Teknologi Ultrasound Mempercepat Pengumpulan Air Atmosfer

Air Bersih dari Udara Tipis: Dasar-dasar Pengumpulan Air Atmosfer

Di banyak wilayah dunia, air bersih sangat berharga. Salah satu opsi untuk mendapatkannya adalah desalinasi, namun hingga kini, pendekatan ini sangat intensif energi, meskipun beberapa kemajuan dalam teknologi surya baru-baru ini membuatnya lebih mendekati realitas.

Desalinasi air laut juga bukan pilihan bagi banyak wilayah kering pedalaman, seperti misalnya Asia Tengah, Mongolia, pegunungan Chili, atau sebagian besar Gurun Sahara.

Opsi lain adalah menangkap air yang ada di udara. Banyak gurun sebenarnya memiliki kelembapan atmosfer yang cukup tinggi, namun karena alasan iklim, mereka tidak membentuk hujan dan awan.

Inilah janji pengumpulan air atmosfer. Sebelumnya kami membahas bagaimana pendinginan pasif yang dicampur dengan lapisan silikon dapat meningkatkan efisiensi pengumpulan air berbasis gravitasi dan bagaimana polimer adsorpsi baru juga dapat membantu.

Peneliti kini mencari perbaikan lebih lanjut pada pengumpulan kelembapan atmosfer, membawa kita lebih dekat pada pengumpulan air fiksi ilmiah “windtrap” dalam semesta Dune.

Tim MIT, bekerja sama dengan perusahaan Jerman SmarAct Metrology GmbH & Co. KG, telah menggunakan ultrasound untuk meningkatkan efisiensi adsorpsi air atmosfer. Mereka mempublikasikan hasilnya di Nature Communications¹, dengan judul “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”.

Adsorpsi Air Atmosfer Dijelaskan

Salah satu metode untuk mengumpulkan air dari udara adalah menggunakan polimer yang “mengadsorpsi” air.

Adsorpsi adalah kemampuan zat padat, yang disebut “sorbent”, untuk menarik molekul gas atau larutan yang bersentuhan dengan permukaannya – dalam hal ini, uap air gas dan tetesan air yang tersuspensi di udara.

Dalam kehidupan sehari-hari, kita mengenal bahan adsorben seperti silica gel dalam kemasan komersial. Ini sebenarnya proses yang relatif efisien, dan dapat mengumpulkan banyak air lingkungan.

Sumber: Osaka Metropolitan University

Masalahnya adalah membuat polimer melepaskan air tersebut. Biasanya, diperlukan panas sekitar 100 °C untuk mendesorpsi polimer ini, yang tentu saja membuatnya sangat tidak efisien energi dan mahal.

“Setiap material yang sangat baik dalam menangkap air tidak ingin melepaskan air tersebut. Jadi Anda harus mengeluarkan banyak energi dan jam berharga untuk menarik air keluar dari material.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Meskipun suhu lebih rendah dengan polimer baru memiliki masalah bahwa pelepasan air menggunakan panas merupakan proses lambat, memakan puluhan menit atau jam. Akibatnya, sebagian besar sistem adsorpsi air harus menangkap air pada malam hari dan melepaskannya pada siang hari dengan panas matahari.

Sebaliknya, penggunaan ultrasound dapat memperpendek waktu pengumpulan air menjadi hanya beberapa menit dan dapat dilakukan sesuai permintaan.

Potensi Ultrasound

Ultrasound, atau gelombang ultrasonik, adalah gelombang tekanan akustik yang bergerak pada frekuensi lebih dari 20 kilohertz (20.000 siklus per detik). Mereka semakin banyak digunakan untuk aplikasi canggih, seperti bioprinting dan memberi daya pada perangkat medis jarak jauh.

Tampaknya ultrasound bergetar pada frekuensi yang tepat untuk memisahkan molekul air dari material yang menyerapnya.

Sumber: Nature Communications

Para peneliti merancang cincin keramik datar yang terbuat dari lead zirconate titanate (PZT), yang bergetar ketika tegangan diterapkan.

“Seolah‑olah air menari bersama gelombang, dan gangguan terarah ini menciptakan momentum yang melepaskan molekul air, dan kami dapat melihatnya bergetar menjadi tetesan.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Untuk mengadsorpsi air, mereka menggunakan beberapa jenis hidrogel PAM‑LiCl AWH dengan elastisitas berbeda, yang semuanya mengandung ion litium dan klorida untuk menangkap air dari udara.

Sumber: Nature Communications

Saat diuji, perangkat tersebut mampu mengeluarkan cukup air untuk mengeringkan setiap sampel dalam hanya beberapa menit.

Pemeriksaan hidrogel dengan mikroskop elektron juga membuktikan bahwa ultrasound tidak merusak gel, menjadikan perangkat ini cukup tahan lama untuk penggunaan praktis.

Sumber: Nature Communications

Peningkatan Efisiensi Besar

Karena hingga kini pelepasan air yang digerakkan oleh panas hanya terjadi sekali, efisiensi proses sangat rendah, bahkan perangkat mutakhir hanya mencapai efisiensi 9,5%.

Sebaliknya, sistem MIT dapat menghasilkan air berulang kali sepanjang hari, menghasilkan efisiensi hingga 428%, atau peningkatan efisiensi 45 kali lipat.

“Semua tergantung pada berapa banyak air yang dapat Anda ekstrak per hari,” katanya. “Dengan ultrasound, kami dapat memulihkan air dengan cepat, dan siklus berulang kali. Itu dapat menumpuk menjadi banyak per hari.”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Jadi meskipun perangkat menyia-nyiakan sedikit energi dalam bentuk panas (efek Joule), ia tetap jauh lebih efisien dibandingkan semua metode pengumpulan air lain yang dikembangkan hingga kini.

“Orang telah mencari cara untuk mengumpulkan air dari atmosfer, yang dapat menjadi sumber air besar, terutama untuk wilayah gurun dan tempat yang bahkan tidak memiliki air asin untuk didesalinasi.

Sekarang kami memiliki cara untuk memulihkan air dengan cepat dan efisien.”

Svetlana Boriskina, -Principal research scientist

Penerapan Nyata di Wilayah Kering dan Terpencil

Pada awalnya, aplikasi terbaik perangkat ini adalah untuk daerah gurun terpencil dengan akses terbatas ke energi dan infrastruktur air bersih.

Berbeda dengan adsorpsi berbasis panas, perangkat ini tetap membutuhkan listrik untuk menghasilkan ultrasound, sehingga produksi energi terdesentralisasi diperlukan, baik dengan:

• Panel surya seperti yang digunakan dalam eksperimen MIT.
• Dengan angin, yang dapat beroperasi pada malam hari, ketika kelembapan lebih tinggi, memungkinkan lebih banyak siklus pengumpulan air 2‑menit per jam.
• Dengan pembangkit energi terbarukan + sistem baterai untuk beroperasi 24/7.

Saat menguji frekuensi siklus ideal, peneliti menemukan bahwa ritme ideal adalah membiarkan material menyerap air selama 1 jam, kemudian menggunakan ultrasound untuk melepaskannya dalam 2 menit, dan mengulang siklus.

Lebih penting lagi, energi yang diperlukan untuk mengekstrak air dengan ultrasound tetap konstan, tidak seperti penurunan perlahan pada metode berbasis panas.

Sumber: Nature Communications

Peningkatan Masa Depan dalam Pengumpulan Air Atmosfer

Material Sorben Generasi Berikutnya

Metode ini menggunakan hidrogel litium, tetapi banyak material sorben lain yang ada: hidrogel lain, kerangka logam‑organik, matras serat mikro‑ dan nano, serta kombinasi material tersebut.

Setiapnya perlu dievaluasi kembali dan direkayasa ulang untuk meningkatkan kompatibilitasnya dengan metode ekstraksi alternatif.

Ketahanan degradasi sorben lain ini juga perlu dievaluasi.

Meningkatkan Efisiensi Ultrasound

Mengingat NASA melakukan pengujian pada aktuator PZT, hingga 100 miliar siklus selama 580 hari dan tidak menemukan kerusakan yang terlihat atau penurunan kinerja yang signifikan, bagian pembangkit ultrasound pada perangkat ini diharapkan sangat tahan lama.

Namun, desain yang digunakan dalam percobaan ini relatif tidak efisien dalam mengubah daya menjadi ultrasound, dengan efisiensi hanya 17 hingga 19%.

Perangkat array transduser piezoelektrik komposit 1‑3, alih-alih aktuator berbentuk cincin tunggal, dapat mencapai efisiensi hingga 35%.

Ultrasound berbasis PZT yang lebih besar juga dapat jauh lebih efisien dibandingkan perangkat eksperimental kecil yang diuji di sini. Jadi secara keseluruhan, efisiensi 1.000% atau lebih dapat tercapai dengan mengkalibrasi dan meningkatkan material PZT yang digunakan.

Menuju Menara Penghasil Air?

Peningkatan penting lainnya adalah ekstraksi ultrasonik tidak memerlukan paparan permukaan sorben pada sinar matahari. Jadi perangkat dapat ditumpuk secara vertikal satu di atas lainnya tanpa batasan prinsip pada jumlah baris vertikal.

Alih-alih ladang berskala besar untuk menyerap sinar matahari, menara besar yang menyalurkan air dari setiap perangkat yang ditumpuk dapat dibangun untuk desain yang lebih terpusat.

Perusahaan yang Menyelesaikan Kekurangan Air

Bersama dengan perusahaan Eropa Veolia, Xylem adalah pemimpin global dalam pemurnian air, pengolahan limbah cair, dan desalinasi. Perusahaan ini mempekerjakan lebih dari 23.000 orang (di antaranya lebih dari 6.000 insinyur) dan beroperasi di 150 negara, dengan fokus pada AS, serta memiliki lebih dari 35.000 pelanggan industri langsung.

Pasar utamanya adalah air minum dan limbah kota, namun ia juga menyediakan solusi khusus terkait air untuk sektor lain seperti perawatan kesehatan, energi, makanan & minuman, minyak & gas, mikroelektronik, dll.

Sumber: Xylem

Xylem dapat menyediakan peralatan paten penting untuk membersihkan atau memproduksi air, seperti generator ozon, lampu UV, membran desalinasi, generator air ultra‑murni, dll.

Namun ia juga menyediakan peralatan “lebih sederhana” yang sama pentingnya untuk operasi terkait air seperti turbin, pompa, pipa, injeksi, perangkat lunak, dll., serta layanan pemeliharaan, perbaikan, dan instalasi, menjadikannya toko serba ada untuk sebagian besar aplikasi air.

Sumber: Xylem

Pasar air masih sangat terfragmentasi, dengan Xylem menjadi salah satu perusahaan terbesar di sektor ini, namun masih hanya memegang pangsa pasar “hanya” 10% dari pasar yang dapat dijangkau senilai $80 miliar.

Perusahaan menghabiskan sekitar 4% dari penjualannya untuk R&D. Ia akan mendapat manfaat dari regulasi baru terkait PFAS (Per- dan polyfluoroalkyl substances, atau bahan kimia selamanya), dengan lebih dari 6.000 fasilitas utilitas yang membutuhkan perawatan PFAS tersebut.

Xylem telah tumbuh secara stabil, dengan pendapatan bersih meningkat dari $297 juta pada 2012 menjadi $609 juta pada 2023 sambil mempertahankan margin EBITDA yang stabil antara 17‑19%.

Secara keseluruhan, hal ini membuat profil investasi perusahaan lebih mirip perusahaan utilitas yang tumbuh seiring ekonomi secara keseluruhan atau sedikit di atas tingkat tersebut, dibandingkan perusahaan industri (yang sering siklus).

Berita dan Perkembangan Saham Xylem (XYL) Terbaru

Studi yang Dirujuk

^{1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2}