Menghadirkan Oksigen di Mars yang Terinspirasi Reaksi Kimia di Komet

Solusi untuk perubahan iklim di Bumi dan oksigen di planet Mars: ditemukan reaksi kimia yang bisa mengubah karbon dioksida menjadi oksigen

Dalam kisah-kisah fiksi ilmiah seringkali diceritakan berbagai usaha yang dilakukan oleh manusia agar bisa hidup di luar planet bumi, antara lain dengan mengubah suatu planet agar layk huni bagi manusia dengan membangun semacam pembangkit oksigen, mengingat manusia sangat membutuhkan oksigen (O₂) untuk bernafas, dan lingkungan di luar bumi tidak menyediakannya. Bahkan pada planet-planet dengan lapisan atmosfer yang tebal, O₂ sangat sulit ditemukan.

Karena alasan itu, maka ketika manusia melakukan perjalanan untuk mengeksplorasi ruang angkasa, mereka harus membawa serta persediaaan oksigen bersama mereka. Dan cara ini dirasa sangat tidak efisien mengingat dibutuhkan banyak sekali energi untuk membawa begitu banyak persediaan oksigen ini menuju ruang angkasa dan begitu persediaan oksigen ini habis, para astronot akan mati tercekik karena tak bisa bernafas.

Ada sebuah lokasi di luar bumi dimana oksigen molekular bisa dideteksi keberadaannya, yaitu pada aliran gas yang melingkupi sebuah komet. Keberadaan sumber oksigen tersebut masih menjadi misteri sampai dua tahun yang lalu ketika Konstantinos P. Giapis, seorang professor ilmu tehnik kimia di Caltech dan rekannya Yunxi Yao, menemukan suatu bentuk proses kimia yang bisa menghasilkan oksigen.

Giapis, bersama dengan Tom Miller, seorang professor ilmu kimia, mendemonstrasikan sebuah reaksi kimia baru yang bisa menghasilkan oksigen, yang menurutnya bisa membantu manusia saat mengeksplorasi ruang angkasa dan juga bisa membantu mengatasi perubahan iklim di Bumi. Giapis berkata bahwa reaksi kimia baru ini mereka temukan ketika mempelajari tentang komet.

Kebanyakan reaksi kimia membutuhkan energi, dan biasanya berupa panas. Hasil penelitian Giapis menunjukkan bahwa beberapa reaksi kimia yang tidak biasa bisa terjadi dengan menggunakan energi gerak (energi kinetik). Dan ketika molekul-molekul air ditembakkan seperti peluru-peluru kecil melesat menuju suatu permukaan yang mengandung oksigen, seperti pada pasir atau karat, molekul air tersebut bisa terurai untuk membentuk molekul oksigen (O₂). Reaksi ini juga terjadi pada sebuah komet ketika molekul air menguap dari permukaannya dan kemudian mel;esat kembali menuju komet dalam kecepatan tinggi yang digerakkan oleh energi yang berasal dari angin surya.

Komet juga memproduksi karbondioksida (CO₂). Giapis dan Yao kemudian menyelidiki dengan melakukan pengujian untuk mengetahui apakah CO₂ pada komet juga bisa menghasilkan molekul O₂ ketika bertumbukan dengan permukaan komet, mereka ingin memastikan apakah reaksi yang terjadi sama seperti reaksi air di permukaaan komet. Mereka kemudian merancang sebuah percobaan dengan menabrakkan CO₂ ke permukaan sebuah lembaran emas, yang tidak bisa teroksidasi ataupun menghasilkan molekul O₂. Dan hasilnya, oksigen ternyata terpancar dari permukaan lembaran emas tersebut. Bisa disimpulkan bahwa kedua atom oksigen tersebut dihasilkan dari molekul CO₂, Yang secara efektif terurai dalam suatu reaksi yang tidak biasa.

“Pada saat kami merasa bahwa tidak mungkin untuk menyatukan dua atom oksigen dari molekul CO₂ karena CO₂ adalah molekul yang bersifat linear, dan kita harus bisa membengkokan ikatan molekul tersebut agar reaksi terjadi,” kata Giapis. “Dan yang telah kita lakukan adalah sebuah reaksi drastis pada molekul tersebut.”

Untuk dapat memahami mekanisme reaksi yang merubah CO₂ menjadi molekul O₂, Giapis menggandeng Miller dan rekannya Phillip Shushkov, untuk mendesain sebuah simulasi komputer dari keseluruhan proses.

Memahami reaksi ini merupakan suatu tantangan tersendiri dikarenakan bentuk dari formasi molekul berenergi tinggi yang terjadi akibat dari reaksi. Molekul-molekul ini memiliki energi yang sangat besar sehingga atom-atom yang ada didalamnya akan bergetar dan memutar arah dengan jumlah derajat yang sangat besar. Semua reaksi ini menjadi sangat sulit untuk disimulasikan ke dalam komputer karena atom-atom pada molekul tersebut bergerak secara acak dan tidak beraturan.

“Secara umum, molekul berenergi tinggi bisa menghasilkan reaksi kimia yang tidak biasa, kami mendesain simulasi komputer berdasarkan pemahaman ini,” kata Miller. “Tetapi, secara mengejutkan, molekul berenergi tinggi ini tidak menghasilkan oksigen molekuler. Molekul-molekul tersebut ternyata berubah menjadi bentuk lain. Dan akhirnya, kami menemukan bahwa molekul CO₂ yang telah dibengkokkan ikatannya juga bisa terbentuk tanpa perlu memberikan energi tinggi pada molekul, dan bisa membentuk O₂.”

Dalam reaktor Giapis, karbon dioksida diubah menjadi oksigen molekuler. Credit: Caltech

Sebuah alat sedang dirancang oleh Giapis yang mirip dengan partikel akselerator, mengubah molekul CO₂ menjadi ion-ion dengan memberikan energi kedalamnya dan kemudian mengakselerasi molekul tersebut dengan menggunakan medan listrik. Alat ini membutuhkan energi lebih kecil dari akselerator partikel pada umumnya. Giapis menambahkan bahwa untuk menghasilkan sebuah reaksi yang mengubah CO₂ menjadi O₂ tidak selalu harus menggunakan alat semacam ini.

“Anda bisa melemparkan sebuah batu dengan kecepatan tertentu pada molekul CO₂ untuk menghasilkan reaksi yang sama,” kata Giapis. “Dibutuhkan kecepatan sebesar kecepatan komet atau asteroid ketika berada di angkasa,”

Proses ini juga bisa menjelaskan keberadaan sejumlah kecil oksigen yang terdeteksi berada di lapisan atmosfer planet Mars. Ada spekulasi yang menyatakan bahwa oksigen tersebut terbentuk oleh sinar ultraviolet dari matahari yang bereaksi dengan CO₂, tetapi Giapis meyakini bahwa oksigen di planet Mars juga terbentuk dari partikel-partikel debu berkecepatan tinggi yang saling bertabrakan dengan molekul-molekul CO₂.

Dia berharap bahwa reaksi yang dia dan timnya temukan ini suatu saat bisa diaplikasikan untuk hal-hal yang lebih berguna—misalnya suatu hari nanti bisa digunakan sebagai sumber udara bagi para astronot di planet Mars atau digunakan untuk mengatasi perubahan iklim di bumi dengan menyingkirkan gas CO₂, sebuah gas rumah hijau, terusir dari atmosfer bumi dan mengubahnya menjadi oksigen.

Dia menyadari bahwa jalan untuk mengaplikasikan kedua tujuan tersebut masih sangat jauh, karena dengan versi reaktor yang dia desain sekarang ini, hanya bisa dihasilkan oksigen dalam jumlah yang sangat sedikit, dimana hanya dihasilkan satu atau dua molekul oksigen dalam setiap 100 molekul CO₂ yang ditembakkan ke dalam akselerator.

“Apakah ini adalah hasil akhir? Tentu saja tidak. Apakah rancangan ini bisa mengatasi berbagai masalah di planet Mars? Tidak. Tetapi rancangan ini bisa melakukan sesuatu bila kita berusaha lebih keras,” kata Giapis.

Hasil penelitian dari Giapis dan tim telah dipublikasikan dalam laporan yang diterbitkan dalam Nature Communications.