Perkembangan teknologi militer global menunjukkan peningkatan signifikan dalam pengembangan senjata berbasis kecepatan tinggi. Rudal hipersonik, yang mampu melaju dengan kecepatan melebihi lima kali kecepatan suara (Mach 5), menjadi simbol supremasi teknologi dalam peperangan modern. Keunggulannya tidak hanya terletak pada kecepatannya, tetapi juga kemampuannya untuk bermanuver dan menghindari sistem pertahanan musuh.

Rudal hipersonik menjadi salah satu elemen strategis dalam pengembangan sistem pertahanan masa depan karena kemampuannya untuk melesat dengan kecepatan melebihi Mach 5 serta menembus sistem pertahanan konvensional. Namun, kecepatan luar biasa ini juga menimbulkan tantangan teknis besar, khususnya pada aspek perlindungan termal akibat panas ekstrem saat melintasi atmosfer. Hafnium diboride (HfB₂), sebagai material Ultra High Temperature Ceramics (UHTC), menunjukkan potensi besar dalam menjawab tantangan tersebut. Artikel ini mengulas karakteristik material HfB₂, aplikasi dan tantangan dalam implementasinya pada rudal hipersonik, serta potensi pengembangannya di Indonesia sebagai bagian dari kemandirian teknologi pertahanan.

Hafnium diboride (HfB₂) hadir sebagai salah satu kandidat utama material UHTC yang memiliki titik lebur sangat tinggi dan stabilitas termal yang luar biasa. Dengan karakteristik ini, HfB₂ dianggap sebagai solusi potensial dalam pengembangan sistem pelindung termal untuk rudal hipersonik.

Apa Itu HfB₂ ?

Hafnium diborida (HfB₂) adalah senyawa keramik yang terdiri dari elemen hafnium dan boron. Material ini tergolong dalam kelompok UHTCs karena memiliki titik lebur di atas 3000 °C. Karakteristik ini membuatnya sangat menjanjikan untuk aplikasi di lingkungan termal ekstrem, seperti nosel rudal, leading edge (ujung depan) kendaraan hipersonik, dan sistem pelindung termal.

HfB₂ memiliki beberapa sifat unggul, antara lain:

• Titik lebur tinggi (~3250 °C)
• Konduktivitas termal tinggi (~120 W/m·K)
• Ketahanan oksidasi lebih baik dibandingkan UHTC lainnya
• Kekerasan dan kekuatan mekanik tinggi
• Stabilitas kimia yang baik

HfB₂ menjadi perhatian utama dalam pengembangan rudal hipersonik karena mampu mengatasi sebagian besar tantangan tersebut. Dengan titik lebur di atas 3000 °C, HfB₂ dapat mempertahankan kekuatannya pada suhu yang sangat tinggi. Konduktivitas termalnya yang tinggi membantu menyebarkan panas lebih merata, mengurangi risiko deformasi lokal.

Namun, tantangan tetap ada. HfB₂ rentan terhadap oksidasi pada suhu tinggi, karena pembentukan lapisan HfO₂ yang rapuh dan berpori. Untuk mengatasi ini, peneliti mengembangkan komposit HfB₂ dengan penambahan silikon karbida (SiC) atau zat aditif lain guna meningkatkan ketahanan oksidasi dan stabilitas struktural.

Tantangan Pada Rudal Hipersonik

Ketika rudal hipersonik melesat di atmosfer dengan kecepatan Mach 5 ke atas, permukaan rudal mengalami tekanan dan panas ekstrem akibat interaksi dengan molekul udara. Temperatur di permukaan leading edge bisa mencapai 2000 °C atau lebih. Kondisi ini memunculkan beberapa tantangan:

1. Stabilitas Termal: Material harus mampu bertahan pada suhu tinggi tanpa meleleh atau kehilangan kekuatan struktural.
2. Ketahanan Oksidasi: Di atmosfer, panas tinggi dapat memicu reaksi oksidasi yang merusak struktur material.
3. Keausan dan Erosi: Gesekan dengan partikel atmosfer pada kecepatan tinggi bisa menyebabkan erosi material.
4. Sifat Mekanik: Material harus memiliki kekuatan mekanik tinggi untuk menjaga integritas struktur rudal.

Rudal hipersonik menghadapi tantangan besar dari sisi aerotermal. Ketika rudal melaju pada kecepatan tinggi, udara di depannya tidak sempat mengalir ke samping dan menumpuk di bagian depan rudal, membentuk gelombang kejut (shock wave). Proses ini menyebabkan pemanasan aerodinamis yang sangat tinggi, terutama di bagian-bagian seperti:

• Nose cone
• Leading edge
• Permukaan sayap atau sirip kendali

Temperatur tinggi dapat menyebabkan deformasi material pelindung jika tidak dirancang dengan material yang tepat. Untuk itu, diperlukan pelindung termal yang tidak hanya mampu menahan suhu ekstrem, tetapi juga ringan dan memiliki kekuatan mekanik tinggi agar tidak mengganggu performa aerodinamis rudal.

HfB₂ dapat menjadi solusi karena selain memiliki titik lebur tinggi, ia juga mampu mempertahankan kekuatan strukturalnya pada suhu tinggi. Namun, untuk memperbaiki ketahanannya terhadap oksidasi, biasanya HfB₂ dikombinasikan dengan aditif lain, seperti SiC, untuk membentuk lapisan pelindung silika (SiO₂) yang melindungi material dari degradasi.

Aplikasi HfB₂ Dalam Rudal Hipersonik

Penggunaan HfB₂ dalam sistem rudal hipersonik biasanya difokuskan pada bagian-bagian yang mengalami beban termal dan mekanik tertinggi, seperti:

1. Leading Edge: Ujung depan rudal menghadapi tekanan udara maksimum, sehingga memerlukan material yang tahan panas dan erosi.
2. Nose Cone: Hidung rudal harus memiliki kestabilan bentuk pada suhu tinggi untuk menjaga akurasi aerodinamika.
3. Thermal Protection System (TPS): Sistem ini berfungsi melindungi bagian internal rudal dari panas ekstrem selama fase penerbangan di atmosfer.
   
   

Pengembangan Teknologi dan Riset Terkini

Riset global sedang intensif dilakukan untuk mengembangkan bentuk komposit HfB₂ yang lebih stabil dan ekonomis. Penambahan SiC terbukti meningkatkan ketahanan oksidasi dengan membentuk lapisan pelindung silika yang kompak dan stabil pada suhu tinggi. Selain itu, teknik manufaktur seperti spark plasma sintering (SPS) juga dikembangkan untuk menghasilkan padatan HfB₂ dengan porositas rendah dan kekuatan tinggi.

Di Amerika Serikat, Rusia, dan China, pengembangan rudal hipersonik sangat bergantung pada kemajuan material UHTC, termasuk HfB₂. Misalnya, program X-51A Waverider dari DARPA menggunakan material keramik canggih pada leading edge untuk menahan suhu ekstrem selama penerbangan.

Sejumlah studi eksperimental telah dilakukan untuk menguji kinerja HfB₂ pada suhu tinggi. Hasil uji termal menunjukkan bahwa material ini mampu bertahan pada suhu di atas 2000°C dalam waktu lama tanpa kehilangan kekuatan mekanisnya secara signifikan. 

Simulasi numerik berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD) juga digunakan untuk memodelkan bagaimana aliran udara dan panas memengaruhi permukaan rudal yang dilapisi HfB₂. Hasil simulasi menunjukkan bahwa HfB₂ mampu mengurangi suhu permukaan hingga 30% dibandingkan material konvensional.

Potensi Implementasi Di Indonesia

Bagi Indonesia, ketertinggalan dalam teknologi material maju untuk pertahanan merupakan tantangan sekaligus peluang. Penguasaan teknologi seperti HfB₂ tidak hanya mendukung pengembangan rudal, tetapi juga memperkuat ekosistem riset dan industri dalam negeri. Kolaborasi antara lembaga penelitian, universitas, dan industri seperti PT Dahana, PT Pindad, dan LAPAN perlu diperkuat untuk membangun kompetensi dalam pengembangan material UHTC.

Penelitian HfB₂ dalam negeri dapat dimulai dari studi sintesis laboratorium, karakterisasi termal dan mekanik, serta uji aplikasi dalam skala kecil. Dengan dukungan kebijakan strategis dan pembiayaan riset yang berkelanjutan, pengembangan material seperti HfB₂ bisa menjadi lompatan besar bagi kemandirian teknologi pertahanan Indonesia.

Meskipun Indonesia belum memiliki teknologi rudal hipersonik, peluang untuk berkontribusi dalam pengembangan material seperti HfB₂ sangat besar. Beberapa langkah strategis yang dapat diambil antara lain:

• Riset dasar: Pengembangan proses sintesis serbuk HfB₂ dan karakterisasinya.
• Kolaborasi: Kerja sama antara BRIN, universitas, dan BUMN seperti PT Dahana untuk pengembangan material pertahanan.
• Peningkatan SDM: Pelatihan peneliti dan teknisi dalam bidang material keramik dan teknologi tinggi.

Jika dikembangkan secara serius, Indonesia berpotensi tidak hanya sebagai pengguna, tetapi juga produsen material berteknologi tinggi untuk keperluan pertahanan maupun industri lainnya seperti antariksa dan nuklir.

Rudal hipersonik menghadirkan tantangan luar biasa dari sisi termal dan struktural, yang tidak dapat diatasi oleh material konvensional. Hafnium diboride (HfB₂), dengan karakteristik titik lebur tinggi, konduktivitas termal baik, dan ketahanan mekanik pada suhu ekstrem, menjadi kandidat ideal untuk aplikasi ini. Meskipun masih ada tantangan seperti oksidasi dan kerapuhan, kombinasi HfB₂ dengan material lain dan teknik fabrikasi canggih dapat meningkatkan performanya secara signifikan. Dengan potensi besar di bidang riset material, Indonesia memiliki peluang untuk turut serta dalam pengembangan teknologi ini sebagai bagian dari kemandirian pertahanan nasional.

Reference :

1. Fahrenholtz, W. G., et al. "Ultra-high-temperature ceramics: Materials for extreme environment applications." Journal of the American Ceramic Society, 2007.
2. Chamberlain, A. L., et al. "Oxidation of ZrB2–SiC ceramics at 1500°C." Journal of the European Ceramic Society, 2004.
3. Zhang, H., et al. "Thermal and mechanical properties of HfB2-based ceramics for aerospace applications." Ceramics International, 2019.
4. Anderson, J. D. "Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics." McGraw-Hill, 2006.
5. BRIN. (2022). Laporan Strategi Riset Material Maju untuk Pertahanan. Jakarta: Badan Riset dan Inovasi Nasional.

Penulis,
M. Adrian Rezki Anggara MS

Farelino Oktavianus Purba