Ramah Lingkungan dan Efisien: Bagaimana Mesin Stirling Termoakustik Mengubah Dunia Dirgantara

Mesin Stirling Termoakustik (TASE) mungkin terdengar banyak untuk dicerna sekaligus. Namun, pada prinsipnya, mereka adalah ekuivalen akustik dari mesin Stirling. Oleh karena itu, sebelum menyelami lebih dalam tentang TASE, kita harus memulai dengan Mesin Stirling.

Apa itu Mesin Stirling?

Namanya berasal dari penemunya, Reverend Robert Stirling, yang menciptakan mesin panas eksternal yang sangat berbeda dari mesin pembakaran dalam tradisional yang digunakan pada mobil. Mesin ini berbeda dalam penggunaan siklus pengadukan, yang memiliki tiga fitur inti.

• Gas yang digunakan di dalam mesin Stirling tidak pernah keluar dari mesin. Berbeda dengan mesin bensin atau diesel, mesin ini tidak memiliki katup knalpot untuk mengeluarkan gas bertekanan tinggi. Tidak ada ledakan yang terjadi, juga. Akibatnya, mesin Stirling sangat tenang.
• Karena bukan mesin pembakaran dalam, ia memerlukan sumber panas eksternal. Dan sumber panas tersebut dapat berupa sinar matahari, panas geotermal, bensin, atau energi surya. Panas bahkan dapat berasal dari tanaman yang membusuk.
• Akhirnya, yang dibutuhkan hanyalah sebuah roda gila dengan putaran lembut untuk memulai mesin.

Dalam tradisi pembuatan mesin Stirling ini muncul Mesin Stirling Termoakustik atau TASE, ekuivalen akustik dari mesin Stirling.

TASE: Ekuivalen Akustik dari Mesin Stirling

Mesin Stirling Termoakustik telah mendapatkan momentum dan perhatian dalam bidang penelitian ilmiah karena biaya produksi yang rendah, efisiensi tinggi, fitur bebas perawatan, dan kemampuan memulai sendiri.

Salah satu kategori paling populer dari Mesin Stirling Termoakustik adalah Mesin Panas Stirling Termoakustik atau TASHE. Perangkat ini dapat mengubah panas menjadi daya akustik dengan tingkat efisiensi yang sangat tinggi. Potensinya terletak pada fakta bahwa tidak melibatkan bagian bergerak, dan komponennya relatif sederhana. Sistem ini lebih murah untuk diproduksi dan dipelihara. Banyak yang memilihnya sebagai cara menghasilkan energi bersih dan efektif.

Bagaimana TASHE Bekerja?

Proses konversi energi dalam mesin ini terjadi di regenerator. Regenerator adalah blok logam berpori yang berada di antara penukar panas panas (HHX) dan penukar panas dingin atau lingkungan. Penempatan di kedua ujung tersebut membantu mempertahankan gradien suhu rata-rata dalam arah aksial. Gelombang akustik yang merambat melaluinya – dengan fase yang tepat – dapat diperkuat oleh proses termodinamika yang menyerupai siklus Stirling.

Mengapa Mesin Stirling Termoakustik Menguntungkan?

Kelangkaan bahan bakar fosil merupakan tantangan yang dihadapi umat manusia dalam jangka pendek. Bahan bakar fosil juga tidak menguntungkan bagi kesehatan planet dan membawa banyak masalah keberlanjutan.

Komunitas ilmiah telah mempertimbangkan penggunaan sumber bahan bakar alternatif, termasuk energi surya, energi geotermal, biofuel/biomassa, radioisotop, dan lainnya.

Dalam skenario ini, mesin Stirling telah menunjukkan hasil yang baik berkat efisiensinya yang tinggi, siklus termodinamika tertutup, operasi yang senyap, getaran rendah, umur operasional yang panjang, dan perawatan yang minim.

Ada dua jenis mesin Stirling: konvensional dan maju.

Evolusi Mesin Stirling Termoakustik: Inovasi dan Terobosan

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

Kami telah membahas gelombang akustik yang melewati gradien antara penukar panas panas dan dingin atau lingkungan di kedua sisi.

Sampai tahun 1980-an, efisiensi kebanyakan desain di bidang ini biasanya tidak melebihi 5%. Menandai titik balik pada tahun 1979, terobosan signifikan dicapai oleh Ceperley. Ia menunjukkan bahwa gelombang berjalan dapat mengekstrak energi akustik lebih efisien, yang mengarah pada konsep desain TASHE gelombang berjalan yang digunakan saat ini.

Apa yang terjadi dalam skema yang lebih efisien ini adalah sebagian daya akustik yang dihasilkan kembali ke regenerator melalui suatu bentuk loop umpan balik dan sebagian lainnya diarahkan ke resonator untuk ekstraksi energi.

Dekade pertama milenium menyaksikan peningkatan lebih lanjut dalam teknologi TASHE. Pada tahun 2011, Tijani & Spolestra merancang TASHE gelombang berjalan yang mencapai efisiensi keseluruhan yang luar biasa sebesar 49% dari batas Carnot. Sebagai konteks, Batas Carnot menetapkan batas mutlak pada efisiensi di mana energi panas dapat diubah menjadi kerja yang berguna.

Dalam pengembangan terbaru di bidang TASE, China baru-baru ini mengembangkan generator Stirling termoakustik berefisiensi tinggi, yang dapat menghasilkan 140 hp atau 102 kW daya dari sumber panas 986 derajat Fahrenheit. Pengembangan ini berasal dari peneliti di Institut Teknik Fisika dan Kimia di Akademi Ilmu Pengetahuan China. Ini adalah pertama kalinya generator Stirling semacam itu dapat menghasilkan lebih dari 134 hp atau 100 kW daya.

Inovasi China ini dianggap oleh banyak orang sebagai pengubah permainan potensial karena fleksibilitasnya. Ia dapat bekerja dengan berbagai sumber panas dan dapat mengubah cara energi dihasilkan, menyediakan solusi untuk berbagai kebutuhan energi.

Menurut tim yang mengembangkannya, keandalannya, desain sederhana, dan kompatibilitas dengan berbagai sumber panas dapat membuatnya bersaing dengan efisiensi turbin uap. Desain motor menghilangkan getaran pada sistem dan membantu mempertahankan segel kedap udara. Inovasi ini dapat membantu China menghasilkan kapal selam ultra-senyap, non-nuklir.

Studi lain pada tahun 2017 mengusulkan pembangkit listrik Stirling termoakustik dari energi dingin LNG dan panas limbah suhu rendah. Studi tersebut menghasilkan desain generator Stirling termoakustik yang beroperasi dengan gas helium 4 MPa yang mampu menghasilkan daya listrik 2,3 kW dengan efisiensi eksergi tertinggi sebesar 0,253 ketika ujung dingin dan panas dipertahankan pada 110 K dan 500 K.

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

Organisasi yang Memanfaatkan Mesin Stirling Termoakustik

1. NASA

NASA telah membuat kemajuan signifikan di bidang Mesin Stirling Termoakustik. Solusi ini, yang dikenal sebagai Stirling Thermoacoustic Power Converter dan Magnetostrictive Alternator, menghilangkan semua bagian bergerak untuk efisiensi dan keandalan maksimal.

Teknologi Baru yang Dikembangkan oleh Glenn Research Center NASA

Teknologi ini membuat mesin Stirling lebih efisien dan lebih murah. Ia memanfaatkan konverter daya termoakustik di mana suara digunakan untuk mengubah panas menjadi daya listrik. Sistem ini menggunakan tekanan dan osilasi volume yang digerakkan oleh panas dari sumber termoakustik untuk menggerakkan alternator piezoelektrik atau teknologi konversi daya lainnya. Perangkat ini mampu menghasilkan listrik dengan efisiensi yang tak tertandingi.

Dampak inovasi NASA telah meluas. Konverter daya termoakustik telah membantu merombak mesin Stirling konvensional dari bentuk toroidal menjadi susunan kolinear lurus. Inovasi ini memastikan bahwa sistem selanjutnya tidak perlu bergantung pada tabung inersia mekanik yang rentan kegagalan dan tabung kepatuhan. Tujuan dapat dicapai dengan menggunakan resonansi akustik melalui komponen elektronik.

Inovasi ini menghasilkan sesuatu yang efisien, handal, berbiaya rendah, kompak, dan serbaguna. Dapat digunakan dalam pembangkit terdistribusi dan sistem tenaga rumah tangga, sistem panas dan listrik gabungan, pembangkit tenaga surya terkonsentrasi, kendaraan listrik hibrida, sistem pendinginan, pompa panas, sistem tenaga bawah air dan laut, serta unit daya bantu.

2. SpaceX

Ada kemungkinan tinggi bahwa SpaceX (SPCX ), raksasa teknologi ruang angkasa dan penerbangan lainnya, dapat segera mengeksplorasi TASE. Hal ini dapat membantu mereka mencapai efisiensi yang lebih tinggi dalam mengubah panas menjadi kerja mekanik.

Biaya produksi dan perawatan yang rendah dapat menghasilkan pesawat luar angkasa yang lebih ringan dengan biaya lebih rendah. Hal ini juga akan membantu SpaceX mengelola panas secara efektif, dengan kemampuan pembangkit daya yang ditingkatkan dalam misi ruang angkasa jauh.

Menurut laporan yang dipublikasikan pada pertengahan Agustus 2023, pendapatan SpaceX yang melonjak membuatnya menguntungkan pada Q1 2023 setelah dua kerugian tahunan. Perusahaan milik Elon Musk menghasilkan profit $55 juta dari pendapatan $1,5 miliar selama periode Januari hingga Maret. Nilainya hampir US$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 rekayasa ruang dan dirgantara khusus di seluruh dunia. Mereka telah mengembangkan mesin panas Stirling termoakustik lengkap yang dapat beroperasi dengan berbagai sumber daya/panas, dengan efisiensi tinggi dan keandalan, tanpa bagian bergerak. Mesin ini kompak dan dapat diskalakan serta dapat digunakan dalam aplikasi luar angkasa karena operasinya yang tidak bergantung pada gravitasi.

Mesin panas ini diharapkan menemukan aplikasi di banyak bidang, termasuk generasi daya akustik dan gelombang tekanan serta generasi listrik untuk aplikasi di darat, bawah air, dan luar angkasa. Ia dapat secara bersamaan menghasilkan daya listrik dan pendinginan, menggerakkan alternator linear untuk pembangkit listrik, serta lemari es dan cryocooler untuk produksi pendinginan.

Tantangan dan Peluang di Jalan Depan

Mesin Panas Stirling Termoakustik (TASE), kategori khusus dari mesin Stirling, telah menunjukkan potensi besar dalam mengembangkan sumber daya yang cocok untuk perjalanan ruang angkasa jauh. NASA, khususnya melalui Glenn Research Center, berada di garis depan dalam memanfaatkan efisiensi dan sifat rendah perawatan teknologi ini. Teknologi ini diharapkan terus berkembang, mendukung sistem tenaga yang dapat menjadi kunci dalam berbagai proyek eksplorasi ruang angkasa, berpotensi termasuk memberi daya pada pangkalan di Bulan dan Mars.

Mesin ini dipilih karena kemampuannya menawarkan efisiensi termal-ke-listrik yang sangat tinggi dibandingkan mesin panas lainnya. Tidak adanya sistem bantalan dan bagian bergerak pada TASE secara signifikan mengurangi risiko kegagalan dan biaya fabrikasi.

Namun, untuk menjadi pilihan paling utama, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan dalam menyempurnakan teknologi ini. TASE saat ini menghadapi tantangan terkait volume dan berat, terutama karena desainnya yang melibatkan penukar panas di titik panas dan dingin, menghasilkan bentuk yang lebih besar dan berat dibandingkan mesin pembakaran dalam tradisional dengan output daya yang setara.

Selain itu, TASE sering mengalami tantangan berupa start yang lebih lambat karena inersia termal yang melekat. Aplikasinya terbatas dalam skenario yang memerlukan start cepat atau perubahan kecepatan yang cepat. Namun, inovasi teknologi yang terus berlangsung berupaya mengatasi tantangan ini, menempatkan TASE sebagai komponen penting untuk operasi ruang angkasa berteknologi tinggi dan seterusnya.

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