Sistem Hidrogen Skala Besar Memungkinkan Penerbangan Tanpa Emisi

Mobilitas adalah bagian penting dari kehidupan sehari-hari kita, dan penerbangan merupakan komponen utama kemampuan untuk berpindah dari satu tempat ke tempat lain dengan cepat.

Dengan memungkinkan orang dan barang menempuh jarak mil dalam beberapa jam, industri penerbangan menghubungkan orang seperti tidak ada moda transportasi lain. Hal ini menjadikannya kontributor signifikan bagi ekonomi global, menyumbang 3,5% dari Produk Domestik Bruto (PDB) dunia. 

Industri ini juga mendukung total 86,5 juta pekerjaan secara global, dengan perkiraan ukuran pasar industri maskapai penerbangan dunia melebihi $760 miliar.

Secara khusus, maskapai di seluruh dunia diproyeksikan telah mengangkut sekitar 9.5 miliar penumpang pada tahun 2024, mewakili peningkatan 104% dari tingkat 2019 dan kenaikan 9% dari 2023, menurut ACI World. Pertumbuhan ini diperkirakan akan mempercepat, dengan lalu lintas penumpang global diproyeksikan mencapai 19,5 miliar pada tahun 2042.

Industri penerbangan jelas sedang berkembang, dan masa depannya memang cerah. Namun, industri ini juga berkontribusi secara signifikan terhadap emisi gas rumah kaca (GRK).

Meskipun penerbangan menyumbang bagian yang relatif kecil dari emisi global sebesar 2.5%, ia tumbuh lebih cepat dibandingkan kereta, jalan, atau pelayaran antara tahun 2000 dan 2019. Permintaan yang meningkat untuk perjalanan internasional setelah pandemi Covid-19 sebenarnya menyebabkan emisi penerbangan mencapai hampir 950 Mt CO2.

Tidak hanya emisi penerbangan tumbuh dengan cepat, tetapi juga merupakan salah satu sektor paling menantang untuk didekarbonisasi, menimbulkan tantangan lingkungan yang kritis.

Akibatnya, fokus industri saat ini adalah mendekarbonisasi operasinya dan mencapai tujuan Net Zero, yang melibatkan mengurangi emisi CO2 hingga tingkat yang dapat diserap alam pada tahun 2050.

Membuka Janji Hidrogen untuk Penerbangan Bebas Emisi

Dengan kontribusi penerbangan yang signifikan terhadap karbon dioksida global dan emisi jejak awan, menjadi sangat penting untuk mengembangkan solusi canggih dan komprehensif guna memenuhi tujuan iklim industri.

Salah satu solusi menjanjikan adalah hidrogen, unsur kimia paling ringan dan paling melimpah di alam semesta, yang menyusun sekitar 75% dari semua materi normal.

Unsur kimia ini telah muncul sebagai alat dekarbonisasi yang populer dan berharga berkat pembakarannya yang bersih. Ini adalah bahan bakar yang terbakar bersih karena hanya menghasilkan uap air sebagai produk sampingan saat dibakar.

Selain itu, densitas energi gravimetri, atau energi yang tersedia per satuan massa suatu zat, pada hidrogen kira-kira 2,8 kali lebih tinggi dibandingkan bahan bakar penerbangan konvensional, yaitu kerosin. Hidrogen sebenarnya memiliki densitas energi gravimetri tertinggi di antara semua zat yang diketahui, yaitu sekitar 120 kJ/g. Sebaliknya, bahan bakar jet berbasis kerosin memiliki densitas energi sebesar 43 MJ/kg.

Namun, hidrogen memiliki densitas rendah pada kondisi lingkungan, yaitu 0,08 kg/m³. Hal ini menimbulkan tantangan penyimpanan besar, terutama untuk penerbangan jarak jauh.

Alternatif praktis untuk ini adalah menyimpan gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa dalam bentuk cair pada suhu 20 K. Bentuk ini meningkatkan densitas hidrogen menjadi 휌퐿퐇2 = 70,8 kg/m³, yang telah menjadi solusi untuk aplikasi penerbangan.

Perusahaan juga telah mengeksplorasi berbagai aspek integrasi hidrogen cair (LH2) dalam pesawat, termasuk manajemen termal, mekanisme kontrol tekanan, strategi isolasi, dan desain tangki kriogenik.

Namun, sistem holistik yang mengintegrasikan penyimpanan LH2, manajemen termal, dan kontrol transfer dalam bentuk yang dapat diskalakan untuk desain pesawat masih belum banyak diteliti.

Jadi, tim peneliti dari FAMU-FSU College of Engineering, yang merupakan kolaborasi antara Florida A&M University dan Florida State University, telah merancang sistem penyimpanan dan pengantaran hidrogen cair yang dapat membantu industri penerbangan mewujudkan tujuan nol emisi.  

Dengan dukungan dari NASA, studi ini merinci sistem terintegrasi yang dapat diskalakan yang mengatasi berbagai tantangan teknik dengan memungkinkan penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar bersih. Hidrogen juga digunakan sebagai media pendingin bawaan untuk sistem daya kritis pada pesawat berbasis listrik. 

Tim tersebut menunjukkan bahwa hidrogen cair dapat disimpan secara efisien, dipindahkan dengan aman, dan digunakan untuk mendinginkan sistem kritis di dalam pesawat sambil mendukung kebutuhan daya pesawat selama fase lepas landas, penerbangan, dan pendaratan.

“Tujuan kami adalah menciptakan satu sistem yang menangani berbagai tugas kritis: penyimpanan bahan bakar, pendinginan, dan kontrol pengantaran. Desain ini menjadi fondasi bagi sistem penerbangan hidrogen di dunia nyata.”

Pesawat Hibrida-Listrik Berbasis Hidrogen: Solusi Propulsi yang Dapat Diskalakan

Dipublikasikan dalam Applied Energy¹, studi ini mengambil tugas mengurangi emisi karbon dan jejak awan industri penerbangan, yang merupakan kontributor utama perubahan iklim, dengan mengusulkan desain inovatif untuk sistem penyimpanan hidrogen cair, manajemen termal, dan kontrol transfernya, yang disesuaikan untuk Integrated Zero Emission Aviation (IZEA). 

IZEA adalah kolaborasi akademik-industri yang bertujuan mencapai nol emisi gas rumah kaca dari penerbangan komersial. Mitra industri meliputi Raytheon Technologies, Boeing, dan Advanced Magnet Laboratories.

Secara khusus, kolaborasi ini meneliti produksi daya hibrida melalui kombinasi sel bahan bakar dan generator turboelektrik, menggunakan hidrogen dengan oksigen terpusat atau udara sekitar.

Tujuan IZEA adalah menemukan cara menggunakan hidrogen cair sebagai bahan bakar serta meningkatkan efisiensi dan daya tanpa menambah berat.

Mereka memilih FAMU-FSU College of Engineering untuk membantu mengembangkan sistem penerbangan berkelanjutan pada akhir 2022, sebagai bagian dari proyek lima tahun senilai $10 juta.

Untuk memenuhi agenda nasional mengenai sistem energi dan propulsi pesawat komersial guna mengurangi emisi berbahaya industri penerbangan, tim FAMU-FSU akan bekerja dengan peneliti dari University of Kentucky, University at Buffalo, Georgia Tech, dan mitra industri, sebagaimana diumumkan IZEA dua setengah tahun yang lalu.

Sekarang, kolaborasi tersebut telah mengatasi kekurangan sistem holistik dengan membangun sistem propulsi berbasis hidrogen yang skalabel dan komprehensif untuk pesawat masa depan. 

Proyek ini dimulai dengan penerbangan regional jarak pendek untuk menilai kelayakan jangka pendek penerbangan berbasis hidrogen cair. Fokusnya adalah pada prototipe pesawat dengan konfigurasi badan sayap gabungan, yang dapat mengangkut 100 penumpang.

Pesawat hibrida-listrik mengambil daya dari sel bahan bakar hidrogen dan generator listrik superkonduktor suhu tinggi (HTS), yang digerakkan oleh turbin pembakaran yang menggunakan hidrogen.

Sel bahan bakar menawarkan solusi untuk menghindari emisi NOx dan jejak awan, sehingga organisasi seperti Airbus dan CHEETA juga meneliti pesawat berbasis sel bahan bakar. Namun, masalah pada tumpukan sel bahan bakar saat ini adalah ukurannya yang sangat besar, menyulitkan pemberian daya pada pesawat besar selama berbagai fase, terutama saat lepas landas. Sebagai solusi, tim memperkenalkan sumber daya ganda. 

Sel bahan bakar digunakan selama kondisi beban rendah, seperti taxiing dan cruising, dengan daya maksimum sekitar 6,8 MW. Sementara itu, generator superkonduktor yang digerakkan oleh turbin hidrogen menyediakan daya tambahan (9,4 MW) yang dibutuhkan selama lepas landas. Kombinasi ini menghasilkan daya total puncak 16,2 MW dan meningkatkan ketahanan dengan menyediakan redundansi daya.

Untuk mengatasi tantangan densitas, karena hidrogen kurang padat dan memakan banyak ruang kecuali disimpan pada -253 °C sebagai cairan super-dingin, peneliti merancang tangki kriogenik dan subsistem terkait menggunakan indeks gravimetri baru.

Indeks tersebut adalah rasio massa bahan bakar terhadap keseluruhan sistem bahan bakar, namun indeks tim mencakup massa bahan bakar hidrogen, struktur tangki, penukar panas, isolasi, fluida kerja, dan perangkat sirkulasi.

Untuk menemukan konfigurasi yang memberikan massa bahan bakar maksimum relatif terhadap total massa sistem, peneliti terus menyesuaikan parameter kunci seperti tekanan ventilasi dan dimensi penukar panas hingga menemukan yang optimal.

Tata letak ideal mencapai indeks gravimetri sebesar 0,62. Ini berarti 62% dari total berat sistem adalah bahan bakar hidrogen yang dapat digunakan, menunjukkan peningkatan signifikan dibandingkan desain konvensional.

Untuk manajemen termal, fungsi kunci lainnya dari sistem, peneliti tidak memasang sistem pendingin terpisah melainkan menyalurkan hidrogen yang sangat dingin melalui penukar panas. Penukar ini, yang disusun dalam urutan berlapis, menghilangkan panas terbuang dari komponen seperti kabel, motor, generator superkonduktor, dan elektronik daya. Menyerap panas ini secara bertahap meningkatkan suhu hidrogen.

Mengoptimalkan Pengantaran Hidrogen & Manajemen Termal dalam Penerbangan

Ketika berbicara tentang pengantaran hidrogen cair ke seluruh pesawat, hal ini menimbulkan tantangan tersendiri. Misalnya, pompa tidak hanya menambah berat tetapi juga kompleksitas sistem dan dapat menghasilkan panas yang tidak diinginkan pada kondisi kriogenik. 

Untuk mengatasi tantangan ini, tim mengembangkan sistem tanpa pompa yang memanfaatkan tekanan tangki untuk mengontrol aliran bahan bakar hidrogen. 

Tekanan ditingkatkan dengan menyuntikkan gas hidrogen dari silinder bertekanan tinggi biasa dan dikurangi dengan mengeluarkan uap hidrogen. Untuk penyesuaian tekanan secara real-time, loop umpan balik menghubungkan sensor tekanan dengan kebutuhan daya pesawat, yang memastikan laju aliran hidrogen yang akurat di semua fase penerbangan. 

Sistem, menurut simulasi, mampu mengantarkan hidrogen dengan laju hingga 0,25 kilogram per detik. Laju pengantaran ini cukup untuk memenuhi permintaan listrik 16,2 megawatt selama lepas landas atau dalam situasi darurat, ketika pesawat harus melakukan go-around.

Dengan penukar panas yang diatur secara berurutan, saat hidrogen mengalir melalui sistem, gas tersebut pertama-tama mendinginkan komponen yang beroperasi pada suhu kriogenik, seperti kabel dan generator HTS. Kemudian, ia menyerap panas dari komponen bertemperatur lebih tinggi, seperti motor dan elektronik daya. Akhirnya, sebelum hidrogen mencapai sel bahan bakar, ia dipanaskan terlebih dahulu agar sesuai dengan kondisi optimal inlet sel bahan bakar.

Integrasi termal berlapis inilah yang memungkinkan hidrogen cair digunakan sekaligus sebagai bahan bakar dan pendingin, sehingga memaksimalkan efisiensi sistem sambil meminimalkan kompleksitas perangkat keras.

“Sebelumnya, orang tidak yakin bagaimana memindahkan hidrogen cair secara efektif dalam pesawat dan apakah dapat juga digunakan untuk mendinginkan komponen sistem daya. Kami tidak hanya menunjukkan bahwa hal itu memungkinkan, tetapi juga membuktikan bahwa diperlukan optimasi tingkat sistem untuk desain semacam ini.”

– Guo

Fokus studi di sini adalah pada optimasi desain dan simulasi sistem. Pada langkah berikutnya, peneliti akan melakukan validasi eksperimental. Untuk itu, tim akan membangun sistem prototipe dan kemudian melakukan pengujian di Center for Advanced Power Systems milik FSU.

Dalam pekerjaan masa depan mereka, peneliti juga akan fokus pada desain penukar panas, yang ada di setiap sirkulasi loop, dan mentransfer panas dari komponen ke fluida kerja. Studi saat ini belum menyertakan spesifikasi detail mengenai material, ukuran, dan sifat termal komponen tersebut.

Strategi manajemen termal inovatif juga akan menjadi fokus untuk mendinginkan tumpukan sel bahan bakar dan mengatasi produksi panas signifikan selama operasi. Kemajuan ini, menurut studi, sangat penting untuk menyempurnakan arsitektur manajemen termal secara keseluruhan dan memastikan implementasi praktis teknologi penerbangan nol emisi.

Berinvestasi dalam Teknologi Penerbangan Berbasis Hidrogen

Ketika berinvestasi di sektor penerbangan, RTX (RTX ) menawarkan peluang berpotensi tinggi. Perusahaan aerospace dan pertahanan terbesar di dunia ini merupakan mitra industri utama dalam kolaborasi IZEA. Ia juga memiliki program R&D yang luas yang menargetkan teknologi penerbangan berkelanjutan, termasuk sistem sel bahan bakar dan berbasis hidrogen.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX beroperasi melalui tiga segmen utama:

• Collins Aerospace menyediakan produk aerospace dan pertahanan yang canggih secara teknologi kepada maskapai komersial, produsen pesawat sipil dan militer, serta operasi luar angkasa.
• Segmen Pratt & Whitney memasok mesin pesawat ke pelanggan militer, umum, dan komersial.
• Raytheon mengembangkan misil, senjata pintar, dan kemampuan pertahanan udara serta misil canggih.

Melalui divisi Collins Aerospace dan Pratt & Whitney, RTX secara aktif terlibat dalam pengembangan dan pengujian pesawat berbasis hidrogen serta teknologi terkait.

Ini mencakup program HySIITE, yang bekerja untuk memungkinkan industri penerbangan menggunakan hidrogen secara skala besar. Disponsori oleh Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) DOE, proyek ini dioptimalkan untuk hidrogen cair dan selesai pada Desember 2024. Pengujian rig HySIITE menunjukkan pengurangan NOx sebesar 99,3% dibandingkan mesin GTF dan peningkatan efisiensi energi hingga 35%.

Sementara itu, dua proyek lainnya terus berjalan untuk mendorong masa depan hidrogen dalam penerbangan. Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), yang didukung oleh inisiatif gabungan industri-pemerintah Kanada, INSAT, sedang mengembangkan penggunaan hidrogen untuk pesawat turboprop. COCOLIH2T, di sisi lain, didukung oleh Clean Hydrogen Joint Undertaking Uni Eropa dan sedang mengembangkan cara menyimpan bahan bakar.

Mengenai kinerja pasar Raytheon, sahamnya telah melambung tinggi. Saham perusahaan, dengan kapitalisasi pasar $183,64 miliar pada saat penulisan, diperdagangkan di atas $137,50, sebuah rekor tertinggi baru (ATH) dan mewakili kenaikan tahun-ke-tahun (YTD) sebesar 18,7%.

Ada pertumbuhan konstan untuk saham RTX selama tiga dekade terakhir. Saham tersebut juga naik sekitar 21% sejak titik terendah pada April. Dengan itu, EPS (TTM) nya adalah 3,41 dan P/E (TTM) adalah 40,31. Raytheon juga menawarkan dividen yang menarik sebesar 1,98%.

Mengenai keuangan perusahaan, ia melaporkan kinerja kuat pada kuartal pertama 2025 dengan penjualan meningkat 5% dari tahun sebelumnya menjadi $20,3 miliar dan EPS yang disesuaikan sebesar $1,47. Arus kas operasi Raytheon selama periode ini sebesar $1,3 miliar, dan arus kas bebas $0,8 miliar, sementara backlog sebesar $217 miliar, termasuk $92 miliar di bidang pertahanan dan $125 miliar di bidang komersial.

“Kami memulai tahun 2025 dengan kuat. Lingkungan saat ini jelas sangat dinamis, tetapi perusahaan kami berada pada posisi yang baik untuk beroperasi dan tim kami tetap fokus pada pelaksanaan komitmen kami serta menyampaikan backlog yang kuat.”

– RTX President and CEO Chris Calio

Untuk seluruh tahun 2025, perusahaan memperkirakan penjualan yang disesuaikan antara $83-$84,0 miliar, EPS yang disesuaikan antara $6,00 dan $6,15, serta arus kas bebas antara $7-$7,5 miliar, sambil mencatat bahwa perkiraan ini tidak mencakup dampak tarif yang baru diberlakukan.

Di tengah semua ini, perusahaan baru saja menerima kontrak senilai $536 juta dari Angkatan Laut AS minggu ini untuk keluarga radar SPY-6, yang kini dipasang pada dua kapal mereka, dengan tiga lagi siap dipasang. Dalam dekade berikutnya, radar akan dipasang pada lebih dari 60 kapal Angkatan Laut AS.

Sebagai bagian dari kontrak, Raytheon akan memberikan dukungan berkelanjutan melalui pelatihan, instalasi, integrasi, dan pengujian, serta pembaruan perangkat lunak untuk meningkatkan kemampuan radar.

“SPY-6 adalah radar paling canggih dalam armada angkatan laut AS, memberikan kapal tingkat pertahanan baru terhadap ancaman yang berkembang.”

– Barbara Borgonovi, president of Naval Power at Raytheon.

Radar pertahanan misil ke-13 AN/TPY-2 juga telah dikirim ke U.S. Missile Defense Agency, menandai unit pertama yang menampilkan array berbasis GaN penuh, yang secara signifikan meningkatkan sensitivitas dan kinerja sistem.

Kontrak senilai $1,1 miliar juga telah diamankan oleh perusahaan untuk manufaktur dan pengiriman misil AIM-9X Sidewinder. Dengan penghargaan ini, Raytheon melanjutkan dukungan jangka panjangnya terhadap program Sidewinder, sistem misil jarak pendek yang banyak digunakan secara global.

Klik di sini untuk daftar saham aerospace & defence teratas.

Berita dan Perkembangan Saham RTX Corp. (RTX) Terbaru

Pemikiran Akhir: Peran Hidrogen dalam Penerbangan Berkelanjutan

Sektor penerbangan berkembang pesat dan berkontribusi pada perkembangan ekonomi dan sosial global, namun pada saat yang sama, menciptakan kebutuhan mendesak untuk mengatasi masalah emisi karbon dan jejak awan. Di sini, hidrogen, dengan energi kimia spesifiknya yang tinggi, muncul sebagai alternatif bahan bakar bersih yang menjanjikan.

Dengan pemikiran itu, studi terbaru menyajikan kerangka kerja komprehensif untuk merancang dan mengoptimalkan sistem penyimpanan hidrogen cair, manajemen termal, dan kontrol transfer, menunjukkan potensinya untuk memajukan teknologi penerbangan yang efisien dan berkelanjutan.

Dengan memanfaatkan dampak positif hidrogen terhadap perubahan iklim dan kualitas udara, industri penerbangan kini memiliki jalur yang layak untuk mengurangi jejak karbonnya, membuka jalan bagi masa depan di mana perjalanan jarak jauh tidak lagi mengorbankan planet.

Klik di sini untuk inovasi aerospace terbaru yang membuka jalan bagi penerbangan generasi berikutnya.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Liquid hydrogen storage, thermal management, and transfer-control system for integrated zero emission aviation (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}