Awalnya saya agak ragu menerima undangan seorang kawan untuk menjadi pembicara dijurusan teknik mesin berhubung background saya Fisika. Akhirnya saya terima. Setelah itu saya searching kurikulum Teknik Mesin di beberapa kampus untuk mencari topik2 Mechanical engineering yang barangkali beririsan dengan riset saya dibidang experimental nuclear & particle physics. Rupanya ada banyak sisi riset saya yang terkait erat dengan topik2 yang dipelajari dijurusan teknik mesin:
Transfer panas:
Jurusan teknik mesin di semua kampus yang saya googling menawarkan mata kuliah heat transfer. Eksperimen saya di FermiLab menggunakan magnet superconductor (5 Tesla) untuk mempolarisasi target yang akan dibombardir berkas proton sebanyak 1 Trilyun proton per detik. Kerjaan saya adalah memastikan magnet superkonduktor akan bertahan (tidak quench) akibat panas yang dihasilkan dari interaksi proton-proton.
Magnet superkonduktor akan didinginkan dengan helium cair yang suhunya 4.2 Kelvin (sekitar -269 celcius). Superconductor dalam medan magnet sebesar 5 Tesla akan quench ketika suhunya mencapai 6.3 Kelvin. Jadi saya harus menghitung, dan membuat model heat transfer pada superconductor untuk memastikan bahwa supply helium cair cukup untuk mempertahankan superconductor tetap dingin dibawah suhu 6.3 Kelvin.
Finite Element:
Finite element atau metode beda hingga merupakan metode numerik untuk memecahkan persamaan differential. Saya menggunakan metode numerik ini untuk memecahkan persamaan transfer panas di magnet superconductor yang non-linear.
Deposit panas pada magnet superconductor disimulasikan dengan software Geant dan transfer panasnya diselesaikan dengan ComSol.
Cryogenic (mesin pendingin):
Helium cair normalnya bersuhu 4.2 Kelvin. Namun kita memerlukan suhu target serendah 1 Kelvin (minus 272 celcius). Untuk mencapai suhu serendah ini, cryogenic-system nya melibatkan banyak hal mulai dari pompa super dengan kapasitas 14 ribu meter kubik per jam, pompa vakum yang mampu mencapai 10^(-8) Torr hingga liquifier dengan kapasitas 200 liter helium cair per hari.
Mekanika (super)fluida:
Dua fluida yang menjadi aktor utama dieksperimen ini adalah Nitrogen cair dan Helium cair. Pada suhu 4.2 Kelvin Helium cair masih berperilaku normal. Namun pada suhu 1 Kelvin, Helium berubah menjadi superfluid. Pada fase ini viskositas zat cair nol. Kalau kita mengaduk superfluid, maka zat ini akan berputar selamanya. Kondisi superfluid ini memerlukan treatment khusus. Tantangannya adalah ketika suhu naik superfluid bisa menjadi normal kembali.
Mekanika kekuatan bahan/material:
Sebelum Fermilab memberi lampu hijau untuk running eksperiment, salah satu (dari sekian buanyak) syaratnya adalah meyakinkan bahwa kondisi tetap aman terkendali ketika kita kehilangan vakum (vacuum loss). Karena pernah terjadi accident lumayan di JLab terkait vacuum loss. Jadi ruang sekitar magnet superconductor harus steril dari bahan2 magnetik. Suatu saat ada yang bawa tools dari logam (semacam kunci inggris). Akhirnya alat itu tertarik kuat ke magnet dan menyebabkan benturan hingga berlubang. Vaccuum loss membuat kontak termal dengan Helium cair dan menyebabkan sekian liter Helium menjadi uap bertekanan tinggi dan lantas menyebabkan ledakan.
Kita harus menghitung kekuatan bahan reservoir dan memastikan ketika terjadi quench atau sudden vacuum loss, material reservoir cukup kuat untuk mencegah terjadinya ledakan.
Desain sistem penyangga magnet superkonduktor juga menarik. Medan magnet sebesar 5 Tesla menghasilkan gaya lorentz yang sangat besar sementara sedikit kontraksi pada magnet bisa mentrigger quench. Oleh karena itu, sistem penyangga superkonduktor didesain mempertimbangkan kekuatan material untuk menahan gaya lorentz yang sangat besar.
Pompa:
Saya kira pompa merupakan salah satu core kurikulum dasar teknik mesin. Ada banyak sekali pompa yang kita gunakan dieksperimen ini. Salah satu yang saya deal langsung adalah TurboMolecular pump. Pompa inilah yang bertugas membuat vacuum hingga level 10(-8) torr.
Sensor dan elektronik:
Bagaimana kita mengukur suhu serendah -270 Celcius? Bagaimana kita mengukur tekanan serendah 10(-8) torr? Bagaimana kita menghitung proton sebanyak 1 trilyun per detik? Eksperimen ini melibatkan sekian ribu instrumen dan sensor. Ketika eksperimen berlangsung, radiasi nuklir akan memenuhi ruang. Oleh karena itu instrument2 tersebut dikontrol secara remote. Salah satu tugas saya adalah membuat virtual library (VI) dengan LabView untuk beberapa instrumen vital.
**** Rupanya banyak persinggungan riset saya dengan Mechanical Engineering.