kawat - = jumlah lilitan . = tebal lapisan

-

Jumlah lilitan setiap lapis adalah perbandingan panjang selenoida dengan 0 diameter kawat : -/ = 1 ........... pers (2.1)

-

Panjang kawat tiap lapis adalah, keliling lapisan tersebut dikali banyak lilitan: / = 223. -/ ................... pers (2.2)

-

Panjang kawat untuk semua lapisan (n lapis) dapat dibuat deret: n = 1 ...............................
4 = 22%. -4
1 lapis n = 2 ...............................
5 = 4 + 22(% + +). -5
lapis 1 + lapis 2 yang merupakan deret aritmatika, sehingga untuk n lapis / = ,. -/ . 2(2% + (, − 1)+) ...., karena ,. -/ = - (jumlah lilitan), maka / = -. 2(2% + (, − 1)+) ...... pers (2.3)

-

Tebal lapisan adalah . = ,. + , disubstitusikan ke pers (3), sehingga: / = -. 2(2% + . − +) ...... pers (2.4) Jumlah lilitan juga merupakan hasil kali jumlah lapis dengan jumlah lilitan tiap 80 lapis, sehingga: - = 19 ......... pers (2.5)

2. Menentukan Induktansi Kumparan dan Konversi Energi Mengetahui nilai induktansi sangat berguna untuk mengkonversi energi listrik dari capasitor ke energi kinetik pada proyektil. Konversi energi ini dihitung berdasarkan simulasi yang dilakukan pada software multisim 11.

a. Rumus yang digunakan untuk menghitung besarnya induktansi pada selenoida berlapis adalah: :.; 9 <9

* = =;>?>4:1 ................ pers (3.1) Dengan: * = induktansi (μH) 3 = rerata jari-jari lilitan (inch)  = panjang lilitan (inch) - = jumlah lilitan + = tebal lilitan (Inch) sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Induktor

b. Menghitung energi kumparan/induktor 4 Energi kumparan didefinisikan: D0 = 5 *E 5 ............................. pers (3.2) c. Menghitung besar arus induktor ∆G Besar arus didefinisikan sebagai muatan yang mengalir pada sistem E = ∆H , dimana muatan tersebut tersimpan pada Capasitor sebesar I = JK, sehingga L(M M ) besarnya arus adalah : E = 9∆H N ....................... pers (3.3) d. Menghitung kecepatan proyektil Kecepatan proyektil dihitung berdasarkan konversi energi coil terhadap energi kinetik, dengan faktor efisiensi tertentu. Dengan menurunkan pers (3.2) terhadap persamaan energi kinetik DO = N9PQ 9 maka akan dipeoleh, kecepatan: 0U 9 P

R = ST

...................... pers (3.4) dengan S adalah koreksi efektifitas.

e. Menghitung kelayakan kecepatan Kelayakan nilai kecepatan sangat diperlukan untuk merancang sebuah coil gun, nilai kecepatan yang besar harus disesuaikan dengan waktu pelepasan muatan di dalam coil. Artinya percepatan yang terjadi harus terjadi selama proyektil didalam coil. Karena jika pelepasan muatan terjadi dalam waktu yang lama maka ini akan mengakibatkan coil aktif dalam waktu yang lama dan ini akan menghambat laju peluru itu sendiri. Untuk menghitung besarnya kelayakan kecepatan, dihitung berdasarkan prinsip kinematika gerak. 4 - Jarak dalam GLBB
V = 5 (R5 + R4 )ΔX .............. pers (3.5) - Besarnya jarak yang dihasilkan tidak boleh lebih besar dari 75% panjang coil, karena apabila ini terjadi maka sisa tenaga elektromagnet yang ada menyebabkan peluru tertarik kembali kedalam coil yang akan memperlambat laju peluru itu sendiri. - Apabila V < 75% x * maka kecepatan coil dari perhitungan dapat diterima dan apabila sebaliknya maka kecepatan tidak dapat diterima. II. Menyusun persamaan dan melakukan perhitungan dengan bantuan software 1. Software simulasi electronik (multisim 11) Bentuk rangkaian simulasi coil gun pada multisim 11

Gambar 2.1 Rangkaian diatas memperlihatkan sumber tegangan DC (1000 V) yang diparalelkan dengan Capasitor Bank (150 uF) ketika saklar J1 On dan J2 Off, maka terjadi pengisian capasitor. Setelah capasitor penuh maka untuk membuangnya dengan meng-off-kan J1 dan On-kan J2. Penggunaan Diode ditujukan agar tidak terjadi resonansi antara capasitor dengan Inductor. Selama proses pembuangan muatan besarnya waktu buang dapat dilihat pada Oscilator XSC1. Tampilan grafik pada Oscilator saat pembuangan muatan

Gambar 2.2 Dari Gambar 2.2 diatas terlihat bentuk grafik pembuangan muatan capasitor, dimana terlihat waktu pembuangan muatan tersebut adalah T2-T1 = 1.315 ms. Inilah waktu yang diperlukan untuk menentukan besarnya arus yang mengalir dan layak tidaknya kecepatan yang diperoleh. 2. Memanfaatkan tabel pada microsoft excell Untuk bagaimana menyusun tabel excell maka penulis tidak akan menjelaskannya disini. Adapun tabel yang telah disusun:

a. Tabel Menghitung Hambatan dan Induktansi Induktor

Gambar 2.3 b. Tabel Hasil Simulasi untuk Menghitung Laju dan Keefektifitasan Tembakan

Gambar 2.4 III. Hasil Uji Teoritis Perancangan Coil Gun 1. Menentukan nilai optimasi diameter kawat Setelah melakukan uji coba berbagai ukuran diameter kawat pada coil dengan dimensi. Panjang 5 cm, jumlah lapis 6, jari-jari inti 3 mm. Maka diperoleh ukuran diameter kawat yang paling optimum adalah 0,8 mm.

Gambar 3.1 2. Menentukan jumlah lapisan/layer dari kumparan Untuk melakukan uji jumlah layer maksimum, maka dibuatlah variasi jumlah layer terhadap kecepatan peluru, maka dihasilkan data sebagaimana Gambar 3.2. Dan dari data tersebut maka diperoleh hasil tembakan optimumnya saat jumlah layer berjumlah 10 atau 11.

Gambar 3.2

3. Menentukan panjang kumparan Dengan cara yang sama, diperoleh panjang kumparan yang optimum adalah 7 cm 4. Prediksi kecepatan peluru Kecepatan peluru (m = 2 gr) optimum yang diperoleh pada coil gun 1000 volt, 150 uF secara teoritis adalah sebesar: v = 64,79 m/s dengan asumsi 50 % energi coil berhasil diubah menjadi energi gerak. Bagaimana jika diasumsikan coil gun ini ideal, artinya seluruh energi coil menjadi gerak, maka kecepatan yang dihasilkan adalah v=129,58 m/s. IV. Kesimpulan Telah berhasil dilakukan perhitungan tentang perencanaan pembuatan coil gun secara teoritis menggunakan metoda konsep konversi energi dari Capasitor, Induktor ke Kinetic. Dan telah dihasilkan ukuran prediksi baik itu dimensional maupun besaran kelajuan dari perancangan coil gun tersebut. Hasil yang telah diperoleh dikasuskan pada perancangan Coil Gun 1000 volt, 150uF dan jari-jari inti 3 mm, untuk menembakkan peluru dengan massa 2 gr, hasil yang diperoleh yaitu: 1. Dimensi coil/inductor/selenoida yang optimum adalah panjang 7 cm, diameter kawat 0,8 mm, jumlah lapisan 10 atau 11 dengan banyak lilitan antara 625 s.d 700 kali. 2. Kelajuan maksimum peluru dengan asumsi 50% energy dapat termanfaatkan adalah 64,79 m/s. Dengan energy pada Induktor sebesar 16,74 Joule. 3. Walaupun hasilnya masih jauh dari standar sebuah senjat militer, namun minimal pengetahuan tentang ilmu listrik dan magnet kita bertambah. V. Saran Perancangan studi teoritis coil gun ini menggunakan metoda konversi energi untuk mencari hubungan kecepatan peluru dengan energi yang dikandung capasitor. Adapun metoda ini masih memiliki kelemahan, yaitu perhitungan tentang pelepasan medan magnet diseputaran coil, apalagi ujung yang jauh dengan posisi peluru tidak dapat diperhitungkan. Sehingga metoda ini masih bisa dan harus dikembangkan lebih jauh untuk mendapatkan hasil sesuai dengan kenyataan yang sebenarnya. Secara hipotesa ilmiah, sekurangnya terdapat satu metoda lagi yang bisa dikembangkan untuk memprediksi kecepatan tembak dari coil gun, yaitu metoda besaran medan magnet diseputran coil. Namun metoda ini memerlukan pemahaman matematika yang tinggi sehingga penulis sulit untuk mewujudkannya. VI. Penutup Sebagai langkah terakhir dari kajian teoritis ini tentunya adalah aplikasinya dilapangan. Apakah perhitungan diatas kertas dengan kenyataan dilapangan mendekati atau tidak tentunya perlu pembuktian lebih lanjut. Sekian terimakasih karena telah mengikuti kajian ini dari awal sampai akhir. Untuk informasi lebih lanjut dan apabila ada kritikan atau saran saya sangat menerima dengan hati yang lapang. Pangkalan kerinci, 29 September 2014

Bowo Suranto,S.Si ([email protected])