Inovasi Terbaru di Dirgantara Membuka Jalan untuk Penerbangan Generasi Berikutnya

Industri dirgantara yang berkembang pesat terus mencari cara untuk meningkatkan efisiensi, kinerja, dan keselamatan sambil mengurangi emisi karbon dan mempertahankan keberlanjutan. 

Dalam beberapa tahun terakhir, sejumlah kemajuan teknologi telah memperluas kemampuan perjalanan udara baik di dalam atmosfer Bumi maupun di luar angkasa. Ini mencakup teknologi satelit canggih untuk komunikasi, manufaktur aditif untuk komponen ringan, propulsi listrik untuk mengurangi emisi dan biaya, penerbangan supersonik untuk perjalanan lebih cepat, serta kecerdasan buatan dan pembelajaran mesin untuk meningkatkan efisiensi operasional.

Dirgantara berfokus pada material canggih dengan sifat yang sangat spesifik. Sistem biasanya melibatkan berbagai jenis material, mulai dari keramik termal hingga serat karbon dan titanium, yang digunakan untuk berbagai tujuan guna mengoptimalkan kinerja.

Penelitian di bidang ini bertujuan mengembangkan material multifungsi, yang berarti material yang tidak hanya memiliki fungsi struktural tetapi juga dapat menawarkan fitur lain seperti pendinginan aktif. Untuk mewujudkan konsep dirgantara canggih, material harus lebih tahan lama, ringan, dan hemat biaya daripada sebelumnya. 

Seiring industri dirgantara terus berkembang, mari kita tinjau inovasi terobosan terbaru yang akan membawanya lebih jauh.

Membuka ‘Genom Material’ untuk Memajukan Desain

Bulan lalu, peneliti dari Sekolah Dirgantara, Mekanik, dan Mekatronik Universitas Sydney menemukan metode mikroskopi untuk mengurai hubungan atom dalam material kristalin seperti baja canggih dan silikon khusus.

Ini berarti bahwa peneliti dapat mendeteksi bahkan perubahan sekecil apa pun dalam arsitektur tingkat atom dari material ini, meningkatkan pemahaman kami tentang asal usul sifat dan perilaku fundamental mereka. Pengetahuan ini akan memungkinkan pengembangan semikonduktor canggih untuk elektronik dan paduan yang lebih ringan serta lebih kuat untuk sektor dirgantara.

Untuk ini, peneliti menggunakan atom probe tomography (APT), sebuah teknik yang memvisualisasikan atom dalam tiga dimensi (3D), untuk mengurai kompleksitas short-range order (SRO). SRO adalah ukuran kuantitatif dari kecenderungan relatif elemen penyusun material untuk menyimpang dari distribusi acak. Memahami lingkungan atom lokal sangat penting untuk menciptakan material inovatif.

Dengan mengkuantifikasi ketidakacakan hubungan lingkungan pada skala atom dalam kristal secara detail, SRO membuka “kemungkinan luas untuk material yang dirancang khusus, atom demi atom, dengan susunan lingkungan tertentu untuk mencapai sifat yang diinginkan seperti kekuatan,” kata pemimpin studi, Profesor Simon Ringer, yang merupakan Pro-Vice-Chancellor (Research Infrastructure) di Universitas Sydney.

Kadang disebut sebagai ‘genom material,’ SRO telah menjadi tantangan untuk diukur dan dikuantifikasi. Ini karena susunan atom terjadi pada skala sangat kecil sehingga tidak dapat dilihat dengan teknik mikroskopi konvensional.

Jadi, tim peneliti mengembangkan metode baru menggunakan APT yang mengatasi tantangan ini, menjadikannya “terobosan signifikan dalam ilmu material,” kata Ringer, seorang insinyur material di AMME. 

Fokus studi telah pada high-entropy alloys (HEAs), sebuah bidang yang banyak diteliti karena potensinya untuk digunakan dalam situasi yang memerlukan kekuatan pada suhu tinggi, termasuk mesin jet dan pembangkit listrik.

Dengan menggunakan teknik data science canggih dan memanfaatkan data dari APT, peneliti mengamati dan mengukur SRO. Mereka kemudian dapat membandingkan bagaimana SRO berubah dalam high-entropy alloy yang terdiri dari kobalt, krom, dan nikel di bawah perlakuan panas yang berbeda.

Menurut Dr Andrew Breen, seorang senior postdoctoral fellow:

“(Studi ini telah menghasilkan) analisis sensitivitas yang membatasi rentang tepat kondisi di mana pengukuran tersebut valid dan di mana tidak valid.”

Dengan mengukur dan memahami SRO, studi ini juga dapat membantu mengubah pendekatan desain material dan menunjukkan betapa “perubahan kecil pada arsitektur tingkat atom dapat menghasilkan lompatan besar dalam kinerja material,” kata Dr. Mengwei He, seorang peneliti postdoc di Sekolah Dirgantara, Mekanik, dan Mekatronik.

Lebih jauh lagi, dengan menyediakan cetak biru pada tingkat mikroskopis, studi ini meningkatkan kemampuan peneliti untuk mensimulasikan secara komputasional, memodelkan, dan kemudian memprediksi perilaku material. Ini juga dapat berfungsi sebagai template untuk studi masa depan di mana SRO mengontrol properti material yang kritis. 

Material Baru untuk Membuat Penerbangan Hipersonik Mungkin

Ada banyak minat dalam mencapai penerbangan berkelanjutan pada kecepatan hipersonik, namun tantangan teknis masih tetap ada. Ini termasuk mengelola panas ekstrem, mengembangkan material yang dapat menahan stres, suhu ekstrem, dan oksidasi tanpa mengorbankan kinerja, serta menciptakan sistem propulsi yang dapat beroperasi secara efisien pada kecepatan dan ketinggian tinggi. 

Saat peneliti berusaha menemukan solusi untuk masalah ini, ilmuwan dari Fakultas Ilmu dan Teknik Material Universitas Guangzhou melaporkan terobosan dalam perisai panas hipersonik awal tahun ini.

Dalam apa yang dapat menjadi pengubah permainan untuk penerbangan hipersonik, para ilmuwan mengembangkan material baru, keramik berpori, yang memberikan “stabilitas termal yang luar biasa” dan “kekuatan tekan ultratinggi.” 

Ini telah dicapai menggunakan desain struktur multi‑skala, yang menurut para ilmuwan pertama kali dilakukan. Lebih jauh lagi, fabrikasi cepat keramik entropi tinggi ini membuka pintu untuk eksplorasi lebih luas di sektor dirgantara, teknik kimia, serta produksi dan transfer energi.

Para peneliti mengatakan keramik tersebut diproduksi melalui “teknik sintesis suhu tinggi ultracepat yang dapat menghasilkan kemampuan menahan beban mekanik yang luar biasa dan kinerja isolasi termal tinggi.”

Untuk mengatasi tantangan material kuat, ringan dengan konduktivitas termal rendah, ilmuwan menggunakan material keramik yang tidak dapat terbakar dan tahan korosi, memiliki titik leleh tinggi, serta menunjukkan konduktivitas termal rendah. Tentu saja, material keramik konvensional masih belum memadai dalam menangani suhu dan tekanan yang sangat tinggi.

Sementara material berpori ringan memiliki kemampuan transfer panas yang rendah, mereka juga memiliki kelemahan berupa kerapuhan yang lebih besar.

Jadi, para peneliti mulai bekerja secara simultan meningkatkan “kekuatan mekanik dan kapasitas isolasi termal keramik berpori.” Hal ini membawa mereka pada konsep entropi tinggi, yang berfokus pada beberapa elemen dalam proporsi setara untuk menciptakan komponen yang lebih kuat, lebih stabil, dan lebih tahan panas.

Para ilmuwan menemukan bahwa material keramik yang baru dibuat — disebut 9‑cation porous high‑entropy diboride (9PHEB) — berhasil mencapai keseimbangan yang baik antara ketahanan panas dan kekuatan tanpa batasan biasanya. Material baru ini juga memenuhi standar berat dan isolasi yang diperlukan untuk penerbangan dirgantara.

Menurut peneliti:

“Antarmuka berkualitas tinggi, yang ditandai dengan ikatan kuat tanpa cacat atau fase amorf, dapat mempercepat transfer gaya sepanjang blok bangunan dan ke banyak blok lainnya melalui koneksi saat beban diterapkan, menghasilkan peningkatan signifikan pada kekuatan mekanik.”

Studi tersebut juga mencatat bahwa material baru 9PHEB luar biasa baik dalam hal kekuatan maupun stabilitas termal. 

Material Penyembuhan Diri untuk Struktur Dirgantara

Polimer penyembuhan diri dan nanokomposit adalah material inovatif yang telah secara signifikan memajukan industri dirgantara. Mereka juga menjadi subjek penelitian penting untuk aplikasi di bidang elektronik, baterai, biomedis, dan bidang teknis lainnya. 

Meskipun material penyembuhan diri telah ada selama berabad‑abad, terdapat lonjakan inovasi yang signifikan dalam bidang ini selama beberapa dekade terakhir, yang menghasilkan pengembangan material penyembuhan diri sintetis.

Material ini dapat ditemukan dalam berbagai bentuk, tergantung pada kimia uniknya, termasuk polimer termoplastik, polimer termoset, elastomer, polimer memori bentuk, komposit polimer, dan nanokomposit. 

Bergantung pada kemampuan mereka, material ini sering disebut sebagai material penyembuhan diri intrinsik, yang mengandalkan ikatan kimia atau mobilitas molekuler di dalam material itu sendiri, atau material penyembuhan diri ekstrinsik, di mana agen penyembuhan eksternal diaktifkan saat terjadi kerusakan.

Polimer dianggap sangat penting dalam penggunaan struktural karena kemampuan luar biasa mereka untuk memperbaiki kerusakan struktural. Hal ini dicapai melalui mobilisasi rantai polimer dan cross‑linking.

Di industri dirgantara, nanokomposit penyembuhan diri sangat berguna untuk struktur rekayasa, perekat, mesin, fuselage, dan pelapis. Nanokomposit penyembuhan diri diproduksi dengan memasukkan nanopartikel ke dalam polimer. Karena kemampuan mereka menyembuhkan kerusakan secara reversibel, polimer termoset dan termoplastik diperkuat dengan nanopartikel nano‑karbon.

Nanofiller lebih lanjut meningkatkan efek penyembuhan diri pada nanokomposit. Jenis dan kandungan nanofiller merupakan faktor penting dalam memulai efek penyembuhan diri.

Secara tradisional, material keramik dan logam digunakan untuk mengembangkan mesin. Namun, baru-baru ini, material polimer dan komposit semakin banyak digunakan dalam mesin jet yang tahan suhu tinggi. Perubahan ini memiliki alasan kuat, karena material komposit lebih tahan terhadap kerusakan struktural akibat benturan atau kegagalan.

Dengan serat keramik yang mampu menahan suhu sangat tinggi, nanokomposit penyembuhan diri telah digunakan untuk menghasilkan komponen mesin jet tetap dan bergerak. Nanomaterial ini juga ditemukan tahan terhadap tekanan, kerusakan, dan korosi, berkontribusi pada peningkatan efisiensi mesin.

Penelitian berkelanjutan pada polimer penyembuhan diri menunjukkan potensi material yang dapat menahan tekanan tinggi, suhu tinggi, dan situasi benturan untuk secara signifikan meningkatkan daya tahan struktur luar angkasa. Kita bahkan mungkin akan melihat pengembangan nanokomposit nano‑karbon di masa depan yang dapat mendeteksi kerusakan pada struktur dirgantara, namun hal itu memerlukan agen penyembuhan baru dengan efisiensi penyembuhan diri yang superior.

Menariknya, dalam dunia material penyembuhan diri, Dr Kunal Masania, seorang associate professor of aerospace structures and materials di Delft University of Technology, Belanda, mengembangkan “material hidup” untuk digunakan di sektor dirgantara. Material hidup ini mengandung mikroorganisme seperti bakteri dan jamur, memberikan kemampuan penyembuhan diri. 

Tim memilih jamur karena kemampuan mereka menoleransi kondisi keras dan relatif mudah dibudidayakan. Sel jamur juga dapat terhubung, yang berarti dengan menyebarkan hanya beberapa sel di seluruh material, mereka dapat menyambung kembali dan membentuk jaringan sensor. Material hidup ini sebenarnya diproduksi melalui metode pencetakan 3D khusus dan tinta pencetakan 3D baru.  

Pengembangan ini dilakukan sebagai bagian dari proyek lima tahun, AM-IMATE, yang mendapat hibah dari Uni Eropa. Menurut Masania:

“(Tujuan proyek ini adalah) membuat struktur rekayasa yang dapat berperilaku seperti organisme hidup, mampu merasakan dan beradaptasi terhadap stres mekanik.”  

Dengan menggunakan material biologis penyembuhan diri, tidak hanya daya tahan dan kinerja struktur kritis yang digunakan di dirgantara dapat ditingkatkan, tetapi juga dapat menjadi berkelanjutan. Tim AM-IMATE sebenarnya sedang mengeksplorasi penggunaan komposit sebagai material inti untuk interior pesawat terbang.

“Material kami sangat ringan dan lebih berkelanjutan dibandingkan material yang saat ini digunakan,” kata Masania, menambahkan bahwa mengganti plastik dan logam berarti kita tidak perlu lagi bergantung pada bahan bakar fosil. Selain itu, “komponen pesawat dapat dibongkar dan dikembalikan ke alam,” ujarnya.

Namun ini belum semuanya. Tim bahkan melihat material hidup mereka menjadi dasar habitat baru “di planet lain” dengan menggunakan material lokal dan mengikatnya bersama jamur.

Perusahaan-Peran di Teknologi Dirgantara

Jika kita melihat perusahaan yang beroperasi di industri dirgantara, beberapa pemain kunci sedang memajukan teknologi, termasuk General Dynamics Corporation (GD), SpaceX, Virgin Galactic, dan Sierra Nevada Corporation.

Lockheed Martin Corporation (LMT), salah satu kontraktor pertahanan terbesar di dunia, juga merupakan pemain populer di bidang ini. Dikenal dengan jet tempur, sistem misil, dan teknologi eksplorasi luar angkasa, Lockheed Martin telah mengembangkan perangkat lunak telekomunikasi berbasis AI bernama Callisto bekerja sama dengan Amazon dan Cisco untuk meningkatkan efisiensi dan kesadaran situasional di dalam pesawat luar angkasa. Baru-baru ini, mereka mengakuisisi penyedia solusi satelit Terran Orbital dalam kesepakatan senilai $450 juta.

Boeing adalah pemain utama lainnya dalam dirgantara komersial dan militer. Perusahaan ini saat ini berada di bawah pengawasan ketat karena masalah kontrol kualitas, masalah berkelanjutan dengan pesawat 737 Max, penanganan kekhawatiran keselamatan, dan persaingan dari Airbus.

Airbus terutama terlibat dalam desain dan manufaktur pesawat komersial. Untuk mengurangi emisi CO₂ produknya, perusahaan sedang mengembangkan material berbasis bio untuk produksi pesawat. Untuk ini, perusahaan mencari alternatif serat karbon yang berasal dari bahan bakar fosil yang digunakan dalam pembuatan komponen seperti sayap atau kulit fuselage.

Sekarang, mari kita lihat lebih dalam beberapa nama terkemuka:

#1. Raytheon Technologies

Berfokus pada avionik, elektronik pertahanan, dan sistem misil, pada tahun 2020, Raytheon menyelesaikan merger dengan United Technologies untuk membentuk penyedia sistem aerospace dan pertahanan paling maju di dunia.

Seiring perusahaan terus menyediakan produk dan keahliannya secara global, beberapa perkembangan penting tahun ini meliputi:

• Terpilih oleh DARPA untuk sensor optik kuantum yang digunakan dalam aplikasi pencitraan.
• Meluncurkan MAYA sebagai masa depan perjalanan udara premium.
• Menginvestasikan $200 juta di Spokane untuk mendukung pertumbuhan manufaktur.
• Menyelesaikan tes Crew Capability Assessment untuk spacesuit generasi berikutnya di Stasiun Luar Angkasa Internasional.
• Menerima kontrak $344 juta untuk memodernisasi unit elektronik program pengembangan misil.

Pada saat penulisan, saham Raytheon (RTX:NYSE) diperdagangkan pada $118,35, naik 40,66 % YTD. Kapitalisasi pasar perusahaan sebesar $157,43 miliar, dan dividen yield-nya  2,13%.

Untuk Q2 2024, perusahaan melaporkan penjualan sebesar $19,7 miliar, meningkat 8 % dari tahun sebelumnya, sementara arus kas operasi sebesar $2,7 miliar. Raytheon mencatat backlog sebesar $206 miliar, termasuk $129 miliar komersial dan $77 miliar pertahanan. EPS yang disesuaikan adalah $1,41, naik 9 % dibandingkan tahun sebelumnya.

“RTX memberikan kinerja operasional yang kuat pada kuartal kedua, dengan pertumbuhan penjualan organik 10 persen, ekspansi margin yang disesuaikan di ketiga segmen, dan arus kas bebas $2,2 miliar.”

– Presiden dan CEO RTX Chris Calio

Ia juga mencatat bahwa dengan backlog dan “permintaan yang belum pernah terjadi sebelumnya di seluruh portofolio kami,” mereka fokus berinvestasi dalam teknologi dan kapabilitas inovatif.

#2. Northrop Grumman

Spesialis dalam pertahanan dan dirgantara, Northrop Grumman terkenal karena kerja pada sistem tak berawak, keamanan siber, dan sistem luar angkasa canggih, termasuk James Webb Space Telescope. Perusahaan juga mengembangkan bomber B‑12 dan program Sentinel. Selain itu, Northrop Grumman berkolaborasi dengan SpaceX milik Elon Musk dalam sistem satelit mata-mata AS, bermitra dengan EpiSci untuk kapabilitas otonomi lanjutan, serta mendukung rencana pertahanan jangka panjang Norwegia melalui kerja sama dengan Andøya Space.

Pada saat penulisan, saham Northman diperdagangkan pada $504,87, naik 7,85 % YTD, yang membuat kapitalisasi pasar perusahaan sebesar $73,83 miliar. Perusahaan membayar dividen yield sebesar 1,63 %. Untuk Q2 2024, perusahaan melaporkan peningkatan pendapatan sebesar 6,7 % menjadi $10,22 miliar. Kuartal tersebut menghasilkan arus kas bebas lebih dari $1,11 miliar, sementara biaya mencakup sekitar $3 miliar untuk R&D dan $1,8 miliar untuk belanja modal. EPS Northrop melampaui perkiraan sebesar 7,6 % dengan nilai $6,36.

Perusahaan memperkirakan pertumbuhan solid di seluruh divisinya, terutama di aeronautics, sistem senjata, dan elektronik canggih. Penurunan ringan diperkirakan terjadi di segmen ruang angkasa tahun depan akibat program yang dibatalkan, namun pertumbuhan diperkirakan akan kembali setelah itu. Sementara mengakui kendala rantai pasokan, khususnya dalam memperoleh amonium perklorat untuk motor roket padat, CEO Kathy Warden menyebut bahwa mereka bekerja sama dengan Angkatan Udara untuk mengurangi biaya.

Klik di sini untuk daftar 10 saham aerospace dan pertahanan teratas.

Kesimpulan

Pasar dirgantara saat ini berada di sekitar $300 miliar. Meskipun sempat menurun singkat selama pandemi COVID‑19, pasar ini diperkirakanakan melampaui $460 miliar pada 2028. Sementara itu, pendapatan pasar manufaktur komponen dirgantara diproyeksikanmenembus $1.230 miliar pada akhir dekade ini.

Mengingat pertumbuhan yang dialami industri, inovasi teknologi terjadi dengan kecepatan tinggi. Dari pesawat yang lebih efisien melalui sistem propulsi listrik, penciptaan material komposit canggih, dan kemajuan dalam AI serta teknologi sensor untuk mencapai pesawat sepenuhnya otonom hingga penelitian dan adopsi bahan bakar penerbangan berkelanjutan (SAF), yang berasal dari sumber terbarukan, banyak hal yang terjadi dan bersama-sama inovasi ini dapat membawa perubahan signifikan untuk membentuk masa depan dirgantara.

Klik di sini untuk daftar lima ETF aerospace terbaik untuk diinvestasikan.