Merevolusi Industri Batu Bara Melalui Carbon Dots

Pada Des. 2023, 198 negara penandatangan pada Konferensi Para Pihak (COP) secara kolektif menyetujui bahwa dunia harus “bertransisi” menjauh dari bahan bakar fosil seperti batu bara dalam cara yang “adil, teratur, dan setara” untuk mengurangi emisi gas rumah kaca hampir menjadi nol pada tahun 2050. Namun, belum ada jadwal, sehingga bahan bakar fosil akan tetap menjadi pilar ekonomi di seluruh dunia dalam tahun-tahun mendatang.

Batu bara adalah sumber energi paling dominan dan paling intensif karbon di dunia. Empat jenis utama batu bara meliputi:

(i) Antrasit
(ii) Bitumen
(iii) Subbitumen
(iv) Lignit

Bahan bakar fosil ini menyumbang lebih dari 37% dari pasokan listrik global, memainkan peran fundamental dalam memberi daya pada rumah tangga dan industri serta mengurangi kemiskinan energi dunia. Bahkan saat ini, sekitar 860 juta orang di seluruh dunia hidup tanpa akses listrik. Oleh karena itu, kehidupan modern tidak dapat dibayangkan tanpa batu bara.

Penggunaan batu bara global sebenarnya mencapai rekor tertinggi pada 2023 karena permintaan bahan bakar fosil ini meningkat 1,4% dalam setahun untuk melampaui 8,5 miliar ton metrik untuk pertama kalinya, dilaporkan oleh International Energy Agency (IEA). Konsumsi globalnya diproyeksikan tetap di atas 8 miliar ton metrik pada 2026.

Batu bara adalah sumber daya penting untuk mengatasi tantangan peningkatan konsumsi energi yang cepat karena harganya jauh lebih murah dan lebih mudah diakses dibandingkan bahan bakar fosil lainnya. Tidak seperti minyak dan gas, batu bara dapat ditemukan melimpah di seluruh dunia.

Hal yang menarik tentang batu bara adalah tidak memerlukan pipa bertekanan tinggi, proses mahal, atau perlindungan mahal selama transportasi, sehingga lebih mudah disimpan dan diangkut dibandingkan bahan bakar fosil yang sangat mudah terbakar lainnya. Selain itu, sebelum digunakan, batu bara hanya perlu ditambang, tidak seperti bahan bakar fosil lain yang memerlukan proses penyulingan yang panjang dan mahal.

Tidak kalah penting, cadangan batu bara tersebar jauh lebih merata di seluruh planet. Pada Jan. 2020, AS memiliki cadangan batu bara terbesar di dunia, yang mencakup hampir 90% dari semua cadangan bahan bakar fosil, dengan perkiraan 250 miliar ton.

Selain lebih murah dan mudah diakses, batu bara juga sangat serbaguna dan dapat digunakan dalam berbagai proses. Batu bara terutama digunakan untuk pembangkit listrik di seluruh dunia dan sebenarnya merupakan bentuk energi yang terjangkau, dengan listrik yang dihasilkan dari batu bara lebih murah dibandingkan listrik dari sumber lain.

Bahkan di AS, batu bara digunakan untuk menghasilkan listrik dengan membakar bahan bakar fosil di pembangkit listrik. Panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah air menjadi uap bertekanan tinggi, yang menggerakkan turbin, lalu menghasilkan listrik. Pada 2019, sekitar 23% dari seluruh listrik di AS dihasilkan oleh pembangkit listrik berbahan bakar batu bara, menurut US Energy (BSIN ) Information Administration.

Bahan bakar fosil ini juga digunakan untuk memproduksi baja dan beton serta menjadi komponen utama dalam pembuatan besi, serta logam lain seperti aluminium dan tembaga. Batu bara dan produk sampingannya juga digunakan dalam filter air dan sistem pemurnian udara, dalam konstruksi pesawat terbang dan mobil, dalam obat-obatan, serta dalam proses kimia untuk mengekstrak unsur tanah jarang.

Selanjutnya terdapat penggunaan gasifikasi dan likuidasi batu bara, dengan mayoritas proyek batu bara-ke-gas berada di AS dan China, serta beberapa di Australia, Kanada, India, Afrika Selatan, dan Indonesia. Selain menghasilkan blok bangunan kimia, seperti amonia, metanol, dan urea, batu bara juga digunakan dalam industri kertas, tekstil, dan kaca. Bersamaan dengan pembuatan serat karbon, batu bara menyediakan bahan seperti logam silikon, yang digunakan untuk memproduksi komponen bagi sektor perawatan pribadi dan rumah tangga.

Meskipun batu bara melimpah, terjangkau, dan dapat diandalkan, industri ini menghadapi tantangan dalam mengembangkan teknologi dan jalur menuju nol emisi, yang diidentifikasi sebagai faktor perubahan iklim.

Klik di sini untuk mempelajari apakah pencegahan atau perawatan adalah cara mengatasi CO2 atmosfer.

Mengevaluasi Kembali Peran Ekonomi Batu Bara

Seiring negara-negara di seluruh dunia berjanji untuk beralih ke cara produksi energi lain karena kontribusinya terhadap perubahan iklim, peneliti dan ilmuwan mencari cara lain untuk memanfaatkan batu bara. 

Untuk mengevaluasi kembali peran ekonomi bahan bakar fosil ini, Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, National Energy Technology Laboratory, University of Illinois Urbana-Champaign, dan Oak Ridge National Laboratory bergabung dalam sebuah upaya penelitian bersama dan menunjukkan peran penting batu bara dalam perangkat elektronik generasi berikutnya.

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak penelitian telah dilakukan di bidang material 2D karena sifat listrik, optik, dan mekaniknya. Sintesis berbagai material 2D yang sangat tipis secara atomik membuka platform baru untuk material berlapis yang memungkinkan eksplorasi sifat yang belum diketahui, menjanjikan beragam teknologi baru. 

Semikonduktor berlapis 2D memiliki fitur seperti mobilitas tinggi, saklar berdaya rendah, celah energi yang relatif besar, dan ketersediaan metode pertumbuhan area luas, yang menjadikannya kandidat menjanjikan untuk generasi elektronik berikutnya. Sekarang, batu bara sedang diuji coba untuk digunakan dalam elektronik semacam itu. 

“Batu bara biasanya dianggap sebagai sesuatu yang besar dan kotor, tetapi teknik pemrosesan yang kami kembangkan dapat mengubahnya menjadi material berkemurnian tinggi yang hanya setebal beberapa atom saja.” 

– kata Qing Cao, profesor ilmu material & teknik U. of I. yang memimpin bersama upaya ini. 

Dia juga mencatat:

“Struktur atomik unik dan sifat-sifatnya ideal untuk membuat beberapa elektronik terkecil yang mungkin dengan kinerja yang lebih unggul dibandingkan standar saat ini.”

Dalam kolaborasi ini, para peneliti mengembangkan proses yang mengubah arang batu bara menjadi disk karbon yang sangat kecil, yang disebut “carbon dots.” 

Seperti yang ditunjukkan oleh kelompok riset, disk karbon nanoskal ini dapat dihubungkan untuk membuat membran berlapis atomik tipis. Membran ini dapat digunakan dalam aplikasi teknologi seperti transistor dua dimensi (2D) dan memristor. Menurut peneliti, teknologi ini akan menjadi kunci dalam membangun elektronik yang lebih efisien. 

Sementara material berbasis karbon, baik itu karbon industri tradisional seperti carbon black atau karbon industri baru seperti grafit dan serat karbon, memainkan peran penting dalam pengembangan ilmu material, material karbon makroskopik tidak dapat digunakan secara efektif sebagai material fluoresen karena kekurangan celah energi yang tepat. Di sinilah carbon dots (CDs) muncul sebagai solusi yang menjanjikan.

Carbon dots atau CDs adalah jenis baru nanomaterial berbasis karbon yang telah menarik banyak perhatian dan minat penelitian karena sifat fisikokimia yang beragam. Carbon dots dirumuskan secara cermat dan biasanya berukuran kurang dari 10 nm. Nanomaterial berbasis karbon ini memiliki fitur seperti ukuran kecil, ramah lingkungan, biaya rendah, toksisitas rendah, stabilitas tinggi, biokompatibilitas baik, mobilitas elektron, hasil kuantum tinggi, kelompok fungsional melimpah, dan sifat optik unik, termasuk absorpsi kuat, fotoluminesensi, dan fosforesensi.

Semua kualitas ini menjadikan material baru dalam keluarga karbon ini sangat populer dan memiliki banyak aplikasi. Ini meliputi:

• Sensor
• Enkripsi informasi
• Fotokatalisis
• Dioda pemancar cahaya
• Deteksi kimia
• Sel surya
• Superkapasitor
• Baterai isi ulang
• Pencitraan bio
• Fototerapi
• Pengantaran gen
• Pengantaran drudge
• Deteksi bahan peledak
• Nanomedisin
• Keamanan pangan
• Anti-pemalsuan

Pelajari bagaimana metana dapat menjadi kunci untuk mencapai target iklim.

Batu Bara Akan Memainkan Peran Vital dalam Elektronik Generasi Berikutnya 

Peneliti dan ilmuwan di seluruh dunia telah bekerja untuk membuat elektronik yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih canggih. Ini berarti perangkat yang terbuat dari material yang hanya setebal satu atau dua atom beroperasi jauh lebih cepat dan mengonsumsi jauh lebih sedikit energi. 

Untuk perangkat ini, banyak studi telah dilakukan mengenai semikonduktor ultratipis, tetapi kini diperlukan penelitian ekstensif pada isolator tipis atomik untuk membangun perangkat elektronik yang berfungsi seperti transistor dan memristor.

Mengenai material, mereka dibagi menjadi konduktor, semikonduktor, dan isolator berdasarkan kemampuan mereka menghantarkan arus listrik. Material seperti tembaga, kuningan, baja, emas, dan aluminium yang mudah menghantarkan listrik karena resistivitas listrik rendah disebut konduktor. 

Isolator adalah material seperti kaca, udara, kayu, plastik, dan karet, yang tidak mudah menghantarkan listrik. Sementara itu, material seperti silikon (Si), germanium (Ge), dan selenium (Se), serta senyawa seperti galium arsenida (GaAs) dan indium antimonida (InSb), memiliki nilai konduktivitas listrik yang berada di antara konduktor dan isolator.

Resistansi semikonduktor menurun saat suhu naik, sementara konduktivitas semikonduktor meningkat seiring kenaikan suhu.

Isolator memiliki berbagai aplikasi, termasuk isolasi dinding untuk mengatur aliran panas, isolasi tungku untuk penghalang termal dan dielektrik, isolasi suara untuk mencegah gangguan, serta isolasi listrik dalam rangkaian rumah tangga dan kapasitor pada barang komersial dan konsumen. Semikonduktor juga ada di sekitar kita, seperti transistor kecil yang terdapat di hampir setiap perangkat yang kita gunakan dan sel surya yang digunakan pada panel surya untuk mengubah sinar matahari menjadi listrik.

Pada isolator, celah energi antara pita valensi dan konduksi sangat besar (sekitar 15 eV) sementara pada semikonduktor, celah ini sangat kecil (sekitar 1 eV). 

Menurut studi terbaru, lapisan karbon tipis atomik dengan struktur atomik yang tidak teratur dapat berfungsi sebagai isolator yang sangat baik untuk membangun perangkat 2D, yang tim buat dari carbon dots yang dihasilkan dari arang batu bara.

Sekarang, untuk menunjukkan potensi lapisan karbon yang berasal dari batu bara, peneliti menggunakannya sebagai dielektrik gerbang pada transistor 2D. Dibangun di atas semikonduktor molibdenum disulfida, tim menciptakan perangkat dengan kecepatan operasi lebih dari dua kali lebih cepat dengan konsumsi energi yang lebih rendah. 

Lapisan karbon yang berasal dari batu bara ini tidak memiliki “dangling bonds,” yang melimpah pada permukaan isolator 3D konvensional. Dengan berfungsi efektif sebagai “perangkap,” mereka mengubah sifat listrik isolator 3D, memperlambat transportasi muatan bergerak yang memengaruhi kecepatan saklar transistor. 

Namun, lapisan karbon baru yang berasal dari batu bara, tidak seperti material tipis atomik lainnya, bersifat amorf, dan arus listrik yang tidak diinginkan mengalir melalui isolator, menyebabkan konsumsi daya tambahan yang signifikan selama operasi perangkat. Bapak Qing Cao berkata:

“Ini sangat menarik, karena ini adalah pertama kalinya batu bara, sesuatu yang biasanya kami anggap teknologi rendah, secara langsung terhubung dengan ujung tombak mikroelektronik.” 

Aplikasi lain yang ditunjukkan oleh peneliti adalah memristor, komponen elektronik yang dapat menyimpan dan memproses data, secara signifikan meningkatkan penerapan Kecerdasan Buatan (AI). Perangkat ini menyimpan dan merepresentasikan data dengan memodulasi filamen konduktif.

Dengan menggunakan lapisan karbon yang ultratipis sebagai isolator, peneliti dapat mempercepat pembentukan filamen tersebut dengan konsumsi energi rendah yang memungkinkan perangkat beroperasi dengan kecepatan tinggi dan daya rendah. Selain itu, cincin berukuran atomik dalam lapisan karbon yang berasal dari batu bara menjebak filamen untuk meningkatkan operasi perangkat yang dapat direproduksi demi keandalan penyimpanan data yang lebih tinggi.

Perangkat baru ini menunjukkan bahwa lapisan karbon yang berasal dari arang batu bara dapat digunakan dalam perangkat 2D. Pada langkah selanjutnya, upaya kolaboratif akan bergerak menuju pengembangan “proses fabrikasi untuk isolator karbon berbasis batu bara” yang dapat diterapkan secara skala besar.

Memanfaatkan Pendekatan Baru 

Sementara dunia beralih dari karbon karena fokus yang meningkat pada pengurangan emisi gas rumah kaca, penelitian yang terus berlangsung di industri untuk menilai kembali karbon dapat memungkinkan berbagai industri, seperti produsen semikonduktor, memanfaatkan bentuk barunya di masa depan. Jadi, mari kita lihat beberapa perusahaan yang dapat mengadopsi pendekatan tersebut. 

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Ini adalah produsen chip terbesar di dunia yang menggunakan teknologi proses paling canggih di industri. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. dikenal melayani kebutuhan banyak klien bergengsi, termasuk NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ), dan Apple. Jangkauan aplikasi produk perusahaan mencakup industri listrik yang luas, dan secara perlahan memperluas ke seluruh dunia dengan pabrik yang tersebar di tiga benua.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $530,26 miliar, saham TSM saat ini diperdagangkan pada $101,40, turun 1,69% sejak awal tahun (YTD). Perusahaan mencatat pendapatan selama dua belas bulan terakhir (TTM) sebesar $69,84 miliar dengan EPS (TTM) 5,36, P/E (TTM) 19,08, dan ROE (TTM) 29,43%. Taiwan Semiconductor Manufacturing juga membayar dividen sebesar 1,88%.

#2. NVIDIA Corporation 

Perusahaan ini mengembangkan perangkat keras dan perangkat lunak untuk gaming, laptop, pusat data, dan aplikasi serta dikenal khusus karena menciptakan unit pemrosesan grafis (GPU) untuk berbagai aplikasi, termasuk game, penambangan kripto, dan AI. 

Baru-baru ini, Nvidia meluncurkan prosesor grafis desktop baru, GeForce RTX 40 SUPER Series, untuk para penggemar video game serta untuk menjalankan aplikasi AI secara lokal. Nvidia juga memperluas jangkauannya di sektor kendaraan listrik (EV) China dengan mengumumkan bahwa empat merek EV China akan menggunakan teknologinya untuk sistem mengemudi otomatis.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $1,29 triliun, saham NVDA saat ini diperdagangkan pada $522,58, naik 5,5% sejak awal tahun (YTD). Perusahaan mencatat pendapatan selama dua belas bulan terakhir (TTM) sebesar $44,87 miliar dengan EPS (TTM) 7,57, P/E (TTM) 68,99, dan ROE (TTM) 69,17%. Nvidia juga membayar dividen sebesar 0,03%.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Desainer CPU dan GPU ini adalah salah satu perusahaan chip terbesar yang baru-baru ini mengumumkan seri Ryzen 8000G, dengan Ryzen 7 8700G sebagai unggulan, yang menurut AMD memiliki akselerator grafis terintegrasi tercepat. Sementara itu, GPU terbaru Advanced Micro Devices (AMD ), seri Radeon, melayani segmen pasar gamer kelas bawah dan menengah.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $236,154 miliar, saham AMD saat ini diperdagangkan pada $145,21, turun 0,83% sejak awal tahun (YTD). Perusahaan mencatat pendapatan selama dua belas bulan terakhir (TTM) sebesar $22,11 miliar dengan EPS (TTM) 0,13, P/E (TTM) 1.152,84, dan ROE (TTM) 0,38%.

Kesimpulan

Jadi, seperti yang kita lihat, industri batu bara sedang mengalami transformasi dengan para ilmuwan dan peneliti yang bekerja mengungkap nilai dan perannya dengan menciptakan carbon dots yang menampilkan beberapa sifat unik yang dapat membuatnya sangat berguna dalam generasi perangkat elektronik berikutnya. Dengan cara ini, industri batu bara dapat membantu membentuk masa depan teknologi elektronik secara berkelanjutan.