High power microwave dalam operasi kemiliteran

Pengantar

High power microwave (HPM) adalah istilah untuk merujuk pada sumber microwave dengan keluaran sangat tinggi ratusan kilowatt bahkan sampai gigawatt saat ini. Saya belum menemukan istilah standarnya dalam bahasa indonesia. Di sini kita menggunakan istilah aslinya saja agar pembaca dapat mencari sendiri literatur yang berhubungan. High power microwave awalnya banya digunakan sebagai sumber gelombang pada radar. Frequensi spektrum elektromagnetnya antara 1 MHz sampai dengan 100 GHz. Dalam perkembangan selanjutnya, medan pertempuran pada perang modern sudah diperkaya dengan peralatan-peralatan berbasis mikrowave maupun peralatan-peralatan untuk mengirim maupun menerima sinyal seperti mulai dari radio sampai GPS (global positioning system), yang digunakan untuk komunikasi antar pasukan dengan pimpinan atau pasukan lain maupun untuk menyediakan informasi tentang medan pertempuran. Nah untuk melumpuhkan lawan, seluruh perangkat komunikasi tsb mesti dilumpuhkan untuk memutus garis komando, mengacaukan kordinasi serangan, melumpuhkan sistem anti persawat atau sistem pertahanan lainnya yang biasanya dipandu oleh radar dan GPS, maka diperlukan gelombang dengan frekuensi yang bersesuaian dengan frekuensi yang digunakan oleh perlatan-peralatan tersebut tetapi dengan keluaran (power) yang sangat tinggi biasanya dalam orde megawatt sampai gigawatt. Receiver atau detektor akan jebol karena biasanya reseiver mempunyai lingkup operasi (suhu, tekanan, voltase, arus, power) yang terbatas. HPM dapat mengganggu perlatan-peralatan tersebut baik secara sementara (jamming) maupun bersifat permanen.Tak mengherankan sehingga, dalam beberapa dekade terakhir riset tentang HPM cukup intensif. Secara teoritik, tidak terlalu sulit untuk menghasilkan keluaran dalam orde ratusan megawatt bahkan gigawatt karena frekuensinya tidak terlalu besar. Dengan frekuensi 2 sampai 10 gigahertz sudah cukup memadai karena perangkat komunikasi militer juga dalam rentang tersebut. Yang sulit justru bagaimana menangani power yang besar tersebut karena setiap sisa energinya akan terkonversi menjadi panas pada kerangka/badan alat tsb, juga bagaimana menghasilkan sumber yang cukup compact (kecil, sederhana) dan mobile (mudah dibawa).


Prinsip dasar sumber-sumber HPM

Semua sumber HPM memiliki tiga komponen dasar yaitu

• Sumber tenaga dari listrik atau ledakan (explosive primer)
• Pebangkit gelombang (Radio frequency (RF) generator)
• Antena

Sumber pemasok tenaga untuk pembangkit gelombang elektromagnetik dapat berupa tenaga listrik atau dari tekanan yang dihasilkan oleh ledakan. Mekanisme pembangkitan gelombang elektromagnetik dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu sumber-sumber impulsif (impulsive sources) dan sumber beam linear (linear beam sources).

Pada sumber impulsif, sumber gelombang dihasilkan dengan memuati secara langsung antena, jaringan transmisi, atau suatu rangkaian dan memicu satu atau beberapa pulsa setelah saklarnya disambungkan. Contoh dari sumber jenis ini adalah berbagai jenis sumber UWB (ultrawideband sources) dan Osilator LC (LC oscillator).

Pada sumber beam linear, pembangkit gelombangnya meliputi sumber berkas elektron (electron gun) , kanal saluran elektron (beam transport/channel, dan media interaksi antara elektron dan medan elektromagnet (wave structure atau interaction structure). Sumber-sumber jenis ini bekerja dengan memindahkan energi kinetik dari elektron kepada energi elektromagnetik dari maikrowave.

Kualitas berkas electron yang dihasilkan dan desain dari media interaksinya (biasa disebut cavity) menentukan efisiensi alat. Kualitas berkas elektronya bergantung pada kualitas desain dan pabrikasi dari electron gun. Ini adalah masalah tersendiri bahkan menjadi salah satu riset tersendiri, bagaimana menghasilkan arus elektron dengan tingkat homogenitas tinggi baik kecepatan (velocity) maupun lintasannya (trajectory). Tentu saja sangat mustahil menghasilkan sumber radiasi dengan efisiensi 100 persen yang berarti seluruh energi kinetik elektron diberikan kepada mikrowave. Katakanlah efisiensi alat sebesar 40 persen, untuk suatu nilai moderat. Efisiensi adalah

Energi mikrowave keluaran alat/Energi total elektron sebagai input

Sisa energy elektronnya terkumpul pada badan dari alat yang biasa disebut kolektor (electron collector). Biasanya kolektor dan cavity dipisahkan dengan isolator seperti keramik agar mudah mengontrol atau mendinginkan kolektor sebagai efek panas dari sisa energi elektron. Menangani panas dari sisa energi tersebut juga suatu masalah tersendiri.

Hal lain bahwa interaksi elektron dan medan elektromagnetik tadi berlangsung dalam kondisi hampa (vacuum). Karena jika tidak dalam keadaan hampa, maka keberadaan gas dalam alat akan memicu voltage breakdown atau munculnya emisi sekunder dalam alat yang akan mengganggu efektifitas interaksi dengan medan elektromagnetik bahkan elektron tak mengalir menuju daerah interaksi tetapi akan terpantul kembali ke katoda dari electron gun (merusak elektron gun). Untuk mejaga kondisi vakum tersebut maka sebagai penghubung dengan lingkungan, alat tersebut ditutup dengan bahan yang transparan terhadap gelombang elektromagnetik tetapi dapat menjaga kondisi vakum, biasa disebut output window. Output window ini dipilih dari bahan dielektrik yang dapat melewatkan sebagian besar energi dari mikrowave keluar, dengan koefisien pantulan sekecil mungkin. Bahan-bahan output window seperti Boron Nitride (BN), AlN, BeO, CaF2, Quartz, gelas Silica, Silicon, Saphire, Alumina (Al2O3), intan sintesis (diamond window), dan jenis-jenis keramik lain yang transparan pada rentang frekuensi 1 MHz sampai 100 GHz. Sebagian energi mikrowave yang terserap oleh output window akan meningkatkan suhunya sehingga perlu didinginkan agar window tidak retak. Sebagian mikrowave yang terpantul akan kembali berinteraksi dengan elektron yang berpotensi dapat meningkatkan efisiensi atau bahkan dapat menurunkan efisiensi secara drastis, lebih buruk lagi jika mikrowave terpantul tadi dapat menjangkau katoda dari elektron gun yang bisa menurunkan kualitas elektron atau merusak electron gun. Biasanya dalam desain alat semua hal tersebut perlu diperhitungkan memprediksi kinerja alat secara lebih akurat.

Katakanlah efisiensi yang paling moderat adalah 40 persen. Jika target keluarannya adalah 1 gigawatt, maka energi yang dibutuhkan paling tidak sebesar 2.5 gigawatt. Dengan power supply yang cukup kompak misalnya 100 kilovolt, alat tersebut membutuhkan berkas elektron dengan arus totalnya sebesar 25 kiloampere. Bagaimana menangani arus yang sedemikian besar dalam suatu sumber gelombang yang dituntut untuk berukuran sekecil mungkin agar mudah dibawa dalam operasi militer, membutuhkan design alat dengan efisiensi setinggi mungkin.

Sumber-sumber gelombang Senjata HPM ini dapat terealisasi dengan berhasilnya juga riset yang berhubungan dengan pulsed power generator. Pulsed power generator memungkinkan tersedianya power supply bervoltase tinggi. Kebutuhan untuk HPM ini biasanya dari ratusan nanosecond sampai beberapa mikrosecond. Sumber energynya dapat disuplai dari baterai kemudian diubah menjadi pulsa voltase tinggi oleh pulse generator.

Sumber radiasi elektromagnetik yang cocok untuk HPM adalah dari kelas ini adalah

• magnetron
• klystron
• backward wave oscillator (BWO)
• traveling wave tubes (TWT)
• split-cavity oscillator
• virtual cathode oscillators
• gyrotrons
• free-electron lasers
• dan orbitron microwave masers.

Apakah sumber-sumber HPM sudah tersedia?

Sumber-sumber HPM tersebut telah mampu menghasilkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi pada kisaran 1 kHz sampai 100 GHz dan tenaga mikrowave dalam orde gigawatt.

1. Sumber-sumber kejutan/impulsif

Sumber ini mengubah energi dari power suplai menjadi pulsa radiasi dengan menyimpan energi listriknya dalam kapasitor kemudian melepaskannya secara cepat. Sumber ini tak melibatkan sumber elektron, murni dari potensial listrik yang dilepaskan. Untuk sumber HPM dari kelas ini, kelompok riset pada Sandia National Laboratories, Amerika melaporkan beberapa sumbernya seperti [1]

• SNIPER (Sub-Nanosecond ImPulsE Radiator) beroperasi dengan sumber 290 kV menghasilkan puncak tenaga 1.25 gigawatt dengan lebar pulsa 3.5 nanosecond.
  

• EMBL (EnantioMorphic BLumlein, ie., mirror-image Blumlein) menggunakan sumber power suplai 750 kV, menghasilkan tenaga mikrowave 11 gigawatt dan pulsa 285 picosecond.
• Yang terbesar dimiliki oleh Sandia adalah Bipolar TLO (transmission line oscillator) beroperasi pada voltase 1.4 MV menghasilkan tenaga 20 gigawatt pada frekuensi 50 MHz. Persoalan yang dihadapi sumber jenis ini adalah ukuran sistemnya keseluruhan terlalu besar, sulit untuk terbawa dalam operasi pesawat intai atau pesawat tempur. Alat ini lebih cocok untuk operasi angkatan laut, karena memungkinkan memuat bank kapasitor yang sedemikian besarnya.

2. Magnetron

HPM dari kelas magnetron biasanya menggunakan sumber relativistik elektron beam dengan cold cathode. Cold cathode adalah salah satu mekanisme emisi elektron dengan menggunakan voltase tinggi untuk membuat elektron keluar dari ikatannya. Sebagaimana diketahui bahwa dua cara elektron keluar dari ikatannya yaitu

(a) Thermionic emission, dengan memanaskan emiter melalui rangkaian pemanas pemanasan. Secara keseluruhan disebut thermionic electron gun.

(b) Field emission, yaitu dengan memberikan medan listrik sangat tinggi pada emiter. Secara keseluruhan disebut cold cathode atau cold electron gun karena tak ada peningkatan signifikan suhu katoda. Jenis ini dipilih pada kasus dimana dibutuhkan arus elektron yang dibutuhkan sangat besar, biasanya dalam skala kiloampere.

Magnetron dikenal dengan efisiensi relatif tinggi dengan ukuran cukup kompak (compact). Modulator dan power suplainya sederhana dan tak terlalu mahal dibandingkan dengan sumber lain seperti klystron atau gyrotron. Oh yah istilah relativistik merujuk pada penggunaan voltase diatas 200 kV. Berbeda dengan magnetron yang menjadi sumber gelombang pada open mikrowave di rumah kita. Relativistic magnetron telah mencapai efisiensi 10-30% pada frekuensi antara 0.5 to 10 GHz dan tenaga keluaran kira-kira 5 gigawatts [2]. Lebar pulsenya biasanya sekitar 100 nanosecond.

3. Linear beam tube

HPM yang termasuk kelas linear beam tubes adalah backward wave oscillators (BWO), travelling wave tube (TWT), dan relativistic klystron amplifiers (RKA).

BWO mempunyai efisiensi setara 35% telah dilaporkan tetapi dengan tenaga keluaran lebih rendah, tetapi begitu keluaran ditingkatkan bentuk pulsa keluarannya tersaturasi dan spektrum frekuensinya melebar. Hal ini disebabkan oleh menurunnya kualitas berkas elektronnya juga munculnya turbulensi akibat penggunaak arus elektron yang besar. Untuk menjaga kualitas elektronnya, medan magnet cukup besar diperlukan, kira-kira 25 sampai 50 kilogauss [3]. Medan magnet tambahan tersebut membutuhkan kumparan beserta sumber energinya berupa bank kapasitor. Ini menambah komponen berat alat.

Oh yah disebut backward oscillator karena elektron berinteraksi dengan medan elektromagnetik yang terpantul berlawanan (backward wave) dengan arah elektron. Sehingga biasanya keluaran BWO berada dekat sumber elektronnya. Media interaksinya berupa struktur berombak. Periode ombakan dan kedalaman celahnya menentukan frekuensinya.

TWT dibuat dengan teknik yang hampir sama dengan BWO tetapi elektro sacan be made with many of the same techniques as BWOs. Juga menggunakan struktur ombakan untuk media interaksinya (cavity), tetapi elektron berinteraksi dengan gelombang maju (forward wave). Karenanya BWO dan TWT mempunyai masalah yang sama jika beroperasi pada frekuensi tinggi di atas 100 GHz. Periodisasi ombakannya setara dengan frekuensi sehingga pada frekuensi tinggi ukuran obakannya menjadi sangat kecil dan jika keluaran besar diinginkan maka arus elektron besar yang diberikan akan merusak struktur obakan tersebut.

RKA menggunakan dua cavity yaitu yang pertama untuk membentuk bunching pada elektron dan setelah elektron melewati cavity kedua terjadi pertukaran energi dari elektron ke mikrowave (power extraction). RKA juga mengalami masalah pada frekuensi tinggi, tetapi pada cavity keduanya strukturnya bisa diperpanjang agar struktur tersebut aman dari kerusakan akibat arus elektron yang besar. Biasanya klytron jenis ini disebut Extended Klytsron.

Ada dua pendekatan untuk meningkatkan kinerja RKA sebagai sumber HPM. Pertama pembuatan high power RKA dengan arus beam lebih rendah tapi dengan voltase sangat tinggi 350 kV seperti klystron yang digunakan pada Stanford Linear Accelerator (SLAC): 2.856 GHz, 67 megawatt, 3.5 mikrosecond. Arus elektron yang digunakan yaitu sekitar beberapa ratus ampere [4].

Pendekatan kedua dengan menggunakan arus elektron yang sangat besar. Klystron telah dibuat pada level 10 gigawatt menggunakan elektron dengan voltase 0.5 sampai 1 MV, dipandu dengan medan magnet kira-kira 10 kilogauss. Efisiensinya dilaporkan mencapai 50% [4].

Keunggulan HPM

HPM mempunyai keunggulan dibanding sumber HPM lain dari kelas laser yaitu

• sangat cepat mencapai target musuh
• dapat menjangkau berbagai macam target tanpa harus mempunyai informasi detail karakteristik target
• dapat menjangkau target-target kecil di bawah tanah
• teknik serangan dapat diatur beberapa level (pembersihan, perusakan atau hanya menolak aktivitas elektronik target) sesuai kemampuan alat
• menimbulkan kerusakan minimum secara fisik sangat membantu dalam proses negosiasi pada suatu konflik yang sensitif atau serangan HPM dapat digunakan akhir dari operasi militer atau masa damai
• mengurangi aktivitas mata-mata untuk mengumpulkan informasi karena serangan HPM dalam suatu sapuan dapat melumpuhkan target-target elektronik yang tidak terproteksi (shielding)

Daftar bacaan

1. Rinehart L. F., M. T. Buttram, G. L. Denison, J. M. Lundstrom, W. R. Crowe, and P. E.
   Patterson. 1994. Sandia National Laboratories' High Power Electromagnetic
   Impulse Sources. Proceedings of EUROEM International Symposium on
   Electromagnetic Environments and Consequences. May 30 - June 3.
2. Florig, H. 1988. The Future Battlefield: A Blast of Gigawatts. IEEE Spectrum, 25 no. 3
   (March) : 50-54.
   
3. Granatstein, V. L., and Igor Alexeff, eds. 1987. High-power microwaves sources. Narwood, Mass.: Artech House. pp. 564.
4. Benford, James, and John A. Swegle. 1992. High-power microwaves. Norwood, Mass.: Artech House.
5. Taylor, Clayborne D., and D. V. Giri. 1994. High-power microwave systems and effects. Washington, D. C.: Taylor & Francis. pp 203.
6. Barker, J. R., J. H. Booske, N. C. Luhmann Jr., and G. S. Nusinovich. 2005. Modern microwave and millimeter-wave power electronics. New Jersey: IEEE Press.
7. http://infoserve.sandia.gov/cgi-bin/techlib/access-control.pl/2001/011155.pdf