Sumber Energi yang Dirancang untuk Bertahan Melampaui Peradaban
Bayangkan sebuah perangkat yang tidak pernah perlu diisi ulang. Tidak sekali pun selama hidup Anda. Tidak selama hidup anak-anak, cucu, bahkan cicit Anda. Gagasan ini beralih dari fiksi ilmiah menjadi kenyataan laboratorium pada Desember 2024, ketika para peneliti di University of Bristol dan UK Atomic Energy Authority memperkenalkan prototipe yang menantang semua anggapan kita tentang penyimpanan energi.
Daftar Isi
Baterai berlian karbon-14 menghasilkan listrik melalui peluruhan radioaktif dengan waktu paruh 5.700 tahun. Artinya, perangkat ini masih mempertahankan setengah dari keluaran daya awalnya setelah hampir enam milenium, cukup lama untuk menjembatani jarak antara peradaban kuno dan teknologi modern. Tidak seperti baterai litium-ion yang mengalami penurunan kinerja dalam hitungan tahun, atau bahkan panel surya yang membutuhkan sinar matahari, sumber daya ini beroperasi terus-menerus, tersegel di dalam zat alami paling keras yang diketahui di Bumi.
Profesor Tom Scott, Profesor Material di University of Bristol, memimpin tim di balik inovasi ini. Kelompok penelitiannya telah bertahun-tahun mengembangkan metode untuk mengubah bahan radioaktif menjadi sumber energi yang berguna. Upaya itu berpuncak pada perangkat bukti konsep ini, yang dapat mengubah cara kita memikirkan pasokan daya untuk lingkungan yang sulit dijangkau. Pengumuman tersebut menandai tonggak penting dalam penelitian material nuklir, dengan menunjukkan bahwa produk limbah dari reaktor fisi dapat menjadi aset, bukan beban.
Umur baterai ini melampaui pemahaman konvensional tentang penyimpanan energi. Baterai isi ulang modern biasanya bertahan antara 500 hingga 1.000 siklus pengisian sebelum mengalami penurunan kinerja yang signifikan. Sementara itu, perangkat berbasis berlian ini masih akan menghasilkan daya yang berguna ketika catatan sejarah masa kini telah memudar dan menjadi keingintahuan arkeologis. Fisika dasar peluruhan karbon-14 memberikan keandalan bak mekanisme jam yang tidak dapat ditandingi baterai kimia.
Stabilitas ini membuat teknologi tersebut sangat bernilai untuk aplikasi yang tidak boleh gagal dan tidak mungkin dirawat. Prototipe ini bukan sekadar peningkatan bertahap dalam kimia baterai, melainkan pemikiran ulang mendasar tentang cara memasok daya bagi perangkat dalam rentang waktu berabad-abad, bukan berjam-jam.
Bagaimana Peluruhan Radioaktif Menghasilkan Listrik
Untuk memahami cara kerja baterai ini, perhatikan prinsip di balik panel surya. Sel fotovoltaik konvensional menangkap energi dari partikel cahaya yang disebut foton, lalu mengubahnya menjadi listrik. Baterai berlian bekerja dengan prinsip serupa yang disebut beta-voltaik. Namun, alih-alih memanen sinar matahari, baterai ini menangkap elektron yang bergerak cepat dan dilepaskan oleh atom karbon-14 yang meluruh.
Karbon-14 adalah isotop radioaktif yang terkenal dalam arkeologi. Para ilmuwan menggunakannya untuk menentukan usia bahan organik purba berdasarkan laju peluruhannya yang dapat diprediksi. Saat meluruh, isotop ini memancarkan radiasi beta dengan jangkauan pendek dan melepaskan elektron berenergi tinggi. Dalam baterai berlian, karbon-14 ditanamkan di dalam lapisan berlian sintetis. Ketika isotop tersebut meluruh, partikel beta yang dipancarkannya diubah menjadi arus listrik oleh sifat semikonduktor berlian.
Struktur berlian memiliki dua fungsi: menghasilkan daya sekaligus bertindak sebagai pelindung radiasi yang kedap. Karena karbon-14 hanya memancarkan radiasi dengan jangkauan pendek, selubung berlian menyerap seluruh emisi yang berpotensi berbahaya di dalamnya. Dalam operasi normal, tidak ada radiasi yang keluar dari perangkat, sehingga baterai ini aman digunakan pada implan medis dan produk konsumen.
Sarah Clark, Direktur Siklus Bahan Bakar Tritium di UKAEA, menjelaskan mekanisme keselamatan di balik teknologi ini.
Baterai berlian menawarkan cara yang aman dan berkelanjutan untuk menyediakan daya tingkat mikrowatt secara terus-menerus. Ini adalah teknologi yang sedang berkembang, yang menggunakan berlian buatan untuk membungkus sejumlah kecil karbon-14 dengan aman.
Prototipe baterai ini berukuran sekitar 10 milimeter kali 10 milimeter dengan ketebalan hingga 0,5 milimeter. Bentuknya yang ringkas menghasilkan daya tingkat mikrowatt secara terus-menerus, cukup untuk perangkat berenergi rendah, tetapi jauh di bawah kebutuhan ponsel pintar atau kendaraan listrik.
Mengubah Limbah Nuklir Menjadi Energi
Aspek paling menarik dari teknologi ini mungkin adalah sumber bahan bakunya. Karbon-14 yang digunakan dalam baterai ini berasal dari blok grafit yang dikeluarkan dari reaktor fisi nuklir. Jika tidak dimanfaatkan, material tersebut harus disimpan sebagai limbah radioaktif dalam jangka panjang dengan biaya tinggi. Inggris saja menyimpan sekitar 95.000 ton blok grafit ini, yang sekaligus menjadi tantangan penyimpanan dan sumber daya yang belum dimanfaatkan.
Dengan mengekstrak karbon-14 dari grafit reaktor, para ilmuwan sekaligus mengurangi volume limbah nuklir dan menciptakan aset energi yang bernilai. Prosesnya melibatkan penempatan bahan radioaktif di dalam berlian sintetis yang ditumbuhkan melalui deposisi uap kimia dengan bantuan plasma. Para teknisi di Kampus Culham milik UKAEA membangun perangkat deposisi plasma khusus untuk membuat lapisan berlian ini dengan presisi, mengunci bahan radioaktif dengan aman sekaligus memaksimalkan penangkapan energi.
Teknik manufaktur ini berakar langsung pada penelitian energi fusi. Keahlian UKAEA dalam menangani bahan radioaktif, deposisi plasma, dan manufaktur semikonduktor khusus, yang awalnya dikembangkan untuk reaktor tokamak, diterapkan dalam proyek baterai berlian. Kolaborasi ini menunjukkan bagaimana investasi dalam penelitian fisika dasar dapat menghasilkan penerapan praktis yang tak terduga.
Profesor Neil Fox, Profesor Material untuk Energi di University of Bristol, menekankan kemampuan pelindung dari selubung berlian.
Berlian adalah zat paling keras yang diketahui manusia; benar-benar tidak ada bahan lain yang dapat memberikan perlindungan lebih baik.
Ketika baterai ini akhirnya mencapai akhir masa pakainya, baterai dapat dikembalikan kepada produsen untuk didaur ulang atau dibuang secara terkendali. Karbon-14 tetap terbungkus dengan aman sepanjang siklus hidupnya, sehingga kebutuhan energi dan persoalan lingkungan sama-sama tertangani. Satu gram karbon-14 dapat menghasilkan listrik sebesar 15 joule per hari dan bertahan berabad-abad lebih lama daripada baterai konvensional.
Aplikasi yang Mengutamakan Ketahanan daripada Daya
Baterai berlian menghasilkan daya tingkat mikrowatt, jauh di bawah kebutuhan ponsel pintar atau kendaraan listrik. Namun, keterbatasan ini justru menjadi keunggulan dalam situasi tertentu, ketika ketahanan dan keandalan lebih penting daripada keluaran daya besar. Teknologi ini unggul di lingkungan tempat penggantian baterai berbahaya, mahal, atau mustahil dilakukan.
Implan medis menjadi salah satu bidang yang paling menjanjikan. Alat pacu jantung, alat bantu dengar, dan perangkat mata yang digunakan saat ini mengandalkan baterai konvensional yang perlu diganti melalui operasi setiap lima hingga sepuluh tahun. Setiap prosedur penggantian membawa risiko infeksi, komplikasi, dan waktu pemulihan. Baterai berlian dapat memasok daya bagi perangkat tersebut sepanjang hidup pasien, sehingga menghilangkan kebutuhan akan operasi berulang dan menekan biaya layanan kesehatan. Bagi pasien di daerah terpencil yang sulit menjangkau fasilitas medis, ketahanan baterai ini dapat mengubah hidup mereka.
Eksplorasi antariksa juga cocok untuk teknologi ini. Wahana antariksa dan satelit yang menjelajahi ruang angkasa jauh pada akhirnya kehilangan kontak ketika panel surya tak lagi menangkap cukup sinar matahari atau baterai konvensional habis. Voyager 1, benda buatan manusia yang paling jauh dari Bumi, mengandalkan baterai nuklir konvensional dengan masa pakai terbatas. Sumber daya karbon-14 dapat menjaga instrumen dan sistem komunikasi tetap beroperasi selama puluhan atau ratusan tahun, memungkinkan misi yang melampaui batas teknologi saat ini.
Tag frekuensi radio pada wahana antariksa atau muatan dapat terus dilacak selama ribuan tahun, sehingga mengurangi biaya operasional sekaligus memperpanjang masa misi. Baterai ini beroperasi efektif dalam suhu ekstrem, dari minus 60 derajat Celsius hingga plus 120 derajat Celsius, tanpa mengalami pengosongan daya sendiri. Karena itu, teknologi ini ideal untuk lingkungan yang keras.
Aplikasi jarak jauh di Bumi mencakup stasiun pemantauan Arktik, sensor bawah laut untuk infrastruktur minyak dan gas, serta perangkat keamanan di lokasi yang sulit dijangkau. Sistem apa pun yang perlu beroperasi tanpa pengawasan selama puluhan tahun dapat memanfaatkan teknologi ini. Tag frekuensi radio aktif dapat digunakan untuk mengidentifikasi dan melacak perangkat di Bumi maupun di luar angkasa selama puluhan tahun, sehingga menekan biaya dan memperpanjang masa operasional.
Persaingan Global Baterai Atom
Bristol dan UKAEA menjadi sorotan dengan prototipe karbon-14 pertama, tetapi bukan satu-satunya pihak yang mengembangkan baterai nuklir. Teknologi ini memicu persaingan internasional. Tim peneliti di China, Amerika Serikat, dan Eropa berlomba mengomersialkan perangkat serupa dengan isotop radioaktif yang berbeda.
Beijing Betavolt New Energy Technology di China mengumumkan rancangan pesaing yang menggunakan nikel-63, bukan karbon-14. Baterai BV100 mereka, yang diperkenalkan pada awal 2024, berukuran 15 milimeter kali 15 milimeter kali 5 milimeter dan menghasilkan daya 100 mikrowatt pada tegangan 3 volt. Pendekatan nikel-63 ini menawarkan masa pakai 50 tahun, jauh lebih singkat daripada karbon-14. Namun, Betavolt berencana meluncurkan versi satu watt pada akhir tahun ini yang dapat memasok daya bagi perangkat elektronik konsumen melalui sambungan seri.
Infinity Power yang berbasis di California juga ikut bersaing pada 2024 dengan mengembangkan baterai sel koin nikel-63, serupa dengan pendekatan Betavolt. Sementara itu, para peneliti di Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology di Korea Selatan telah bereksperimen dengan sel beta-voltaik yang menggunakan berbagai radioisotop, termasuk isotop karbon dan hidrogen.
Tim Bristol memiliki keunggulan tersendiri dalam hal ketahanan untuk aplikasi tertentu. Baterai nikel-63 menawarkan masa pakai puluhan tahun yang sesuai untuk perangkat elektronik konsumen, sedangkan waktu paruh karbon-14 selama 5.700 tahun memberikan keunggulan mendasar untuk aplikasi berdurasi sangat panjang yang tidak memungkinkan perawatan. Profesor Scott mendirikan Arkenlight, sebuah usaha komersial, untuk membangun kemitraan industri dan mengevaluasi peluang pasar bagi teknologi karbon-14.
Pendekatan China berfokus pada komersialisasi jangka pendek untuk sektor kedirgantaraan, peralatan kecerdasan buatan, dan robot mikro. Sementara itu, tim Inggris menitikberatkan perangkat medis dan aplikasi ruang angkasa jauh yang membutuhkan ketahanan luar biasa. Kedua pendekatan ini sama-sama bertujuan menghilangkan kebutuhan perawatan dan penggantian baterai dalam sistem penting.
Tantangan Menuju Pasar
Masih ada hambatan besar sebelum baterai berlian digunakan pada perangkat medis atau wahana antariksa. Bahan baku gas untuk membuat berlian karbon-14 murni berharga sekitar $46.000 per liter, sehingga peningkatan skala produksi menjadi tantangan ekonomi. Proses manufakturnya memerlukan reaktor deposisi uap kimia aliran statis khusus yang dipasang di fasilitas penanganan aktif, sehingga kapasitas produksi terbatas.
Persetujuan regulator menjadi hambatan rumit lainnya. Meski selubung berlian yang tertutup rapat menyederhanakan sertifikasi keselamatan dibandingkan teknologi nuklir lainnya, setiap perangkat yang mengandung bahan radioaktif memerlukan pengujian dan pengawasan menyeluruh. Aplikasi medis menghadapi persyaratan yang sangat ketat untuk memastikan keselamatan pasien selama puluhan tahun perangkat tersebut ditanamkan.
Persepsi publik juga memengaruhi peluang adopsi. Meski karbon-14 yang terbungkus rapat aman secara teknis, istilah "radioaktif" memiliki stigma yang dapat menghambat penerimaan di pasar konsumen. Komunikasi yang transparan mengenai mekanisme pembungkus dan keselamatan radiasi akan sangat penting agar teknologi ini digunakan secara luas.
Profesor Scott tetap optimistis bahwa tantangan-tantangan tersebut dapat diatasi melalui penelitian berkelanjutan. Ia memaparkan rencana pengembangan untuk dekade mendatang.
Teknologi daya mikro kami dapat mendukung beragam aplikasi penting, mulai dari teknologi antariksa dan perangkat keamanan hingga implan medis. Kami antusias dapat mengeksplorasi semua kemungkinan ini bersama mitra industri dan penelitian dalam beberapa tahun ke depan. Kami ingin menggunakan teknologi ini untuk memajukan umat manusia.
Fokus dekade mendatang adalah meningkatkan skala produksi dan kinerja daya. Keberhasilan dalam meningkatkan skala manufaktur dapat menekan biaya dan memungkinkan penerapan yang lebih luas, tidak hanya di sektor khusus medis dan kedirgantaraan.
Poin-Poin Utama
- Para peneliti di University of Bristol dan UK Atomic Energy Authority menciptakan baterai berlian karbon-14 pertama di dunia pada Desember 2024
- Baterai ini memanfaatkan peluruhan radioaktif karbon-14 dengan waktu paruh 5.700 tahun, menghasilkan daya tingkat mikrowatt secara terus-menerus selama ribuan tahun
- Karbon-14 diekstrak dari blok grafit reaktor nuklir, mengubah limbah radioaktif menjadi sumber energi tertutup
- Berlian sintetis berfungsi sebagai semikonduktor sekaligus pelindung radiasi, menyerap seluruh partikel yang dipancarkan sambil menghasilkan listrik
- Aplikasinya mencakup implan medis (alat pacu jantung, alat bantu dengar), wahana antariksa untuk menjelajahi ruang angkasa jauh, sensor jarak jauh, dan tag pelacak frekuensi radio
- Teknologi pesaing dari China (Betavolt) dan AS menggunakan nikel-63, dengan masa pakai lebih pendek tetapi peluang komersialisasi lebih dekat
- Peluncuran komersial memerlukan peningkatan skala proses manufaktur dan persetujuan regulator. Saat ini, biaya produksinya mencapai $46.000 per liter gas bahan baku
