Jutaan jembatan di Amerika Serikat menyimpan kerusakan yang tak terlihat dari permukaan jalan. Sensor kuantum mulai dilirik sebagai alat untuk membantu menemukan masalah itu lebih cepat, sebelum retakan kecil, karat, atau pergeseran tanah berubah menjadi perbaikan mahal atau penutupan mendadak.
Masalahnya besar dan sudah lama berlangsung. AS memiliki lebih dari 624.000 jembatan jalan raya, sekitar 220.000 di antaranya membutuhkan perbaikan besar atau penggantian, dan 41.677 dinilai buruk atau structurally deficient. Istilah “buruk” tidak berarti tidak aman, tetapi menandakan setidaknya satu elemen utama jembatan mendapat nilai rendah karena kerusakan atau retak yang perlu perbaikan signifikan.
Kerusakan yang tersembunyi sering luput dari mata
Banyak bagian jembatan tidak terlihat oleh pengemudi. Baja bisa terkubur di dalam beton, sambungan las tersembunyi di bawah girder, dan tanah penyangga pondasi berada di bawah garis air.
Jembatan juga bisa tampak baik dari atas, sementara korosi menyebar di dalam beton atau tanah di sekitar pondasi tersapu banjir. Saat retak, beton lepas, atau penutupan lajur sudah muncul, jendela perbaikan termurah sering kali telah lewat.
Inspeksi federal tetap menjadi dasar keselamatan jembatan. Aturan itu berasal dari National Bridge Inspection Standards yang diwajibkan Kongres pada 1968, karena kegagalan di masa lalu menunjukkan cacat kecil dapat mengancam struktur besar.
Namun inspeksi punya batas. Banyak jembatan diperiksa setidaknya setiap 24 bulan, sementara jembatan berisiko lebih tinggi bisa butuh interval lebih pendek, dan jembatan berisiko rendah kadang boleh lebih lama.
Tiga ancaman utama di balik beton dan baja
Tiga ancaman tersembunyi yang paling umum adalah korosi, kelelahan material, dan scour. Korosi terjadi saat air, oksigen, dan garam mencapai baja, lalu karat mengembang dan mendorong beton hingga lapisannya terlepas.
Kelelahan material bekerja pelan lewat siklus beban berulang. Ribuan kendaraan berat dapat membuat retak kecil membesar di dekat las, sambungan baut, atau detail baja yang lebih tua.
Scour berbeda karena datang dari air yang bergerak. Aliran bisa menggerus tanah di sekitar pondasi, sehingga struktur di atasnya tampak stabil padahal penopang bawahnya kehilangan tanah penahan.
Kerugian dari menunggu juga besar. Rata-rata umur jembatan di AS sekitar 47 tahun, banyak yang mendekati atau melewati umur rancang 50 tahun, dan sekitar 45% telah melampaui masa desainnya.
Biaya memperbaiki seluruh kebutuhan perbaikan jembatan yang teridentifikasi diperkirakan mencapai US$467 miliar. Secara umum, menjaga jembatan tetap dalam kondisi fair lebih murah daripada memperbaiki jembatan yang sudah jatuh ke kondisi buruk.
Peran sensor, dari kamera hingga radar bawah permukaan
Sensor membantu memperluas jangkauan inspeksi di antara jadwal pemeriksaan. Ada sensor yang “melihat”, seperti drone untuk memotret retak dan beton lepas, kamera inframerah untuk pola panas yang terkait zona dek rusak, dan LiDAR untuk membuat peta tiga dimensi.
Ada juga sensor yang “mendengar”. Ultrasonic testing dan impact-echo mengirim gelombang suara ke beton atau baja, acoustic emission mendeteksi retak aktif, dan accelerometer mengukur getaran jembatan.
Sebagian sensor bekerja di bawah permukaan. Alat radio khusus mencoba menemukan baja tersembunyi, kelembapan terperangkap, rongga kosong, atau lapisan beton yang rapuh, sementara instrumen magnetik dan listrik mencoba menilai apakah baja tertanam sedang berkarat.
Kombinasi metode sering memberi hasil terbaik. Sebuah robot inspeksi dek jembatan, misalnya, memakai subsurface radar, alat listrik untuk mengukur kelembapan, dan kamera biasa untuk menyusun peta visual kondisi dek.
Sensor kuantum masih tahap frontier
Sensor kuantum menarik perhatian karena mampu menangkap sinyal yang sangat lemah atau tersembunyi. Perangkat ini memakai sistem kuantum, seperti atom atau spin elektron, sebagai probe yang sangat sensitif.
Dengan mengukur perubahan sangat kecil pada gravitasi, gerak, atau medan magnet, sensor ini dapat menemukan cacat yang luput dari instrumen tradisional. Untuk jembatan, peluang paling dekat tampaknya ada pada inspeksi magnetik.
Tim peneliti yang dipimpin Alex Krasnok dari Florida International University ikut menulis tinjauan yang belum ditinjau sejawat tentang quantum magnetometers untuk inspeksi infrastruktur. Sensor itu dapat mendeteksi sinyal dari respons induksi, magnetic flux leakage, tegangan, korosi, dan arus operasional.
Dalam istilah sederhana, sensor semacam ini dapat memetakan medan magnet lemah di sekitar baja, kabel, atau konduktor listrik. Perubahan kecil di medan itu bisa menunjukkan karat tersembunyi, serabut kawat yang putus di dalam kabel suspensi, atau titik tegangan abnormal sebelum retak terbentuk.
Namun tantangannya masih besar. Sensor yang hebat di laboratorium belum tentu andal di jembatan yang bising, dekat lalu lintas, cuaca, baja, dan gangguan listrik.
Karena itu, sensor kuantum tidak dimaksudkan menggantikan inspeksi manusia. Fungsinya lebih sebagai alat untuk membuat kerusakan lebih sulit bersembunyi, sehingga insinyur bisa merencanakan perbaikan lebih awal dan mengurangi kejutan di lapangan.