Ilmuwan Memanfaatkan Fotosintesis Buatan untuk Mengubah Karbon Dioksida Menjadi Bahan Bakar dengan Sinar Matahari

Meniru Alam untuk Menggerakkan Masa Depan

Para peneliti China telah mencapai kemajuan signifikan dalam teknologi energi bersih dengan mengembangkan sistem yang mengubah karbon dioksida dan air menjadi bahan kimia dasar bernilai tinggi hanya dengan menggunakan sinar matahari. Terobosan yang dipaparkan dalam jurnal Nature Communications yang ditelaah sejawat ini terinspirasi oleh fotosintesis, proses alami yang digunakan tumbuhan untuk menghasilkan energi dari sinar matahari, air, dan karbon di atmosfer.

Tim peneliti yang terdiri atas ilmuwan dari Akademi Ilmu Pengetahuan China dan Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong menciptakan material khusus yang mampu menyimpan sejumlah kecil energi listrik. Kemampuan menyimpan energi ini sangat penting untuk mendorong reaksi kimia yang diperlukan guna mengubah karbon dioksida menjadi senyawa berguna tanpa bergantung pada bahan bakar fosil.

Ketika dipadukan dengan katalis yang memfasilitasi konversi karbon dioksida, sistem ini memungkinkan produksi karbon monoksida dengan tenaga surya. Zat kimia perantara ini selanjutnya dapat diolah menjadi bahan bakar hidrokarbon cair, sehingga membuka kemungkinan untuk memasok energi bagi sektor-sektor yang masih sulit dialiri listrik, termasuk penerbangan dan pelayaran.

Cara Kerja Fotosintesis Buatan

Proses mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar dengan menggunakan sinar matahari, yang dikenal sebagai fotokatalisis atau fotosintesis buatan, telah lama menjadi tujuan penelitian energi bersih. Fotosintesis alami memungkinkan tumbuhan menyimpan energi surya dalam ikatan kimia, dengan menghasilkan gula dari karbon dioksida dan air. Para ilmuwan berupaya meniru efisiensi ini di laboratorium untuk menciptakan alternatif bahan bakar berkelanjutan yang dapat menggantikan produk minyak bumi.

Tim China mengatasi tantangan penting dalam fotosintesis buatan: kebutuhan untuk menghubungkan beberapa reaksi kimia kompleks secara bersamaan. Sistem alami menggunakan mekanisme biologis canggih untuk menyimpan sementara elektron yang dihasilkan cahaya, sehingga memfasilitasi transfer energi yang efisien di antara berbagai tahapan reaksi. Para peneliti meniru strategi ini dengan merekayasa material tungsten trioksida yang dimodifikasi perak dan berfungsi sebagai penampung muatan.

Tim peneliti menjelaskan strategi terobosan mereka dalam makalah yang diterbitkan.

Penelitian ini memperkenalkan strategi penampung muatan yang terinspirasi dari sistem biologis untuk fotoreduksi karbon dioksida yang efisien, sekaligus menawarkan pendekatan universal untuk produksi bahan bakar surya.

Material ini menyimpan elektron saat terpapar cahaya dan melepaskannya sesuai kebutuhan untuk mendorong reaksi kimia. Kinerja sistem ini sebanding dengan pendekatan yang menggunakan zat pengorban organik, yang kerap tidak berkelanjutan, sekaligus dapat diterapkan secara luas jika dipadukan dengan berbagai katalis. Dalam kondisi sinar matahari alami, material tersebut berhasil memicu reaksi konversi, menunjukkan kelayakannya untuk penerapan bahan bakar surya secara praktis tanpa memerlukan pencahayaan buatan atau sumber daya eksternal.

Persaingan Global Makin Ketat

Terobosan China ini hadir di tengah persaingan internasional yang kian intens untuk mengembangkan teknologi bahan bakar surya yang layak digunakan. Para peneliti di seluruh dunia mengembangkan berbagai pendekatan untuk mengubah karbon dioksida di atmosfer menjadi sumber energi yang dapat dimanfaatkan, masing-masing dengan strategi teknis dan aplikasi sasaran yang berbeda. Berbagai kemajuan yang berlangsung bersamaan ini menunjukkan bahwa teknologi tersebut kian mendekati kelayakan komersial setelah puluhan tahun diteliti di laboratorium.

Di Swiss, para ilmuwan di ETH Zurich yang dipimpin Profesor Aldo Steinfeld telah mengembangkan instalasi industri yang mengekstraksi karbon dioksida dan air langsung dari udara sekitar. Dengan menggunakan energi surya terkonsentrasi, fasilitas ini memisahkan kedua senyawa tersebut untuk menghasilkan gas sintesis, campuran hidrogen dan karbon monoksida, yang kemudian diolah menjadi minyak tanah dan metanol. Minyak tanah surya ini hanya melepaskan karbon dioksida sebanyak yang diserap selama proses produksinya, sehingga mencapai netralitas karbon. Teknologi ini telah cukup maju untuk diterapkan secara komersial, dengan pendanaan yang telah diperoleh untuk fasilitas produksi skala industri di Jerman. Fasilitas tersebut diharapkan dapat menunjukkan kelayakan ekonomi proses ini.

Para peneliti Jepang juga telah memecahkan rekor efisiensi sebelumnya dengan menggunakan pendekatan berbeda. Ilmuwan dari Institut Sains Tokyo dan Universitas Hiroshima mengembangkan fotokatalis oksihalida berbasis timbal yang baru, yang meningkatkan aktivitas produksi hidrogen hingga 60 kali lipat dibandingkan metode konvensional. Material mereka mencapai hasil kuantum rekor sekitar 15 persen untuk produksi hidrogen dan 10 persen untuk mengubah karbon dioksida menjadi asam format, bahan bakar cair. Profesor Kazuhiko Maeda, salah satu pemimpin penelitian tersebut, menjelaskan pentingnya perbaikan struktural ini.

Studi ini menegaskan pentingnya mengendalikan morfologi oksihalida untuk membuka potensi penuhnya sebagai fotokatalis.

Sementara itu, para peneliti di Universitas Cambridge mengembangkan reaktor alir bertenaga surya yang menangkap karbon dioksida langsung dari atmosfer dengan menggunakan filter khusus. Perangkat ini menyerap karbon dioksida pada malam hari dan mengubahnya menjadi gas sintesis saat terkena sinar matahari, tanpa menggunakan sumber daya eksternal, kabel, atau baterai. Cermin memusatkan sinar matahari untuk mendorong reaksi kimia, menawarkan pendekatan terdesentralisasi yang dapat memungkinkan produksi bahan bakar di lokasi terpencil tanpa sambungan ke jaringan listrik.

Ilmuwan India juga berkontribusi dalam upaya global ini. Profesor Indrajit Shown dari Institut Teknologi dan Sains Hindustan di Chennai mengembangkan material berbasis seng dan sulfur yang menangkap sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi asetaldehida, bahan untuk membuat bahan bakar. Sistem ini beroperasi sekitar 200 kali lebih efisien daripada metode sebelumnya dengan menggunakan sinar matahari biasa, bukan peralatan pencahayaan khusus. Profesor Shown menekankan tujuan praktis di balik penelitian tersebut.

Penelitian ini bertujuan menemukan cara nyata untuk membantu planet kita, bukan sekadar mencapai kemajuan ilmiah.

Sifat internasional dari berbagai kemajuan ini menunjukkan bahwa teknologi bahan bakar surya kian matang melalui sejumlah jalur pengembangan independen, sehingga meningkatkan kemungkinan setidaknya satu pendekatan berhasil secara komersial.

Menyasar Penerbangan dan Pelayaran

Potensi penerapan teknologi ini mencakup sektor-sektor di luar transportasi konvensional yang menghadapi tantangan khusus dalam elektrifikasi. Penerbangan, pelayaran, dan industri berat sangat bergantung pada bahan bakar hidrokarbon cair karena kepadatan energinya yang tinggi dan kesesuaiannya dengan infrastruktur yang sudah ada. Secara keseluruhan, sektor-sektor ini menyumbang bagian besar dari emisi karbon dioksida global, tetapi sulit beralih ke teknologi baterai listrik atau sel bahan bakar hidrogen.

Penerbangan menghadapi tantangan yang sangat besar dalam upaya mengurangi emisi karbon. Pesawat membutuhkan bahan bakar dengan kepadatan energi sangat tinggi agar bobot dan jangkauannya tetap memadai. Teknologi baterai saat ini tidak mampu menyediakan penyimpanan energi yang cukup untuk penerbangan jarak jauh tanpa menambah bobot secara berlebihan hingga membuat operasi komersial tidak layak. Industri penerbangan saat ini menghasilkan sekitar 3 persen emisi karbon dioksida akibat aktivitas manusia di seluruh dunia. Angka ini diperkirakan meningkat seiring jumlah penumpang yang bertambah hingga 7,5 miliar per tahun pada 2035.

Bahan bakar yang dihasilkan dengan tenaga surya menawarkan solusi menarik karena dapat langsung menggantikan bahan bakar fosil konvensional. Minyak tanah yang dihasilkan dari karbon dioksida dan sinar matahari dapat menggerakkan mesin pesawat yang ada tanpa modifikasi, sementara metanol dapat digunakan sebagai bahan bakar kapal atau bahan baku kimia untuk produksi farmasi. Karena bahan bakar ini hanya melepaskan karbon dioksida yang ditangkap selama proses produksinya, bahan bakar tersebut menciptakan siklus karbon tertutup yang menghindari penambahan gas rumah kaca baru ke atmosfer sekaligus memanfaatkan infrastruktur distribusi bahan bakar yang sudah ada.

Asosiasi Transportasi Udara Internasional menyebut bahan bakar penerbangan berkelanjutan sebagai unsur penting untuk mencapai emisi karbon dioksida nol bersih pada 2050. Badan Energi Internasional memperkirakan bahan bakar tersebut dapat memenuhi 10 persen kebutuhan bahan bakar penerbangan pada 2030, lalu meningkat menjadi hampir 20 persen pada 2040. Namun, penggunaan bahan bakar berkelanjutan saat ini masih di bawah 0,1 persen dari total konsumsi. Ini menunjukkan besarnya peningkatan skala yang diperlukan untuk mencapai target tersebut, sekalipun teknologi ini telah terbukti dalam uji laboratorium dan percontohan.

Hambatan Penerapan Komersial

Meski kemajuan ilmiahnya luar biasa, sejumlah hambatan besar masih menghalangi adopsi luas teknologi bahan bakar surya. Biaya tetap menjadi penghalang utama kelayakan komersial. Para peneliti Swiss memperkirakan minyak tanah surya yang diproduksi dalam skala besar akan berharga antara 1,35 dolar dan 2,20 dolar per liter. Meski ini merupakan kemajuan menuju daya saing dengan bahan bakar jet konvensional, kebutuhan investasi awal yang besar untuk membangun instalasi skala industri mempersulit penerapan dan menimbulkan risiko bagi investor awal.

Kendala geografis juga membatasi potensi produksi. Produksi bahan bakar surya membutuhkan sinar matahari yang melimpah, sehingga wilayah gurun menjadi lokasi ideal bagi fasilitas. Namun, pengangkutan bahan bakar dari lokasi gurun terpencil ke pusat-pusat transportasi utama membutuhkan investasi infrastruktur yang besar dan koordinasi logistik. Tidak seperti biofuel, yang kerap bersaing dengan produksi pangan untuk mendapatkan lahan pertanian, bahan bakar surya dapat memanfaatkan wilayah gurun yang tidak cocok untuk pertanian. Dengan demikian, lahan pertanian berharga dapat dipertahankan untuk tanaman pangan dan peternakan, sementara wilayah dengan paparan sinar matahari tinggi dimanfaatkan.

Tantangan teknis masih ada dalam meningkatkan efisiensi konversi dan daya tahan sistem. Meski terobosan terbaru menunjukkan peningkatan besar dibandingkan teknologi sebelumnya, sistem saat ini masih hanya mengubah sebagian kecil energi surya yang tersedia menjadi ikatan kimia. Sebagai perbandingan, fotosintesis alami bekerja dengan efisiensi sekitar 1 persen, sementara pencapaian laboratorium terbaru mencapai 13 hingga 15 persen pada tahapan reaksi tertentu, menurut penelitian yang diterbitkan di Science. Penelitian selanjutnya perlu berfokus pada pengembangan katalis yang lebih efisien, perbaikan mekanisme pemisahan muatan, dan penciptaan sistem yang berfungsi secara andal dalam kondisi nyata, bukan hanya di lingkungan laboratorium terkendali dengan suhu dan tingkat kelembapan yang konsisten.

Dukungan kebijakan tampaknya sangat penting untuk menjembatani kesenjangan antara keberhasilan di laboratorium dan penerapan komersial. Para peneliti menyarankan penerapan sistem kuota yang mewajibkan maskapai penerbangan menggunakan bahan bakar dari sumber berkelanjutan dalam proporsi tertentu, sehingga menciptakan permintaan yang terjamin dan dapat membenarkan investasi infrastruktur. Kerangka peraturan semacam itu dapat mempercepat peningkatan skala dan menekan biaya melalui peningkatan volume produksi, mengikuti model yang berhasil menurunkan biaya panel fotovoltaik surya dan turbin angin selama dua dekade terakhir.

Hal-Hal Penting

• Ilmuwan China mengembangkan sistem terinspirasi tumbuhan yang menggunakan tungsten trioksida termodifikasi perak untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi bahan baku bahan bakar dengan sinar matahari. Penelitian ini diterbitkan di Nature Communications.
• Teknologi ini menggunakan strategi penampung muatan yang menyimpan energi listrik untuk mendorong reaksi kimia, sehingga menghilangkan kebutuhan akan zat pengorban yang tidak berkelanjutan.
• Upaya penelitian serupa di Swiss, Jepang, Inggris, dan India mengembangkan teknologi bahan bakar surya dengan pendekatan dan tingkat efisiensi yang beragam.
• Bahan bakar surya sangat menjanjikan untuk mengurangi emisi dari penerbangan dan pelayaran, sektor-sektor yang sulit dialiri listrik karena membutuhkan kepadatan energi tinggi.
• Perkiraan biaya minyak tanah surya saat ini berkisar antara 1,35 hingga 2,20 dolar per liter, dengan investasi infrastruktur yang besar diperlukan untuk produksi skala besar.
• Badan Energi Internasional memperkirakan bahan bakar penerbangan berkelanjutan dapat memenuhi 10% kebutuhan pada 2030 dan 20% pada 2040 jika tantangan peningkatan skala dapat diatasi.