HydroVoltaics – Memanfaatkan Listrik dari Penguapan

Penelitian baru menunjukkan bahwa perangkat berskala nano dapat digunakan untuk memanen listrik dari penguapan cairan, mengungkap potensi energi besar yang belum dimanfaatkan secara optimal.

Penguapan adalah proses alami. Secara sederhana, ini merupakan bentuk penguapan yang terjadi pada permukaan cairan ketika berubah menjadi gas. Proses ini ada di sekitar kita, namun kita tidak terlalu memperhatikannya.

Menariknya, sekitar setengah dari energi surya yang mencapai bumi mendorong proses penguapan. Penguapan, yang memungkinkan pertukaran energi terus-menerus dalam siklus air global, merupakan sumber energi terbarukan yang saat ini belum dimanfaatkan, menurut studi tersebut.

Air, yang tersedia melimpah karena menutupi lebih dari 70% permukaan planet kita, mengandung banyak energi dalam bentuk kimia, termal, dan kinetik, namun hanya sedikit yang dimanfaatkan. Mengenai total potensi pembangkitan listrik dari penguapan alami di danau serta waduk, Amerika Serikat saja diperkirakan memiliki potensi pembangkitan listrik sebesar 325 GW. Ini mewakili lebih dari 69% tingkat produksi energi listrik AS pada tahun 2015, catatan studi.

Oleh karena itu, selama bertahun‑tahun terakhir, para peneliti telah bekerja untuk memanfaatkan potensi energi penguapan. Hal ini dieksplorasi melalui berbagai perangkat, seperti generator mandiri, sistem hibrida, dan perangkat tandem. Penelitian selama ini telah menarik banyak perhatian pada perangkat hidrovoltaik yang digerakkan oleh penguapan, terutama dengan kemajuan nanomaterial dan nanoteknologi.

Untuk itu, mari kita bahas efek HV, yang memungkinkan material nanostruktur menghasilkan listrik saat berinteraksi dengan air. Air di sini dapat berupa tetesan, kelembapan, cairan, atau penguapan. Jadi, dalam efek HV, penguapan menghasilkan aliran konstan di dalam nanochannel di dalam perangkat ini. Efek ini juga terlihat pada mikrokapiler tanaman, di mana transportasi air terjadi karena kombinasi tekanan kapiler dan penguapan alami.

Empat mekanisme utama yang dianggap bertanggung jawab atas efek HV ini: streaming, pseudo‑streaming, difusi gradien ion, dan efek seret elektron. Efek hidrovoltaik berpotensi memperluas kemampuan teknis dalam memanen energi air dan memungkinkan pembuatan perangkat mandiri.

Sekarang, peneliti di universitas riset publik berbasis Swiss EPFL (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) menerima dukungan pendanaan dari Swiss National Science Foundation (SNSF) melalui Korean‑Swiss Science and Technology Cooperation Fund dan Swiss Government Excellence Fellowship. Fasilitas eksperimental EPFL, Interdisciplinary Centre for Electron Microscopy (CIME) dan Center for MicroNanoTechnology (CMi), juga terlibat dalam memanen energi dari penguapan cairan yang mengandung konsentrasi ion lebih tinggi dibandingkan air yang dimurnikan.

Faktanya, perangkat hidrovoltaik sudah ada, namun masih sedikit yang diketahui tentang fenomena fisik yang mengatur produksi HV pada skala nano. Selain itu, terdapat kekurangan pemahaman fungsional mengenai kondisi‑kondisi tersebut, yang menjadi tujuan studi ini untuk diperbaiki.

Dipublikasikan awal bulan ini dalam jurnal Cell Press Device, studi dari Laboratorium Nanoscience for Energy Technology (LNET) dengan judul “Fenomena Antarmuka Tergantung Salinitas untuk Optimasi Perangkat Hidrovoltaik” dilakukan oleh Giulia Tagliabue dan Tarique Anwar.

Studi ini melakukan percobaan dengan pemodelan multiphysics untuk menentukan aliran fluida, aliran ion, dan efek elektrostatik akibat interaksi padat‑cair, dengan tujuan mengoptimalkan perangkat HV.

Menurut Tagliabue, yang merupakan kepala LNET di School of Engineering, ini adalah studi pertama yang mengkuantifikasi fenomena hidrovoltaik berkat platform baru mereka yang sangat terkontrol. Fenomena hidrovoltaik ini diukur dengan menampilkan pentingnya berbagai interaksi antarmuka.

Selama proses ini, tim menemukan temuan penting bahwa perangkat hidrovoltaik dapat beroperasi pada rentang salinitas yang luas. Hal ini, catat Tagliabue, bertentangan dengan keyakinan sebelumnya bahwa air yang sangat murni diperlukan untuk kinerja optimal.

Model Multiphysics

Baru‑baru ini, studi tentang aliran fluida yang digerakkan oleh penguapan pada material yang berstruktur mikro pada skala nano telah melahirkan cara baru untuk menghasilkan energi terbarukan atau hijau, yaitu dengan mengubah energi termal menjadi energi listrik melalui jalur elektrokinetik. Peningkatan terkait kinerja di sini dipimpin oleh optimasi kontak elektroda. 

Namun, kurangnya alat pemodelan dan pertanyaan mengenai karakteristik geometris serta kimia sistem membatasi baik kinerja maupun jangkauan aplikasi teknologi yang sedang berkembang ini, perangkat Hydrovoltaic (HV), untuk pembangkitan energi berkelanjutan.

Jadi, para peneliti mengembangkan model multiphysics kuantitatif dan memanfaatkan susunan teratur nanopilar silikon (Si NPs) yang mengungkapkan hal‑hal yang sebelumnya belum dieksplorasi. Secara khusus, studi menemukan bahwa muatan permukaan, yang bergantung pada konsentrasi ion serta mobilitas ion, yang mengarahkan beberapa puncak lokal pada tegangan sirkuit terbuka (VOC), dengan kondisi ideal yang menyimpang dari harapan tradisional tentang konsentrasi rendah.

Selain itu, asimetri struktural dapat menghasilkan potensial elektrostatik yang meningkatkan kinerja HV. Di atas itu, studi menegaskan adsorpsi ion dan inversi muatan untuk banyak kation monovalennya, memungkinkan perangkat tersebut beroperasi bahkan pada konsentrasi tinggi.

Perangkat HV yang dikembangkan oleh tim penelitian terdiri dari susunan reguler Si NPs berukuran sentimeter yang diukir pada wafer Si tipe-p. Tim kemudian menggunakan kombinasi litografi koloidal dan etsa kimia berbantuan logam (MACE) untuk mengatur pitch susunan heksagonal NPs sambil mengubah panjang dan diameter mereka dalam rentang 1,23–4,4 μm dan 420–560 nm, masing‑masing. Dengan mengubah dimensi Si NP, mereka dapat secara langsung mengontrol geometri nanochannel dan area permukaan padat‑cair sesuai kebutuhan.

Perangkat hidrovoltaik dalam studi ini merupakan aplikasi pertama teknik litografi koloidal nanosphere, memungkinkan peneliti membentuk jaringan heksagonal Si NPs yang teratur. Ruang di antara nanopilar silikon ini menciptakan jalur sempurna untuk menguapkan cairan. Hal ini dapat disetel lebih halus untuk memahami lebih baik efek konfinasi fluida dan area kontak padat/cair.

Anwar, yang merupakan mahasiswa PhD di LNET, menjelaskan bahwa kebanyakan sistem fluida dengan larutan saline memiliki jumlah ion positif dan negatif yang seimbang. Namun dengan membatasi cairan ke dalam nanochannel, kita hanya dapat memperoleh “ion dengan polaritas berlawanan dengan muatan permukaan.” Jadi, dengan membiarkan cairan mengalir melalui nanochannel, kita dapat menghasilkan arus dan tegangan, tambahnya.

Memahami mekanisme dasar pembangkitan tegangan dan arus pada perangkat HV sekaligus memerlukan kontrol atas sifat antarmuka padat‑cair dan nanokonfinasi cairan, yaitu geometri nanochannel.

Sebagai kesimpulan, studi menunjukkan kepadatan daya tinggi sebesar 8 μW/cm2 pada 0,1 M, dengan output daya yang sebanding dengan perangkat yang beroperasi menggunakan air keran namun dengan “dua urutan besaran konsentrasi yang lebih tinggi” dibandingkan yang pernah dilaporkan sebelumnya. Hal ini membuka jalan bagi penerapan yang lebih luas dari sistem HV pada berbagai skala salinitas, dengan kondisi operasi optimal ditentukan oleh fenomena antarmuka yang berbeda.

Seperti yang dijelaskan Tagliabue, keseimbangan kimia untuk muatan permukaan nanoperangkat dapat dimanfaatkan untuk memperluas operasi perangkat HV pada skala salinitas. Jadi, seiring meningkatnya konsentrasi ion cairan, muatan permukaan nanoperangkat juga meningkat, sehingga memungkinkan kita “menggunakan saluran cairan yang lebih besar sambil bekerja dengan cairan berkonsentrasi tinggi. Hal ini mempermudah pembuatan perangkat untuk digunakan dengan air keran atau air laut, bukan hanya air murni,” kata Tagliabue.

Dengan cara ini, studi berpendapat bahwa ia menawarkan wawasan kunci dan alat desain untuk mengoptimalkan perangkat hidrovoltaik yang digerakkan oleh penguapan (EDHV), serta menunjukkan peluang aplikasi yang lebih luas untuk sistem mandiri ini.

Studi menyatakan bahwa metrik kinerja tegangan sirkuit terbuka (VOC) mereka dapat ditingkatkan dengan memperbaiki laju penguapan. Tergantung pada muatan permukaan dan geometri nanokonfinasi, VOC dapat berlipat ganda dengan peningkatan laju penguapan sebesar 5 kali, yang berarti daya dapat meningkat hingga empat kali lipat.

Hal ini terutama disebabkan oleh peningkatan arus streaming namun akan memerlukan pengetahuan yang lebih mendalam tentang dinamika fluida dalam perangkat ini untuk dapat dikonfirmasi.

Aplikasi Potensial Menarik dari Perangkat Hidrovoltaik

Uap air ada di seluruh bumi, sehingga memberikan peluang besar, terutama untuk pembangkitan listrik dan mengurangi kekurangan energi global. Untuk itu, perangkat hidrovoltaik dapat digunakan untuk mengekstrak energi melalui berbagai cara, seperti membangun struktur asimetris. 

Namun, pembangkitan daya bergantung pada sifat cairan, termasuk jenisnya dan konsentrasi zat terlarut dalam larutan. Hal ini karena penciptaan energi listrik dalam efek HV terkait dengan akumulasi pembawa muatan yang disebabkan oleh pembentukan lapisan ganda listrik (EDL) pada antarmuka cair‑padat.

Meskipun tantangan ini, perangkat hidrovoltaik memiliki potensi besar karena penguapan terus‑menerus pada rentang suhu dan kelembapan yang luas. Hal ini membuat perangkat HV siap untuk banyak aplikasi menarik, termasuk pasokan listrik, pembangkitan listrik dalam segala cuaca, serta pengumpulan dan desalinasi air.

Studi menemukan bahwa untuk kondisi air tawar, tumpang tindih EDL merupakan kebutuhan yang dapat tercapai dengan muatan permukaan total rendah dan konfinasi tinggi, yaitu ukuran nanochannel kecil. Namun, meningkatkan area permukaan atau muatan membuat ukuran nanochannel yang lebih besar menjadi layak.

Dalam kondisi air laut, optimum dapat tercipta pada diameter pori besar (nilai Dp >100 nm) dengan mengontrol muatan permukaan, yang menunjukkan bahwa konfinasi geometris pada skala nanometer dapat dihindari, mempermudah skalabilitas perangkat ini.

Sementara itu, pada tingkat salinitas tinggi, inversi muatan dapat digunakan dengan meminimalkan antarmuka padat‑cair dan muatan permukaan awal. Namun, operasi pada konsentrasi tinggi seperti itu dalam jangka panjang dapat menjadi tantangan karena adsorpsi ion dan kristalisasi garam. Hal ini disebabkan oleh efek langsungnya pada sifat permukaan dan geometri nanostruktur. Oleh karena itu, peneliti menulis bahwa diperlukan penyelidikan lebih lanjut.

Para peneliti dalam studi ini juga berharap dapat mengeksplorasi potensi beragam perangkat ini, dengan dukungan organisasi yang memberikan hibah, untuk memahami dan menganalisis teknologi yang muncul ini.

Salah satu organisasi pendukung, Swiss National Science Foundation (SNSF), yang ditugaskan oleh pemerintah federal, bertujuan memanfaatkan energi dari penguapan dan mengembangkan “paradigma baru untuk pemulihan panas limbah dan pembangkitan energi terbarukan pada skala besar dan kecil.” Ini mencakup modul prototipe dalam situasi dunia nyata di danau terbesar di Eropa tengah, Danau Jenewa, untuk mengumpulkan data tentang generasi hidrovoltaik di danau alpen.

SNSF telah mendukung proyek‑proyek terkait energi selama bertahun‑tahun untuk berkontribusi pada pengembangan pengetahuan dan keahlian untuk penggunaan di masa depan. Proyek‑proyek ini mencakup produksi energi, penyimpanan, distribusi dan manajemen, serta efisiensi.

Tagliabue menerima SNSF Starting Grant pada tahun 2022, dengan dana CHF 1,8 juta selama lima tahun. Pendanaan ini membantu tim “memperluas upaya kami menuju nano‑rekayasa perangkat hidrovoltaik untuk pembangkitan energi terbarukan,” kata Tagliabue.

Dia berkata pada saat itu:

“Dengan membangun pemahaman fundamental yang diperlukan, alat pemodelan, dan strategi rekayasa, proyek ini akan memberikan kontribusi disruptif untuk menjadikan penguapan sebagai sumber energi terbarukan yang luas, aman, dan berkelanjutan untuk skala besar maupun kecil.” 

Perangkat HV menawarkan peluang besar, dan karena dapat beroperasi di mana saja terdapat cairan, bahkan keringat, mereka juga memiliki potensi untuk digunakan dalam sensor. Ini mencakup segala hal mulai dari perangkat wearable kesehatan dan kebugaran hingga TV pintar.

Tagliabue juga tertarik untuk memahami bagaimana efek cahaya dan fototermal (terkait radiasi elektromagnetik) dapat digunakan untuk mengontrol muatan permukaan dan laju penguapan dalam sistem HV.

Akhirnya, peneliti melihat simbiosis antara sistem HV dan produksi air bersih, dengan Anwar menunjukkan bagaimana penguapan alami digunakan untuk proses desalinasi. Mengkondensasikan uap yang dihasilkan oleh permukaan evaporatif memungkinkan air bersih diambil dari air laut.

“Sekarang, Anda dapat membayangkan menggunakan sistem HV sekaligus menghasilkan air bersih dan memanen listrik.” 

– Anwar

Kesimpulan

Dengan masalah energi dan lingkungan yang terus meningkat, diperlukan solusi yang efisien, fleksibel, dan ramah lingkungan. Di sini, perangkat hidrovoltaik dapat sangat membantu karena mereka menghasilkan energi listrik dengan memanfaatkan penguapan air yang meluas.

Namun, inovasi ini tidak datang tanpa tantangannya. Tantangan tersebut muncul sebagai daya yang dihasilkan tidak memenuhi kebutuhan aplikasi praktis, ketidakpastian mengenai stabilitas dan daya tahan dalam kondisi dunia nyata, serta hambatan dalam mencapai aplikasi terintegrasi skala besar. Meskipun ada hambatan ini, teknologi dan penelitian tentang material serta perangkat hidrovolkanik masih berada pada tahap awal, dan diperlukan teknologi yang lebih maju serta penelitian lebih lanjut untuk penggunaan yang luas.

Singkatnya, perangkat hidrovoltaik memiliki keunggulan besar yang tidak dapat diabaikan. Berbeda dengan solusi yang kompleks, mahal, dan merusak lingkungan, ini menawarkan metode baru dan menjanjikan untuk pembangkitan listrik di masa depan. Dan seiring waktu, perangkat hidrovoltaik diharapkan tumbuh menjadi industri yang layak dan luas.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham energi terbarukan teratas untuk diinvestasikan.