Perangkat desalinasi tenaga surya dari Korea menghasilkan 3,4 liter per jam tanpa listrik

Alat penyuling tenaga surya yang sangat efisien dari Korea

Tim peneliti di Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Korea Selatan, mengembangkan perangkat desalinasi bertenaga surya yang dilaporkan mampu menguapkan air dengan laju 3,4 liter per meter persegi per jam di bawah paparan sinar matahari standar. Prototipe ini mengubah air laut menjadi air layak minum tanpa listrik dari luar, dengan memanfaatkan sinar matahari dan material fototermal canggih bernama La0.7Sr0.3MnO3. Perangkat ini juga mengatasi salah satu masalah tersulit dalam desalinasi tenaga surya, yakni penumpukan garam di permukaan evaporator yang menghalangi cahaya dan menghambat kinerja. Dengan mengarahkan garam terlarut menjauhi bagian tengah yang panas menuju tepi, sistem ini dapat bekerja dalam waktu lama sambil menghasilkan uap air bersih yang bisa dikondensasikan menjadi cairan.

Penelitian yang dipimpin Profesor Ji Hyun Jang dari School of Energy and Chemical Engineering UNIST dan diterbitkan di Advanced Energy Materials ini memadukan struktur kapiler sederhana berbahan kertas dengan permukaan fototermal berefisiensi tinggi. Dalam uji ketahanan, perangkat beroperasi stabil selama dua pekan dalam larutan garam dengan kadar 20 persen, jauh di atas salinitas air laut pada umumnya yang sebesar 3,5 persen. Tim tersebut mengatakan desain yang sama dapat mendukung pemulihan sumber daya, termasuk dengan mengkristalkan dan mengumpulkan garam di tepi alih-alih membuang air garam pekat kembali ke laut.

Minat terhadap desalinasi surya pasif meningkat seiring makin banyak wilayah menghadapi tekanan pasokan air. Miliaran orang tidak memiliki akses rutin terhadap air minum yang dikelola dengan aman, sementara masyarakat pesisir kerap bergantung pada instalasi osmosis balik bertenaga diesel yang mahal dioperasikan dan menghasilkan air garam dalam jumlah besar. Sistem modular yang menghasilkan air tawar hanya dengan sinar matahari, minim perawatan, dan tanpa listrik jaringan dapat memenuhi kebutuhan penting di desa terpencil, pulau, lahan pertanian, serta operasi tanggap bencana. Perangkat UNIST ini secara langsung menyasar kebutuhan tersebut, menggantikan infrastruktur instalasi berkapasitas besar dengan material sederhana, geometri cermat, dan sinar matahari.

Cara kerja perangkat

Desain UNIST menggunakan evaporator berbentuk L terbalik yang khas dan dibangun dengan kertas penyerap air. Kertas tersebut bekerja seperti kertas lakmus dan menarik air laut ke atas melalui aksi kapiler. Di bagian atas sisi vertikal terdapat lapisan fototermal penyerap cahaya berbahan La0.7Sr0.3MnO3, oksida perovskit yang mengubah sinar matahari menjadi panas dengan efisiensi tinggi. Saat air laut mencapai permukaan panas ini, air menguap dengan cepat dan meninggalkan garam. Uap air kemudian bergerak ke permukaan yang lebih dingin, tempat uap mengembun dan dikumpulkan sebagai air tawar.

Salah satu fitur utama perangkat ini adalah arah aliran. Tim merancang pergerakan fluida satu arah di permukaan panas sehingga terbentuk gradien konsentrasi garam. Ion terlarut bergerak menuju wilayah dengan aktivitas air yang lebih rendah di dekat tepi dan mengkristal menjadi garam padat di lokasi yang tidak menghalangi cahaya. Efek pembersihan mandiri ini menjaga zona fototermal tengah tetap terbuka terhadap sinar matahari, sekaligus menangkap garam di bagian tepi agar dapat diangkat atau digunakan kembali. Geometri dan jalur aliranlah yang menjalankan fungsi utama, sehingga kebutuhan akan pompa, membran, atau pembersihan manual secara berkala berkurang.

Keunggulan material La0.7Sr0.3MnO3

Inti perangkat ini adalah La0.7Sr0.3MnO3, yang sering disingkat LSMO. Material ini merupakan oksida perovskit, yakni golongan material yang dikenal memiliki sifat optik dan kelistrikan yang dapat disesuaikan. Berbeda dari perovskit halida berbasis timbal yang umum digunakan dalam sel surya, LSMO mengandung lantanum, stronsium, dan mangan serta tidak menggunakan timbal yang mudah menguap atau beracun. Karena itu, material ini menarik untuk aplikasi pengolahan air yang menuntut kestabilan dan keamanan lingkungan.

LSMO unggul sebagai pengubah fototermal karena cara material ini menangani pembawa muatan yang tereksitasi oleh sinar matahari. Sederhananya, material ini membentuk keadaan perangkap dalam struktur elektroniknya. Ketika cahaya mendorong elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi, banyak elektron bergabung kembali tanpa memancarkan cahaya dan melepaskan energinya langsung sebagai panas. Jalur nonradiatif ini, yang sering disebut termalisasi, mengubah sebagian besar energi matahari yang masuk menjadi panas terlokalisasi di permukaan. Pelepasan panas yang efisien menaikkan suhu dengan cepat dan mempercepat penguapan dengan jumlah sinar matahari yang sama.

Mengatasi masalah garam

Pengotoran akibat garam sejak lama menghambat desalinasi tenaga surya. Saat air menguap, garam terlarut menjadi semakin pekat dan akhirnya mengkristal di permukaan panas. Kristal tersebut menghamburkan cahaya dan menghalangi perpindahan panas, sehingga laju penguapan turun tajam. Banyak sistem terdahulu bekerja dengan baik selama beberapa jam, tetapi kemudian harus dibersihkan atau dihentikan sementara untuk membilas garam. Tim UNIST mengatasi tantangan ini melalui geometri dan aliran yang terkontrol, bukan dengan pelapis rumit atau komponen bergerak.

Bentuk L terbalik dan aliran satu arah menghasilkan gradien garam yang stabil, sehingga ion terdorong menjauhi zona panas yang paling terang. Kristal terbentuk dan tumbuh di tepi, tempat garam mudah dikumpulkan. Dalam uji laboratorium, perangkat ini tetap bekerja selama dua pekan, bahkan dalam larutan sangat asin dengan total garam terlarut sebesar 20 persen. Kadar tersebut umum ditemukan pada air garam buangan dari proses industri dan jauh melampaui kadar garam air laut terbuka. Hal ini menunjukkan adanya margin kinerja yang besar untuk pengoperasian dengan air laut di dunia nyata serta kemungkinan penggunaan dalam pemekatan air garam dan pemulihan sumber daya.

Makna angka kinerja

Laju penguapan yang dilaporkan adalah 3,40 kilogram per meter persegi per jam di bawah satu matahari. Istilah satu matahari mengacu pada sinar matahari standar dalam pengujian, sekitar satu kilowatt per meter persegi. Banyak alat penyuling surya pasif menghasilkan sekitar 0,3 hingga 0,4 kilogram per meter persegi per jam dalam pengujian serupa, sehingga prototipe UNIST bekerja delapan hingga sepuluh kali lebih cepat. Dalam praktiknya, produksi air harian bergantung pada paparan sinar matahari setempat sepanjang hari dan efisiensi kondensor yang mengubah uap kembali menjadi cairan. Dengan sinar matahari yang kuat selama beberapa jam, modul seluas satu meter persegi yang beroperasi pada laju tersebut dapat menghasilkan puluhan liter air per hari. Deretan beberapa modul dapat meningkatkan hasil lebih jauh.

Perlu dibedakan antara laju penguapan dan jumlah air minum yang dihasilkan. Angka laboratorium tersebut mengukur massa air yang meninggalkan permukaan panas sebagai uap setiap jam. Sistem nyata harus menangkap dan mengembunkan hampir seluruh uap itu ke dalam wadah bersih sekaligus meminimalkan kehilangan panas. Desain kondensor yang baik, insulasi termal, dan pemanfaatan kembali panas laten dapat membuat hasil keseluruhan sistem mendekati laju evaporator. Tim UNIST juga menyebut kemampuan perangkat mencegah pengotoran sebagai faktor utama yang mendukung keluaran stabil, karena permukaan fototermal yang bersih mempertahankan penyerapan cahaya dan pembangkitan panas dari waktu ke waktu.

Perbandingan dengan desalinasi konvensional

Osmosis balik mendominasi desalinasi modern. Proses ini mendorong air laut melewati membran halus dengan tekanan tinggi untuk menghasilkan air tawar dalam jumlah besar bagi perkotaan dan industri. Kinerja tersebut memiliki konsekuensi. Osmosis balik mengonsumsi beberapa kilowatt jam listrik per meter kubik air yang dihasilkan, memerlukan prapengolahan untuk melindungi membran, dan membuang air garam pekat yang harus dikelola secara bertanggung jawab. Instalasinya membutuhkan investasi modal besar dan biasanya terhubung ke jaringan listrik atau sumber daya khusus.

Evaporator surya pasif seperti rancangan UNIST menghindari tekanan, pompa, dan kebutuhan listrik yang tinggi. Produksi airnya per satuan waktu dan luas memang lebih rendah, tetapi perangkat ini dapat beroperasi tanpa jaringan listrik, tanpa suara, dan dengan perawatan lebih sederhana. Kemampuan mengarahkan kristalisasi garam ke tepi juga mengurangi volume air garam. Di iklim yang sesuai, kumpulan evaporator modular dapat memasok air minum bagi rumah tangga, klinik, atau lahan pertanian, sementara instalasi yang lebih besar dapat memenuhi kebutuhan masyarakat. Bagi perkotaan, penguapan tenaga surya kemungkinan lebih cocok sebagai pelengkap daripada pengganti instalasi berkapasitas besar, yakni sebagai cadangan yang tangguh atau solusi bagi permukiman terpencil di pinggiran jaringan listrik.

Penerapan dan jalur implementasi

Perangkat ini ditujukan untuk lokasi dengan pasokan listrik jaringan terbatas dan sedikit tenaga perawatan. Masyarakat pulau, desa nelayan, dan lahan pertanian pesisir termasuk dalam kategori tersebut. Begitu pula operasi kemanusiaan setelah badai, gempa bumi, atau konflik yang merusak infrastruktur air. Konsep tim ini bersifat modular, sehingga dapat diterapkan sebagai panel tunggal untuk kebutuhan kecil atau sebagai kelompok modul untuk kebutuhan lebih besar. Suara yang minim dan ketiadaan peralatan bertekanan tinggi juga membuatnya cocok untuk sekolah dan klinik, tempat keandalan dan keselamatan sangat penting.

Karena desain ini mengarahkan garam ke tepi, sistem tersebut juga dapat berfungsi sebagai alat pemulihan sumber daya. Alih-alih membuang air garam pekat, operator dapat mengumpulkan garam kering dan mineral lain yang mengkristal. Hal itu dapat mengurangi dampak lingkungan dan menciptakan sumber pendapatan kecil. Tim tersebut mengusulkan versi mendatang yang menggabungkan banyak evaporator berbentuk L terbalik ke dalam modul lebih besar, sehingga pemasangan dan perawatan di lapangan dapat dilakukan dengan lebih mudah.

Peningkatan skala dan tantangan rekayasa

Peralihan dari prototipe laboratorium ke perangkat lapangan membutuhkan perhatian cermat terhadap material, manufaktur, dan pengelolaan panas. Sumbu kertas pada evaporator harus mampu bertahan selama berbulan-bulan dalam siklus basah dan kering, menghadapi pengotoran biologis dari organisme laut, serta paparan ultraviolet. Permukaan fototermal harus mempertahankan penyerapan cahaya dan konversi panas dengan degradasi minimal. LSMO adalah oksida perovskit dengan kestabilan termal yang baik, suatu keunggulan. Metode produksi akan berpengaruh terhadap biaya. Teknik pelapisan merata pada area luas dengan suhu rendah dapat menekan biaya dan meningkatkan konsistensi hasil.

Kondensasi dan pemulihan panas sangat penting bagi efisiensi sistem. Setiap kilogram uap membawa sejumlah besar panas laten. Desain yang mengembunkan uap pada permukaan yang berbagi panas dengan air laut yang masuk dapat mendaur ulang energi tersebut dan meningkatkan hasil keseluruhan. Selungkup perlu meminimalkan kehilangan panas dan kebocoran uap, tetapi tetap mudah dibersihkan. Debu, percikan air, dan kristal garam harus ditangani dengan prosedur pembersihan sederhana. Uji ketahanan tim pada kadar garam yang sangat tinggi menunjukkan hasil menjanjikan, tetapi uji coba selama beberapa bulan di lingkungan pesisir akan membantu membuktikan ketangguhan jangka panjang dan kebutuhan perawatannya. Kemitraan dengan organisasi bantuan dan perusahaan utilitas setempat dapat mendukung uji coba tersebut serta membantu menentukan pilihan desain untuk berbagai iklim.

Pertimbangan iklim dan keberlanjutan

Desalinasi surya menawarkan keunggulan iklim yang jelas untuk lokasi di luar jaringan listrik. Teknologi ini menggantikan listrik dengan sinar matahari serta menghindari konsumsi bahan bakar dan emisi generator diesel. Namun, dampak sepanjang siklus hidup tetap perlu diperhatikan, mulai dari pengadaan lantanum dan stronsium hingga pembuatan penyerap dan wadah. Material tahan lama dan perakitan sederhana dapat memperpanjang masa operasional serta menyebarkan jejak karbon produksi selama bertahun-tahun masa pakai. Ketiadaan pompa bertekanan tinggi mengurangi penggunaan energi sekaligus kebisingan, sehingga bermanfaat bagi masyarakat pesisir dan satwa liar.

Aliran limbahnya berbeda dari instalasi konvensional. Dengan mengkristalkan garam di tepi, pendekatan UNIST dapat mengurangi pembuangan air garam pekat ke perairan dekat pantai. Jika memungkinkan, garam yang dikumpulkan dapat digunakan kembali dalam proses industri atau dikembalikan dengan aman ke tambak garam. Hal ini sejalan dengan upaya agar desalinasi lebih selaras dengan ekosistem laut dan tujuan pembangunan global terkait air bersih dan sanitasi. Seiring perubahan iklim memicu kekeringan dan gelombang panas yang lebih intens, teknologi praktis untuk mengubah air laut yang melimpah menjadi air minum aman dengan energi minimal akan menjadi bagian dari banyak rencana adaptasi lokal.

Hal yang Perlu Diketahui

• Peneliti UNIST membuat perangkat desalinasi surya tanpa listrik yang dilaporkan menghasilkan 3,40 kilogram per meter persegi per jam di bawah satu matahari.
• Desainnya menggunakan sumbu kertas dan geometri berbentuk L terbalik untuk mengalirkan air laut ke permukaan fototermal.
• Lapisan fototermalnya berbahan La0.7Sr0.3MnO3, oksida perovskit yang mengubah sinar matahari menjadi panas melalui rekombinasi nonradiatif.
• Aliran satu arah mendorong garam ke tepi, sehingga mengurangi pengotoran dan hambatan cahaya di bagian tengah yang panas.
• Uji ketahanan menunjukkan perangkat beroperasi stabil selama dua pekan dalam larutan dengan kadar garam 20 persen, lebih tinggi daripada kadar garam air laut normal.
• Alat penyuling surya pasif umumnya menghasilkan 0,3 hingga 0,4 kilogram per meter persegi per jam, sehingga laju yang dilaporkan sekitar delapan hingga sepuluh kali lebih tinggi.
• Konsep ini mendukung pemanenan garam dan mengurangi pembuangan air garam cair dibandingkan banyak pendekatan konvensional.
• Deretan modul dapat memasok air tanpa jaringan listrik bagi desa, klinik, pulau, dan operasi tanggap bencana.
• Penelitian ini diterbitkan di Advanced Energy Materials dan dipimpin Profesor Ji Hyun Jang, dengan Dr. Saurav Chaule sebagai penulis utama.
• Uji lapangan, desain kondensor, dan manufaktur yang dapat ditingkatkan skalanya akan menentukan hasil dan biaya di dunia nyata.