Perangkat Energi Matahari untuk Menghasilkan Uap

Para ilmuwan teknik di Massachusetts Institute of Technology (MIT) berhasil mengembangkan perangkat unik. Alat ini mampu menyerap panas dari matahari yang cukup untuk merebus air dan menghasilkan uap "superheated". Panasnya lebih dari 100 derajat Celcius, tanpa optik yang mahal.

Pada hari yang cerah, struktur tersebut dapat secara pasif memompa uap yang cukup panas untuk mensterilkan peralatan medis, serta untuk digunakan dalam berbagai keperluan termasuk memasak. Uap juga dapat memasok panas ke proses industri, atau bisa dikumpulkan dan dipadatkan untuk menghasilkan air minum yang disterilisasi.

Para peneliti sebelumnya mengembangkan struktur mirip spons yang mengapung dalam wadah air dan mengubah air yang diserap menjadi uap. Namun kekhawatiran besar mereka adalah bahwa kontaminan di air menyebabkan struktur menurun seiring berjalannya waktu.

Perangkat baru kemudian dirancang untuk lebih tangguh di atas air untuk menghindari kontaminasi yang mungkin terjadi. Peningkatan kekuatan atau ketangguhan perangkat ini adalah terkait dengan ukuran dan ketebalan tablet digital kecil atau e-reader, dan terstruktur seperti sandwich. Lapisan atas terbuat dari bahan yang secara efisien menyerap panas matahari, sementara lapisan bawah secara efisien memancarkan panas ke air di bawah.

Setelah air mencapai titik didih (100 C), ia melepaskan uap yang naik kembali ke perangkat. Kemudian air uap disalurkan melalui lapisan tengah yakni sebuah bahan seperti busa yang selanjutnya memanaskan uap di atas titik didih, sebelum itu dipompa keluar melalui tabung tunggal. "Ini adalah sistem yang sepenuhnya pasif - Anda hanya membiarkannya berada di luar untuk menyerap sinar matahari," kata Thomas Cooper, asisten profesor teknik mesin di Universitas York, yang memimpin pekerjaan sebagai bagian dari postdoc di MIT.

"Anda bisa meningkatkan skala ini menjadi sesuatu yang dapat digunakan di iklim terpencil untuk menghasilkan cukup air minum untuk keluarga, atau mensterilkan peralatan untuk satu ruang operasi," kata Cooper.

Hasil tim ini sendiri dijabarkan secara rinci dalam makalah yang dipublikasikan di Nature Communications. Studi ini termasuk peneliti dari laboratorium Gang Chen, Carl Richard Soderberg, Profesor Teknik di MIT. Sebelumnya, pada tahun 2014, kelompok Chen melaporkan demonstrasi pertama pembangkit uap sederhana yang digerakkan oleh tenaga surya dalam bentuk busa karbon yang dilapisi grafit yang mengapung di air. Struktur ini menyerap dan melokalisasi panas matahari ke permukaan air (panas sebaliknya akan menembus ke bawah melalui air).

Sejak itu, kelompoknya dan tim yang lain telah berupaya meningkatkan efisiensi desain dengan bahanbahan dari berbagai sifat penyerap matahari. Tetapi hampir setiap perangkat telah dirancang untuk mengapung langsung di atas air, dan semuanya mengalami masalah yang sama, yakni kontaminasi, karena permukaannya bersentuhan dengan garam dan kotoran lain dalam air.

Tim memutuskan untuk mendesain perangkat lebih tangguh untuk di atas air. Perangkat ini terstruktur untuk menyerap energi matahari panjang gelombang pendek, dimana pada gilirannya memanaskan perangkat, menyebabkannya untuk reradiate panas ini, dalam bentuk radiasi panjang gelombang inframerah, ke air di bawah.

Menariknya, para peneliti mencatat bahwa panjang gelombang inframerah lebih mudah diserap oleh air, dibandingkan dengan panjang gelombang matahari, yang akan lewat begitu saja. Untuk lapisan atas perangkat, mereka memilih komposit keramik logam yang merupakan penyerap tenaga surya yang sangat efisien.

Mereka melapisi struktur lapisan bawah dengan bahan yang mudah dan efisien memancarkan panas yang tak terhingga. Di antara kedua bahan ini, pada bagian dasarnya mereka mengapung lapisan busa karbon retikulata. Bahan seperti spons yang ditaburi dengan terowongan dan poripori berliku, yang menahan panas matahari yang masuk dan selanjutnya dapat memanaskan uap naik kembali melalui busa.

Para peneliti juga memasang tabung saluran kecil ke salah satu ujung busa, di mana semua uap dapat keluar dan mudah dikumpulkan. Akhirnya, mereka menempatkan perangkat di atas baskom air yang dikelilingi dengan polimer untuk panas melarikan diri. "Ini adalah teknik yang pintar dari material yang berbeda dan bagaimana mereka ditata yang memungkinkan kami untuk mencapai efisiensi yang cukup tinggi dengan pengaturan nonkontak ini," kata Cooper.

Ramah Lingkungan

Pertama tama, para peneliti menguji struktur dengan menjalankan eksperimen di laboratorium, menggunakan simulator surya yang meniru karakteristik sinar matahari alami dengan intensitas yang bervariasi dan terkontrol. Mereka menemukan bahwa struktur itu mampu memanaskan sebuah cekungan kecil air ke titik didih dan menghasilkan uap panas, pada 122 C, di bawah kondisi yang mensimulasikan sinar matahari yang dihasilkan pada hari yang cerah.

Ketika para peneliti meningkatkan intensitas matahari ini sebanyak 1,7 kali, mereka menemukan alat tersebut menghasilkan uap yang lebih panas lagi, pada 144 C. Pada 21 Oktober 2017, mereka menguji perangkat di atap gedung MIT, di bawah kondisi ambien.

Untuk meningkatkan intensitas matahari lebih jauh, para peneliti membangun konsentrator surya sederhana - cermin melengkung yang membantu mengumpulkan dan mengarahkan lebih banyak sinar matahari ke perangkat, sehingga meningkatkan fluks matahari yang masuk, mirip dengan cara kaca pembesar yang dapat digunakan untuk memusatkan sinar matahari untuk memanaskan sepetak trotoar.

Dengan perisai tambahan ini, struktur menghasilkan uap lebih dari 146 C selama 3,5 jam. Dalam percobaan berikutnya, tim mampu menghasilkan uap dari air laut, tanpa mencemari permukaan perangkat dengan kristal garam atau ramah lingkungan.

Dalam serangkaian percobaan lain, mereka juga mampu mengumpulkan dan memadatkan uap untuk menghasilkan air suling murni. "Desain ini benar-benar memecahkan masalah pengotoran dan masalah pengumpulan uap," kata Chen.

nik/berbagai sumber/E-6