Energi
Pemanenan Air Atmosferik – Bagaimana Memanfaatkan Gravitasi Dapat Meningkatkan Teknologi Ini
Air mungkin merupakan sumber daya paling berharga yang dimiliki planet kita. Meskipun menutupi 70% permukaan bumi, air tawar—air yang kita gunakan untuk minum, mandi, atau menyiram lahan pertanian—sangat langka. Hanya 3% dari total air dunia adalah air tawar. Lebih lagi, dua pertiga dari 3% tersebut berada dalam bentuk gletser beku atau tidak dapat diakses.
Akibat kelangkaan air tercermin di seluruh dunia. Secara global, hampir 1,1 miliar orang tidak memiliki akses ke air. Sebanyak 2,7 miliar orang di dunia mengalami kelangkaan air setidaknya satu bulan dalam setahun.
Kekurangan air juga menimbulkan banyak masalah lain, seperti sanitasi yang tidak memadai, yang memengaruhi 2,4 miliar orang dan membuat mereka rentan terhadap penyakit seperti kolera dan tifus, serta banyak penyakit diare fatal lainnya.
Pertumbuhan populasi yang terus meningkat dan permintaan air yang terus meluas selalu berada dalam ketegangan. Semakin padat penduduk planet kita, semakin tertekan sistem airnya.
Tingkat polusi yang meningkat telah menyebabkan kerusakan pada sungai, danau, dan akuifer planet. Yang terlihat bahkan lebih menyedihkan adalah lebih dari setengah lahan basah dunia telah menghilang.
Jika komunitas ilmiah gagal beradaptasi dengan waktu dan menawarkan solusi untuk melawan ancaman air yang menghilang, sistem pertanian kita tidak akan memiliki cukup air segera, yang akan menyebabkan ketidakamanan pangan dan banyak lagi.
Namun, untungnya, komunitas ilmiah siap menghadapi tantangan ini di seluruh dunia. Hari ini, kami akan membahas satu solusi terobosan dalam segmen berikut dan kemudian menyelami lebih dalam.
Perangkat Menyerap Air dari Udara Hanya dengan Menggunakan Gravitasi
Sebuah tim peneliti internasional, dipimpin oleh Profesor KAUST Qiaoqiang Gan, telah merancang sebuah perangkat yang dapat secara potensial beroperasi tanpa listrik dan mengekstrak air dari udara hanya dengan bantuan gravitasi. Perangkat ini, yang sudah tidak memerlukan pasokan energi mahal, dapat dibuat dengan bahan yang murah dan mudah didapat.
Makalah eksperimen yang berjudul ‘Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting’, berupaya membuat pemanenan air atmosferik lebih efisien.
Proses pemanenan air meningkat secara signifikan dalam pendinginan radiasi. Pendinginan radiasi bekerja dengan menurunkan suhu kondensor jauh di bawah suhu lingkungan dan memungkinkan pemanenan air atmosferik tanpa tambahan energi.
Salah satu masalah yang dihadapi sistem pendinginan radiasi adalah tantangan pada kondensor yang menghadap langit tradisional yang memiliki kepadatan daya pendinginan rendah, dan tetesan air yang tetap menempel pada permukaan, memerlukan pengumpulan kondensat aktif.
Penelitian ini mengusulkan solusi untuk masalah tersebut: lapisan permukaan berlumur (LS) —yang terdiri dari elastomer polidimetilsiloksan yang sangat skalabel, dilumuri dengan minyak silikon dan diterapkan pada sisi kondensor dalam arsitektur vertikal dua sisi.
Manfaat desain ini beragam. Pertama, ia secara efektif menggandakan daya pendinginan lokal.
Kedua, menghilangkan penempelan garis kontak, memungkinkan pengumpulan air pasif yang digerakkan oleh gravitasi. Hasilnya adalah kapasitas AWH yang dipompa dari sampel 0 × 30 cm² di lingkungan luar, tanpa aliran udara lembab buatan.
Laju pengumpulan air pasif dari lapisan berlumur (LS) mencapai 21 g m−2 h−1, dua kali lipat dari permukaan superhidrofobik, 10 g m−2 h−1. Kinerja bahkan lebih baik di lingkungan dalam ruangan, di mana sistem dapat mencapai laju kondensasi hingga 87% dari batas teoretis dengan hingga 90% total kondensat terkumpul secara pasif.
Manfaat Pemanenan Air Atmosferik yang Dilakukan dengan Benar
Atmosfer mengandung enam kali lebih banyak air dibandingkan total air tawar semua sungai di bumi. Menurut Profesor Gan:
“Air ini dapat dikumpulkan oleh teknologi pemanenan air atmosferik.”
Dan ketika proses dilakukan secara efisien dengan solusi yang disebutkan di atas, hal itu menjadi lebih menguntungkan bagi para penggunanya. Saat menjelaskan manfaat sistem, Profesor Dan Daniel, salah satu postdoktoral dalam kelompok riset Profesor Gan, mengatakan,
“Sistem ini tidak mengonsumsi listrik apa pun, sehingga menghemat energi. Lebih jauh, ia tidak bergantung pada komponen mekanis seperti kompresor atau kipas, sehingga mengurangi pemeliharaan dibandingkan sistem tradisional, menghasilkan penghematan tambahan.”
Menanggapi pengamatan Dan Daniel, postdoktoral lain dari tim, Shakeel Ahmad, menambahkan:
“Lapisan kami secara efektif menghilangkan penempelan, memungkinkan pengumpulan air pasif sejati yang digerakkan oleh gravitasi.”
Secara keseluruhan, sistem meningkatkan kualitas pemanenan air atmosferik dengan selisih yang signifikan, menjadikan AWH solusi yang sangat relevan di dunia dengan sumber air yang semakin langka.
Kemajuan dalam Sistem Pemanenan Air Atmosferik
Pada Oktober 2023, sebuah artikel yang diterbitkan dalam jurnal ilmiah berjudul Energy melakukan tinjauan komprehensif tentang teknik, kinerja, solusi energi terbarukan, dan kelayakan yang terkait dengan metode AWH. Tinjauan tersebut menyoroti Pemanenan Air Atmosferik sebagai sesuatu yang dapat menjadi sumber air tawar yang sangat besar sebesar 12.900 km³.
Dikatakan:
“Sistem pemanenan air atmosferik telah mendapatkan popularitas dalam beberapa tahun terakhir karena mereka menawarkan sumber air berkelanjutan di daerah kering.”
Dalam segmen berikut, kami akan meninjau beberapa kemajuan tersebut, termasuk dehumidifikasi, kondensasi, siklus refrigerasi kompresi uap (VCRC), pendingin termoelektrik (TEC), unit pendingin udara, sel bahan bakar, dan sistem terintegrasi.
Kondensasi Pengeringan Udara
Teknologi pemanenan air melalui dehumidifikasi mengambil daya dari sumber tenaga surya, angin, atau listrik. Teknologi tersebut dapat berbasis kompresor/refrigeran atau berbasis desikant.
Tipe pertama beroperasi melalui kondensasi titik embun dan menyediakan permukaan dingin tempat uap air dapat mengembun, sementara tipe kedua menyerap uap air menggunakan sorben yang kemudian dipanaskan, dan uap air yang jenuh mengembun pada permukaan ketika berinteraksi dengan udara proses yang lebih dingin.
Siklus Refrigerasi Kompresi Uap (VCRCs)
Proses ini merujuk pada mekanisme di mana uap dikompresi, kemudian dikondensasikan dengan air atau udara, dan diekspansi ke tekanan rendah serta suhu rendah yang bersesuaian melalui katup atau mesin dengan pengambilan tenaga.
Pendingin Termoelektrik
Pada tahun 2023, International Information and Engineering Technology Association (IIETA) menerbitkan studi tentang pemanenan air atmosferik menggunakan teknologi pendinginan termoelektrik.
Studi tersebut bertujuan mengeksplorasi potensi udara atmosfer sebagai sumber air bersih alternatif untuk mengurangi kekurangan air di Indonesia, negara dengan kelembapan atmosfer rata-rata 75% hingga 85%.
Para peneliti memasang pendingin termoelektrik (TEC 1-12706), dilengkapi dengan heatsink dan kipas pada sisi panas untuk meningkatkan pembuangan panas. Kumparan pendingin berbahan tembaga berfungsi sekaligus sebagai penyerap panas dan kondensor bagi udara atmosfer yang melewatinya.
Sumber pendinginan untuk kumparan (diameter=7,9 mm; panjang=1000 mm) diambil dari blok air yang terpasang pada sisi dingin pendingin. Pengaturan percobaan mencakup semua kondisi lingkungan yang mungkin, termasuk laboratorium, area pemukiman, dan daerah pesisir, dengan laju aliran udara kipas pendingin heatsink yang bervariasi.
Data dikumpulkan pada rentang kelembapan 72,27%-83,01% dan hasil menunjukkan korelasi langsung antara laju aliran massa udara kipas pendingin heatsink dan jumlah air yang dapat diekstrak dari udara.
Eksperimen juga memberikan wawasan menarik tentang dampak jenis lingkungan terhadap volume udara yang diekstrak, karena lebih banyak air dapat diekstrak di pesisir dibandingkan di laboratorium dan area pemukiman.
Secara lebih spesifik, laju aliran massa udara adalah 0,092 kg/s di daerah pesisir, dan air yang dapat diekstrak sebesar 7,75 ml/jam. Di laboratorium, kinerja turun menjadi 5,5 ml/jam, dan di area pemukiman menjadi 4,75 ml/jam. Peneliti memahami bahwa mereka dapat meningkatkan ekstraksi air dengan memaksimalkan permukaan kontak antara pendingin udara dan permukaan kumparan.
Unit Pendingin Udara
Pada Juni 2024, sebuah makalah penelitian yang dipublikasikan dalam jurnal Case Studies in Chemical and Environmental Engineering menilai probabilitas produksi air dari sistem pendingin udara sebagai sumber pasokan yang tidak konvensional.
Lebih spesifik, studi tersebut meneliti sifat fisik dan kimia air yang terkondensasi dan menyelidiki keberadaan logam berat dalam sampel air kondensat yang dihasilkan oleh sistem pendingin udara.
Tujuan evaluasi adalah memastikan kualitas air memenuhi kriteria standar air minum Yordania dan pedoman FAO untuk keperluan irigasi.
Studi ini dilakukan di Yordania yang termasuk salah satu negara dengan sumber daya air tawar terbarukan paling kurang secara ekonomi di dunia, dengan ketersediaan per kapita yang sangat sedikit sekitar 61 meter kubik pada tahun 2021.
Hasil uji menunjukkan bahwa sampel sebagian besar memenuhi batas yang diizinkan oleh pedoman air minum (di bawah 20 °C) dan kriteria air yang diproses untuk irigasi (di bawah 25 °C). Rentang suhu sampel berada antara 16 °C hingga 20 °C, dengan rata-rata 18 °C, sementara nilai pH sampel air kondensat bervariasi antara 7,16 hingga 7,25, dengan rata-rata 7,20.
Sel Bahan Bakar
Penelitian lain, yang dipublikasikan dalam edisi Desember 2020 jurnal Applied Energy mengusulkan penggunaan kembali air elektrokimia dari sel bahan bakar untuk siklus kompresi uap berbasis generator air atmosferik (VCC-AWG).
Mekanisme solusi memanfaatkan gas buang sel bahan bakar yang masuk ke VCC-AWG dengan kelembapan relatif lebih tinggi daripada udara atmosfer alami karena melewati penukar panas ambient untuk menghilangkan panas limbah elektrokimia.
Para ilmuwan mengusulkan bahwa kelembapan relatif yang lebih tinggi dapat meningkatkan hasil air tawar per input energi. Hasil menunjukkan bahwa pada kelembapan relatif 0,75, menambahkan sel bahan bakar 2 kW menghasilkan hingga 3 kg/jam air bersih, yaitu 50 % lebih tinggi dibandingkan tanpa sel bahan bakar.
Dengan konsumsi energi spesifik 200 Wh/kg, VCC-AWG dapat diintegrasikan dengan pengorbanan kecil pada output daya sel bahan bakar.
Sistem Terintegrasi
Akhirnya, beberapa peneliti juga mengusulkan sistem terintegrasi inovatif yang menggabungkan roda desikant dan pendingin evaporator untuk menyediakan udara dingin sekaligus air yang terkondensasi.
Lebih penting lagi, sistem terintegrasi ini telah menunjukkan kemampuan pemanenan air yang luar biasa di lingkungan kering. Misalnya, berdasarkan data yang diperoleh dari satu percobaan, sebuah sistem dehumidifier satu meter kubik dapat menyediakan keluarga di Qatar dengan lebih dari 15 l air tawar per hari pada tingkat kelembapan relatif 50–70 %.
Sementara komunitas ilmiah di seluruh dunia secara konsisten mengeksplorasi kemungkinan pemanenan air atmosferik dan mendorong batasnya, perusahaan-perusahaan telah menghadirkan solusi yang cocok untuk adopsi massal. Dalam segmen berikut, kami akan meninjau singkat beberapa perusahaan tersebut.
#1. Atoco
Sumber: Atoco
Teknologi pemanenan air Atoco mampu menangkap dan menghasilkan air murni dari atmosfer, bahkan dalam kondisi kering dengan kelembapan relatif di bawah 20%.
Seperti penelitian yang kami bahas di awal, solusi Atoco dapat beroperasi dalam mode pasif tanpa penggunaan listrik, memungkinkan operasi off‑grid dengan jejak karbon nol.
Kualitas air yang dihasilkan dari penggunaan material retikular baru oleh Atoco sangat murni, tidak memerlukan filtrasi tambahan. Air tersebut sepenuhnya memenuhi standar global, termasuk standar WHO dan EPA untuk air minum serta standar kualitas air FAO untuk keperluan pertanian.
Didirikan oleh Prof. Omar Yaghi – bapak kimia retikular – Atoco percaya dapat mengatasi penyebab dan dampak perubahan iklim serta mengatasi pemanasan global dan kelangkaan air dengan mengembangkan solusi berkelanjutan, tangguh, dan transformatif di bidang pemanenan air atmosferik.
#2. Watergen
Watergen, perusahaan pionir asal Israel dan pemimpin global di pasar perangkat air minum atmosferik (AWG), menawarkan mesin yang menghasilkan air minum paling efektif dan ekonomis. Solusinya tersedia di lebih dari 65 negara di seluruh dunia.
Solusi komersial Gen‑L mereka dapat menghasilkan hingga 6.000 liter per hari, sementara solusi kecil Genny menghasilkan 30 liter per hari. Mereka memiliki solusi untuk setiap jenis kebutuhan di antara kedua terminal ini.
Pada tahun 2022, Watergen mengumumkan joint venture strategis dengan SMV Jaipuria Group dengan rencana investasi lebih dari USD 50 juta dalam 2‑3 tahun ke depan untuk memperkenalkan produk teknologi air‑dari‑udara ke India.
Kata Penutup
Secara keseluruhan, dunia siap menghadapi tantangan kelangkaan air dengan memanfaatkan secara cerdas sumber daya alami lain yang melimpah: udara atmosfer.
Namun, masih banyak pekerjaan yang perlu dilakukan untuk memperluas batasan dengan menurunkan biaya produksi dan menjadikan prosesnya berkelanjutan secara lingkungan dengan tanpa atau penggunaan energi yang minimal.
Banyak negara yang mengalami kelangkaan air merupakan ekonomi berpendapatan rendah. Mereka membutuhkan solusi yang terjangkau bagi massa dan dapat diterapkan dengan cara yang paling mulus mungkin.
