Para ilmuwan yang ingin memanen energi listrik dari udara lembab

Ilmuwan terkenal Nikola Tesla dulu berupaya memanen tenaga listrik dari kelembaban di udara dengan memanfaatkan proses yang terjadi di awan badai. Beberapa dekade setelah kematiannya, ide tersebut mungkin saja bisa dapat terealisasi.

Saat itu, tak seorang pun di laboratorium bisa mempercayai apa yang mereka lihat.

Sebuah perangkat eksperimental, yakni sebuah sensor kelembaban, mulai menghasilkan sinyal listrik. Anda mungkin berpikir itu biasa saja. Tapi, itu seharusnya tidak mungkin terjadi.

"Untuk beberapa alasan, siswa yang sedang menggunakan perangkat itu lupa menocoloknya ke sumber daya," kata Jun Yao dari University of Massachusetts Amherst. "Itulah awal ceritanya."

Sejak saat itu lima tahun lalu, Yao dan rekan-rekannya telah mengembangkan teknologi yang dapat memperoleh listrik hanya dari udara lembab: sebuah konsep yang dikenal sebagai hygroelectricity.

Ini adalah ide yang telah ada selama bertahun-tahun. Nikola Tesla dan lainnya telah menyelidikinya di masa lalu tetapi tidak pernah mencapai hasil yang menjanjikan.

Namun, itu mungkin akan berubah.

Beberapa kelompok penelitian di seluruh dunia menemukan cara baru untuk mengumpulkan listrik dari molekul air yang secara alami mengapung di udara.

Itu mungkin karena molekul air itu dapat mentransfer muatan listrik kecil di antara mereka sendiri – sebuah proses yang ingin dimanfaatkan oleh para peneliti.

Tantangannya adalah mendapatkan listrik yang cukup agar dapat digunakan.

Tetapi para ilmuwan sekarang percaya bahwa mereka mungkin dapat memanen cukup listrik untuk memberi daya pada komputer mini atau perangkat sensor.

Ini meningkatkan prospek menggiurkan dari bentuk baru energi terbarukan yang mungkin ada di sekitar kita.

Pada tahun 2020, Yao dan rekan-rekannya menerbitkan makalah ilmiah yang menjelaskan bagaimana kawat nano protein kecil , yang diproduksi oleh bakteri, dapat menghasilkan listrik dari udara.

Mekanisme pastinya masih dalam diskusi, tetapi pori-pori kecil material tersebut tampaknya mampu menjebak molekul air yang mengambang.

Saat mereka bergesekan dengan bahan, molekul air juga tampak memberi muatan.

Yao menjelaskan bahwa, dalam sistem seperti itu, sebagian besar molekul tetap berada di dekat permukaan dan menyimpan banyak muatan listrik sementara beberapa lainnya menembus lebih dalam.

Ini menciptakan perbedaan muatan antara bagian atas dan bawah dari lapisan material.

"Seiring waktu, Anda melihat bahwa terjadi pemisahan muatan," kata Yao. "Itu sebenarnya yang terjadi di awan."

Pada skala yang jauh lebih besar dan lebih dramatis, awan badai juga membuat penumpukan muatan listrik berlawanan yang akhirnya keluar dalam bentuk petir .

Artinya, dengan memengaruhi pergerakan molekul air dan menciptakan kondisi yang tepat untuk pemisahan muatan, Anda dapat menghasilkan listrik.

"Perangkat ini dapat bekerja secara di mana saja di Bumi," kata Yao.

Makalah tahun 2020 itu ternyata hanya merupakan puncak gunung es.

Yao dan rekan-rekannya menerbitkan studi lanjutan pada Mei 2023 di mana mereka menciptakan jenis struktur yang sama, diisi dengan pori-pori nano, tetapi menggunakan berbagai bahan berbeda – dari serpihan oksida graphene dan polimer hingga serat nano selulosa yang berasal dari kayu.

Semua bahan itu bekerja, meskipun dengan beberapa perbedaan kecil. Ini menunjukkan bahwa strukturlah yang penting, bukan materi itu sendiri.

Dalam percobaan sejauh ini, perangkat-perangkat yang lebih tipis dari rambut manusia menghasilkan listrik dalam jumlah yang sangat kecil, setara dengan sepersekian volt.

Yao menyarankan bahwa dengan hanya membuat lebih banyak bahan, atau menghubungkan potongan-potongan itu menjadi satu, Anda bisa mulai mendapatkan muatan yang berguna dari segi jumlah volt.

Itu bahkan bisa dibuat dari cairan yang bisa disemprotkan ke permukaan untuk menyediakan sumber daya instan, tambahnya.

"Saya pikir ini sangat menarik," kata Reshma Rao, seorang insinyur material di Imperial College London di Inggris, yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut.

"Ada keleluasaan dalam jenis bahan yang bisa Anda gunakan."

Namun demikian, mungkin tidak realistis untuk membayangkan teknologi seperti itu dimanfaat untuk sebuah bangunan atau mesin yang haus energi seperti mobil, Rao mengingatkan.

Kelembaban mungkin hanya cukup untuk memberi daya pada perangkat internet-of-things, seperti sensor, atau perangkat elektronik kecil yang dapat dikenakan.

Penelitian lain yang sedang berlangsung

Yao bukan satu-satunya tim yang menyelidiki udara lembab sebagai sumber energi potensial.

Pada tahun 2020, sebuah kelompok di Israel berhasil memanen listrik dengan mengalirkan udara lembab di antara dua potong logam . Udara lembab menginduksi muatan dalam logam saat mengalir di atasnya.

Fenomena ini pertama kali tercatat pada tahun 1840, ketika seorang masinis kereta api di sebuah tambang batu bara di utara Newcastle, di timur laut Inggris, merasakan sensasi yang aneh di tangannya saat mengoperasikan mesin.

Belakangan, dia melihat percikan api kecil melompat di antara jarinya dan salah satu tuas kendaraan. Ilmuwan yang menyelidiki kejadian tersebut menyimpulkan bahwa uap yang bergesekan dengan logam ketel mesin telah menyebabkan muatan menumpuk .

Colin Price, seorang peneliti ilmu atmosfer di Universitas Tel Aviv di Israel, yang ikut menulis makalah tahun 2020, mengatakan muatan yang dihasilkan dalam percobaan laboratorium menggunakan potongan logam kecil sangat rendah.

Meski demikian, dia menambahkan bahwa dia dan rekannya sedang bekerja untuk meningkatkan sistem mereka.

Namun, salah satu batasannya adalah mereka membutuhkan kelembapan relatif 60% atau lebih tinggi, sedangkan perangkat Yao dan rekan-rekannya mulai menghasilkan listrik pada kelembapan relatif sekitar 20%.

Sementara itu, sebuah tim di Portugal sedang mengerjakan proyek yang didanai Uni Eropa bernama CATCHER , yang juga bertujuan memanfaatkan udara lembap sebagai sumber energi.

Svitlana Lyubchyk, seorang ilmuwan material di Universitas Lusófona di Lisbon, Portugal, mengoordinasi proyek tersebut, dan ikut mendirikan sebuah perusahaan bernama CascataChuva .

"Saya pikir prototipe teknik akan siap pada akhir tahun ini, kurang lebih," kata Lyubchyk , sementara putranya Andriy Lyubchyk, yang juga salah satu pendiri perusahaan, menyajikan video tentang lampu LED kecil yang sedang dinyalakan dan dimatikan.

Dia memegang piringan abu-abu berdiameter sekitar 4cm, terbuat dari zirkonium oksida, sambal menjelaskan bahwa bahan ini dapat menjebak molekul air dari udara lembab dan memaksanya mengalir melalui saluran kecil.

Dia mengatakan ini menghasilkan muatan listrik, cukup untuk memasok sekitar 1,5 volt dari satu disk. Hanya dua disk saja cukup untuk memberi daya pada LED, klaimnya, sambal menambahkan bahwa lebih banyak potongan material dapat dirangkai bersama untuk menghasilkan keluaran yang lebih besar.

Namun, sementara beberapa informasi tentang pekerjaan tersebut tersedia secara online , detail lengkap mengenai eksperimen terbaru tim belum dipublikasikan atau melalui proses tinjauan.

Grup tersebut juga menolak untuk membagikan materi apa pun yang menunjukkan bagaimana cakram terhubung ke LED untuk menyalakannya.

Masih banyak pertanyaan tentang mekanisme di balik semua upaya pembangkit listrik tenaga air ini, kata Rao.

"Masih banyak yang harus diselidiki dalam hal dasar-dasar mengapa ini berhasil."

Ada juga masalah komersialisasi.

Siapa pun yang ingin mengkomersialkan teknologi seperti ini perlu membuktikan output daya yang memadai dan biayanya dibandingkan dengan energi terbarukan lainnya, kata Sarah Jordaan, seorang insinyur sipil di Universitas McGill di Kanada, yang mempelajari pertukaran lingkungan dan ekonomi dari keputusan energi.

Teknologi energi terbarukan yang lebih mapan seperti angin dan matahari jelas memiliki keunggulan.

Mereka mungkin akan terbukti jauh lebih signifikan dalam dekade mendatang, saat transisi dari bahan bakar fosil sangat mendesak .

Terlepas dari tantangan ini, Rao mengatakan masih ada "secercah harapan" bahwa bahan energi baru akan muncul dari penelitian tentang higroelektrik .

--

Anda dapat membaca artikel versi bahasa Inggris berjudul How harvesting electricity from humid air could one day power our devices di BBC Future.