Sebuah penelitian yang dilakukan oleh para ilmuwan dari California Institute of Technology (Caltech) dan Northwestern University menunjukkan bahwa listrik dapat dihasilkan ketika air laut mengalir di atas lapisan karat yang sangat tipis – besi oksida. Lapisan tipis karat ini merupakan salah satu cara yang sama sekali baru dalam menghasilkan listrik dan dapat digunakan untuk mengembangkan bentuk-bentuk baru dalam menghasilkan listrik yang berkelanjutan.
Interaksi antara senyawa logam dan air garam umumnya dapat menghasilkan listrik, tetapi ini biasanya sebagai hasil dari suatu reaksi kimia yang terjadi, di mana satu atau lebih senyawa diubah menjadi senyawa baru. Reaksi seperti inilah yang bekerja di dalam baterai.
Namun, fenomena yang ditemukan oleh Tom Miller, profesor kimia dari Caltech, dan Franz Geiger, Profesor Kimia Dow di Northwestern, tidak melibatkan reaksi kimia, melainkan mengubah energi kinetik dari aliran air laut menjadi listrik.
Fenomena ini, efek elektrokinetik, telah diamati sebelumnya dalam lapisan tipis graphene — lembaran atom karbon — dan sangat efisien. Efeknya sekitar 30 persen efisien dalam mengubah energi kinetik menjadi listrik. Sebagai referensi, panel surya terbaik hanya sekitar 20 persen efisiensinya.
“Efek serupa telah ditemukan pada beberapa bahan lainnya. Anda dapat melakukannya dengan setetes air laut dan menyeretnya melintasi graphene dan mendapatkan sejumlah listrik yang dihasilkan,” kata Miller.
Namun, sulit untuk membuat lapisan graphene dan memperbesarnya hingga ke ukuran yang layak untuk dapat dimanfaatkan. Lapisan-lapisan yang sangat tipis dari besi oksida yang ditemukan oleh Miller dan Geiger relatif mudah diproduksi dan dapat diperbesar ke ukuran yang lebih besar lagi, kata Miller.
“Pada dasarnya itu hanyalah karat yang menempel pada besi, jadi cukup mudah dibuat di suatu area yang sangat luas,” kata Miller. “Ini adalah implementasi yang lebih kuat dari hal yang ditemukan pada graphene.”
Meskipun karat akan terbentuk pada logam besi sendiri, tim perlu memastikannya hanya terbentuk pada sebuah lapisan tipis secara konsisten. Untuk dapat melakukan hal tersebut, mereka menggunakan suatu proses yang disebut sebagai physical vapor deposition (PVD), yang mengubah bahan padat, dalam hal ini besi oksida, menjadi uap yang mengembun pada permukaan yang diinginkan. PVD memungkinkannya untuk membuat lapisan besi oksida setebal 10 nanometer, sekitar 10 ribu kali lebih tipis dari rambut manusia.
Nanolayer logam untuk konversi energi gravitasi menjadi energi listrik. ( A ) Foto-foto dari nanolayer besi dan aluminium dengan ketebalan yang ditunjukkan pada slide kaca mikroskop di atas stempel Universitas Northwestern. ( B ) Foto sel Teflon dengan saluran aliran. Garis putus-putus menunjukkan posisi media dan panah menunjukkan arah aliran air.
Ketika mereka melakukan pengujian pada besi berkarat dan mengalirkan larutan air garam dengan berbagai konsentrasi, mereka menemukan bahwa itu menghasilkan beberapa puluh milivolt dan beberapa mikroamp per cm-2.
“Sebagai perspektif, setiap pelat yang memiliki luas 10 meter persegi akan menghasilkan beberapa kilowatt per jam — cukup untuk standar rumah di AS,” kata Miller. “Tentu saja, aplikasi yang tidak terlalu menyulitkan, termasuk berbagai perangkat yang menggunakan tenaga listrik rendah di lokasi terpencil, adalah lebih menjanjikan dalam waktu dekat.”
Mekanisme yang berada pada pembangkit listrik sangat kompleks, melibatkan adsorpsi dan desorpsi ion, tetapi pada dasarnya bekerja seperti berikut: Ion-ion yang ada dalam air laut menarik elektron dalam besi di balik lapisan karat. Saat air laut mengalir, begitu pula ion-ion itu, dan melalui gaya penarikan elektron tersebut, menyeret elektron di dalam besi bersama dengannya, hingga menghasilkan arus listrik.
Miller mengatakan efek ini bisa berguna dalam skenario tertentu di mana terdapat larutan garam yang bergerak, seperti di lautan atau bahkan di dalam tubuh manusia sendiri.
“Misalnya, energi pasang surut, atau benda-benda yang terombang-ambing di lautan, seperti pelampung, dapat digunakan untuk mengkonversi energi listrik pasif,” katanya. “Anda memiliki air garam yang mengalir di dalam pembuluh darah Anda berupa gelombang periodik. Itu bisa digunakan untuk menghasilkan listrik untuk menyalakan sebuah implan.”
Makalah yang menggambarkan temuan mereka, diterbitkan di jurnal Proceeding National Academy of Sciences.
