Metamaterial Termal: Solusi Baru untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik

Energi panas yang dihasilkan oleh pembakaran batubara ataupun minyak pada proses pembangkit listrik tenaga uap, hanya sekitar 40%-nya saja yang dapat dimanfaatan menjadi energi listrik. Itu artinya, sekitar 60% energi panas tersebut terbuang sia-sia. Salah satu bentuk energi panas yang tidak bermanfaat yakni berupa radiasi panas yang kurang terisolasi dengan baik pada boiler. Untuk itulah sebuah inovasi baru berupa alat thermophotovoltaic (TPV) bisa dijadikan sebuah solusi untuk meningkatkan efisiensi pembangkit listrik.

TPV adalah proses pengonversian energi panas langsung menjadi energi listrik dengan bantuan foton. Secara garis besar alat ini tersusun atas dua komponen penyusun utama yakni emitter panas dan dioda photovoltaic. Emitter adalah bagian yang memancarkan radiasi panas, sedangkan dioda photovoltaic menjadi bagian yang menangkap panas dan merubah energi panas tersebut menjadi listrik. TPV bekerja pada rentang temperatur tinggi yakni di antara 900°C hingga 1300°C, sebuah tingkat temperatur yang lazim digunakan pada bolier pembangkit listrik.

Dioda atau sel photovoltaic terbuat dari bahan semikonduktor. Pada saat bahan tersebut terkena sinar, elektron akan bergerak dari satu level energi ke level lainnya. Elektron semikonduktor berada di dalam area bernama pita valensi saat material tersebut berada di dalam kegelapan. Namun cahaya yang mengenai material semikonduktor tersebut akan membuat elektron menyerap energi, membuatnya masuk ke tingkatan energi lebih tinggi bernama pita konduksi. Saat elektron berpindah ke pita konduksi, mereka meninggalkan lubang di area pita valensi. Sedangkan sebuah area yang berada di tengah-tengah kedua pita, disebut sebagai celah pita.


Pada penelitian baru ini para ilmuwan berhasil mengatur atau membatasi emisi radiasi termal menjadi porsi spektrum yang paling dibutuhkan oleh teknologi thermophotovoltaic. Penelitian gabungan yang dilakukan oleh Purdue University (Amerika Serikat), Hamburg University of Technology (Jerman), University of Alberta (Kanada), dan Helmholtz-Zentrum Geesthacht Centre for Materials and Coastal Research (Jerman) ini, menggunakan lapisan-lapisan nano material termal tungsten dan hafnium oksida. Kedua jenis material tersebut digunakan untuk membuat metamaterial termal baru sebagai lapisan emitter panas untuk mengatur radiasi panas yang sesuai dengan kebutuhan dioda photovoltaic.

“Alat ini (TPV – red) membutuhkan emisi termal terkondisikan pada temperatur tinggi, dan penelitian kami menunjukkan bahwa sifat-sifat material intrinsik dapat kita kontrol sehingga objek panas hanya akan berwarna tertentu,” kata Zubin Jacob, asisten profesor dari teknik elektro dan komputer Purdue University. Dengan kata lain, para peneliti menggunakan bahan metamaterial termal tertentu sehingga dapat mengatur kondisi cahaya yang terpancar dari material yang mengeluarkan emisi termal.

Bahan metamaterial adalah sebuah material baru yang dibuat untuk mendapatkan sifat-sifat khusus yang tidak kita dapatkan secara alami di alam semesta. Bahan ini dibuat dengan menggabungkan beberapa elemen material komposit seperti logam dan plastik. Material-material penyusun biasanya disusun dengan pola berulang, dengan skala yang nano. Metamaterial tidak memiliki sifat yang diturunkan dari material induknya, namun benar-benar baru sesuai dengan desain strukturnya. Satu sifat khusus dari metamaterial adalah ketelitian bentuk, geometri, ukuran, orientasi dan pengaturan, akan menghasilkan sifat-sifat yang mampu memanipulasi gelombang elektromagnetik dengan jalan memblokir, menyerap, meluaskan, atau juga membelokkan gelombang. Sifat khusus inilah yang digunakan para peneliti metamaterial termal untuk mengatur emisi termal yang terpancar dari sumber panas.

Menurut Jacob, penelitian ini masih membutuhkan waktu sekitar tujuh tahun sehingga siap untuk diproduksi massal. Hingga sekarang berbagai pihak seperti German Research Foundation, National Science and Engineering Research Council of Canada, Alberta Innovates Technology Futures, dan the Helmholtz-Alberta Initiative, menduung penelitian ini dengan pembiayaan penuh.

Credit: Science Daily, Wikipedia: Metamaterial

Post Author: Onny

"Science is the highest Art in the universe."

Leave a Reply