Ramah Lingkungan dan Efisien: Bagaimana Mesin Stirling Thermoakustik Mengubah Permainan di Industri Aeroangkasa

Mesin Stirling Thermoakustik (TASE) mungkin terdengar seperti banyak hal untuk dicerna sekaligus. Namun, pada prinsipnya, mereka adalah setara akustik dari mesin Stirling. Oleh karena itu, sebelum mempelajari lebih lanjut tentang TASE, kita harus memulai dengan Mesin Stirling.

Apa itu Mesin Stirling?

Nama ini berasal dari penemunya, Reverend Robert Stirling, yang menciptakan mesin panas eksternal yang sangat berbeda dari mesin pembakaran internal yang digunakan di mobil. Ini berbeda dalam penggunaan siklus pengadukan, yang memiliki tiga fitur inti. 

• Gas yang digunakan di dalam mesin Stirling tidak pernah meninggalkan mesin. Tidak seperti mesin bensin atau diesel, mesin ini tidak memiliki katup buang untuk mengeluarkan gas bertekanan tinggi. Ini juga tidak memiliki ledakan yang terjadi. Akibatnya, mesin Stirling sangat tenang.
• Karena ini bukan mesin pembakaran internal, maka memerlukan sumber panas eksternal. Dan sumber panas itu bisa berupa sinar matahari, panas geotermal, bensin, atau energi surya. Panas itu bahkan bisa berasal dari tanaman yang membusuk. 
• Terakhir, semua yang dibutuhkan adalah baling-baling dengan putaran lembut untuk memulai mesin. 

Dalam tradisi membangun mesin Stirling datang Mesin Stirling Thermoakustik atau TASE, setara akustik dari mesin Stirling. 

TASE: Setara Akustik dari Mesin Stirling

Mesin Stirling Thermoakustik telah mendapatkan momentum dan traksi dalam bidang penelitian ilmiah karena biaya manufaktur yang rendah, efisiensi tinggi, fitur bebas perawatan, dan kemampuan self-starting. 

Salah satu kategori paling populer dari Mesin Stirling Thermoakustik adalah Mesin Panas Thermoakustik Stirling atau TASHE. Perangkat ini dapat mengubah panas menjadi kekuatan akustik dengan tingkat efisiensi yang sangat tinggi. Potensinya terletak pada kenyataan bahwa tidak melibatkan bagian yang bergerak, dan komponennya relatif sederhana. Sistem ini kurang mahal untuk diproduksi dan dirawat. Ini dipilih oleh banyak orang sebagai sarana untuk menghasilkan energi yang bersih dan efektif. 

Bagaimana TASHE Bekerja?

Proses konversi energi dalam mesin ini terjadi di regenerator. Regenerator adalah blok metal berpori antara penukar panas panas (HHX) dan penukar panas dingin atau ambient. Penempatan seperti itu di kedua ujung membantu mempertahankan gradien suhu rata-rata dalam arah aksial. Gelombang akustik yang melewati – dengan fase yang tepat – dapat diperkuat oleh proses termodinamik yang menyerupai siklus Stirling. 

Mengapa Mesin Stirling Thermoakustik Menguntungkan?

Kekurangan bahan bakar fosil adalah tantangan yang dihadapi umat manusia dalam jangka dekat. Bahan bakar fosil juga tidak menguntungkan untuk kesehatan planet dan datang dengan sejumlah kekhawatiran keberlanjutan. 

Komunitas ilmiah telah mempertimbangkan penggunaan sumber bahan bakar alternatif, termasuk energi surya, energi geotermal, bahan bakar bio/biomassa, radioisotop, dan lain-lain. 

Dalam skenario ini, mesin Stirling telah menunjukkan hasil yang baik karena efisiensi tinggi, siklus termodinamik tertutup, operasi sunyi, getaran rendah, umur operasi panjang, dan perawatan rendah. 

Terdapat dua jenis mesin Stirling: konvensional dan canggih.

Evolusi Mesin Stirling Thermoakustik: Inovasi dan Terobosan

Mengetahui sejarah TASE sangat penting untuk memahami bagaimana mereka melayani tujuan mereka dan apa sifat teknologi tersebut. 

Kita sudah berbicara tentang gelombang akustik yang melewati gradien antara panas dan dingin atau penukar panas ambient di kedua sisi. 

Sampai tahun 1980-an, efisiensi dari sebagian besar desain di bidang ini biasanya tidak melebihi 5%. Menandai titik balik pada tahun 1979, terobosan signifikan dicapai oleh Ceperley. Ia menunjukkan bahwa gelombang bergerak dapat mengekstrak energi akustik lebih efisien, yang mengarah pada konsep desain mesin panas thermoakustik Stirling yang digunakan saat ini. 

Apa yang terjadi dalam skema yang lebih efisien ini adalah sebagian dari kekuatan akustik yang dihasilkan kembali ke regenerator melalui beberapa bentuk umpan balik dan sebagian diarahkan ke resonator untuk ekstraksi energi.

Dekade pertama milenium ini melihat perbaikan lebih lanjut dalam teknologi di balik TASHE. Pada tahun 2011, Tijani & Spolestra merancang mesin panas thermoakustik Stirling yang mencapai efisiensi keseluruhan yang luar biasa sebesar 49% dari batas Carnot. Untuk menambah konteks, Batas Carnot menetapkan batas absolut pada efisiensi dengan cara energi panas dapat diubah menjadi kerja yang berguna.

Dalam perkembangan terbaru di bidang TASE, Cina baru-baru ini mengembangkan generator Stirling thermoakustik berkekuatan tinggi, yang dapat menghasilkan 140 hp atau 102 KW daya dari sumber panas 986 derajat Fahrenheit. Pengembangan ini berasal dari peneliti yang bekerja di Institut Fisika dan Kimia Teknis di Akademi Ilmu Pengetahuan Cina. Ini adalah pertama kalinya generator Stirling seperti itu dapat melebihi 134 hp atau 100 KW daya. 

Inovasi Cina ini dipandang sebagai perubahan besar oleh banyak orang karena kelenturannya. Ini dapat digunakan dengan berbagai sumber panas yang berbeda dan bisa mengubah cara energi dihasilkan, memberikan solusi untuk berbagai kebutuhan energi.

Menurut tim yang mengembangkannya, keandalan, desain sederhana, dan kompatibilitas dengan sumber panas yang beragam dapat membuatnya bersaing dengan efisiensi turbin uap. Desain motor ini menghilangkan getaran sistem dan membantu mempertahankan segel yang kedap udara. Inovasi ini dapat membantu membuat kapal selam Cina yang ultra-sunyi dan non-nuklir. 

Sebuah studi pada tahun 2017 mengusulkan pembangkitan daya Stirling thermoakustik dari energi dingin LNG dan panas buangan suhu rendah. Studi ini menghasilkan desain generator Stirling thermoakustik yang dioperasikan dengan gas helium 4 MPa yang dapat menghasilkan 2,3 kW daya listrik dengan efisiensi eksesi tertinggi sebesar 0,253 ketika ujung dingin dan panas dipertahankan pada 110 K dan 500 K. 

Evolusi Mesin Stirling Thermoakustik sebagai solusi untuk memperkenalkan tingkat efisiensi energi yang lebih tinggi telah dipelajari secara dekat oleh peneliti dan teknolog tingkat tinggi di seluruh dunia. Dan banyak pekerjaan telah dilakukan pada solusi perusahaan skala besar. 

Organisasi yang Menggunakan Mesin Stirling Thermoakustik

1. NASA

NASA telah membuat kemajuan signifikan dalam bidang Mesin Stirling Thermoakustik. Solusi, yang dikenal sebagai Stirling Thermoacoustic Power Converter dan Magnetostrictive Alternator, menghilangkan semua bagian yang bergerak untuk efisiensi dan keandalan maksimum. 

Teknologi Baru yang Dikembangkan oleh Pusat Penelitian Glenn NASA

Teknologi ini membuat mesin Stirling lebih efisien dan kurang mahal. Ini menggunakan konverter daya thermoakustik di mana suara digunakan untuk mengubah panas menjadi daya listrik. Sistem ini menggunakan tekanan dan osilasi volume yang dipicu panas dari sumber thermoakustik untuk menggerakkan alternator piezoelektrik atau teknologi konverter daya lainnya. Perangkat ini mampu menghasilkan listrik dengan efisiensi yang tidak tertandingi. 

Dampak inovasi NASA telah sangat luas. Konverter daya thermoakustik telah membantu mengubah mesin Stirling konvensional dari bentuk toroidal menjadi susunan kolinear lurus. Inovasi ini memastikan bahwa sistem selanjutnya tidak perlu bergantung pada tabung inertansi mekanis dan kompatibilitas yang rentan gagal. Tujuan ini dapat dicapai dengan menggunakan resonansi akustik menggunakan komponen elektronik. 

Inovasi ini telah menghasilkan sesuatu yang efisien, andal, berbiaya rendah, kompak, dan serbaguna. Ini dapat digunakan dalam pembangkitan terdistribusi dan sistem daya rumah tangga, sistem panas dan daya gabungan, pembangkitan daya surya konsentrasi, kendaraan hibrida listrik, sistem pendingin, pompa panas, sistem daya bawah air dan laut, dan unit daya bantu. 

2. SpaceX

Terdapat kemungkinan tinggi bahwa SpaceX, raksasa teknologi ruang dan penerbangan lainnya, mungkin segera menjelajahi TASE. Ini dapat membantu mereka mencapai efisiensi yang ditingkatkan dalam mengubah panas menjadi kerja mekanis. 

Biaya manufaktur dan perawatan yang rendah dapat menyebabkan pengembangan pesawat luar angkasa yang lebih ringan dengan biaya yang lebih rendah. Ini juga akan membantu SpaceX untuk mengelola panas secara efektif, dengan kemampuan pembangkitan daya yang ditingkatkan dalam misi luar angkasa yang dalam. 

Menurut laporan yang dipublikasikan selama pertengahan Agustus 2023, pendapatan SpaceX yang meningkat telah membuatnya menguntungkan di Q1 2023 setelah dua kerugian tahunan. Perusahaan milik Elon Musk ini menghasilkan $55 juta keuntungan dari $1,5 miliar pendapatan selama periode Januari-Maret. Ini dinilai sekitar $150 miliar pada penjualan saham karyawan baru-baru ini.

3. Sierra Lobo, Inc.

Berbasis di Fremont, Ohio, Sierra Lobo, Inc., menyediakan layanan pengujian, evaluasi, dan teknik khusus ruang dan penerbangan di seluruh dunia. Mereka telah mengembangkan mesin panas thermoakustik Stirling yang lengkap yang dapat beroperasi dengan berbagai sumber daya/panas, dengan efisiensi dan keandalan tinggi, tanpa bagian yang bergerak. Ini kompak dan dapat diskalakan dan dapat digunakan dalam aplikasi ruang karena operasinya yang independen gravitasi. 

Mesin panas ini diharapkan dapat digunakan dalam banyak bidang, termasuk pembangkitan daya akustik dan gelombang tekanan, serta pembangkitan listrik untuk aplikasi darat, bawah air, dan di luar angkasa. Ini dapat menghasilkan daya listrik dan pendinginan secara bersamaan, menggerakkan alternator linier untuk pembangkitan daya listrik, dan refrigerator dan cryocooler untuk pembangkitan pendinginan. 

Tantangan dan Peluang di Masa Depan

Mesin Panas Thermoakustik Stirling (TASE), kategori khusus dari mesin Stirling, telah menunjukkan potensi besar dalam mengembangkan sumber daya yang sesuai untuk perjalanan luar angkasa yang dalam. NASA, terutama melalui Pusat Penelitian Glenn, telah berada di garis depan dalam memanfaatkan efisiensi dan atribut perawatan rendah teknologi ini. Teknologi ini diharapkan berkembang lebih lanjut, mendukung sistem daya yang dapat menjadi instrumental dalam berbagai proyek eksplorasi ruang, termasuk pembangkitan daya untuk basis di Bulan dan Mars.

Mesin ini lebih disukai karena kemampuan mereka untuk menawarkan efisiensi termal-ke-listrik yang sangat tinggi dibandingkan dengan mesin panas lainnya. Ketidakhadiran sistem bantalan dan bagian yang bergerak dalam TASE secara signifikan mengurangi risiko kegagalan dan biaya fabrikasi.

Namun, untuk menjadi pilihan yang paling disukai, masih ada pekerjaan yang cukup besar untuk dilakukan dalam memperbaiki teknologi ini. TASE saat ini menghadapi tantangan dengan volume dan berat, terutama karena desainnya yang melibatkan penukar panas di kedua titik panas dan dingin, menghasilkan formasi yang lebih besar dan lebih berat daripada mesin pembakaran internal tradisional dengan daya output setara.

Selain itu, TASE sering kali terhambat oleh startup yang lebih lambat karena inersia termal bawaan. Aplikasinya terbatas dalam skenario yang memerlukan startup cepat atau perubahan kecepatan yang cepat. Namun, inovasi teknologi yang sedang berlangsung bertujuan untuk mengatasi tantangan ini, memposisikan TASE sebagai komponen kunci untuk operasi ruang angkasa canggih dan di luar itu.

Klik di sini untuk daftar 10 saham teknologi yang siap untuk pertumbuhan di masa depan.