Badan antariksa dan perusahaan swasta sudah memiliki rencana ke depan untuk mengirim manusia ke planet Mars dalam beberapa tahun mendatang – akhirnya melakukan penjelajahan. Dan dengan semakin banyaknya penemuan planet yang mirip dengan Bumi di sekitar bintang-bintang di dekatnya, perjalanan jarak jauh tidak pernah tampak lebih menarik.
Namun, tidak mudah bagi manusia untuk bertahan hidup di ruang angkasa untuk periode waktu yang berkelanjutan. Salah satu tantangan utama penerbangan jarak jauh adalah mengangkut oksigen yang cukup bagi astronot untuk bernafas dan bahan bakar yang memadai untuk menyalakan peralatan elektronik yang kompleks. Sayangnya, hanya ada sedikit oksigen yang tersedia di ruang angkasa dan jarak yang jauh membuatnya sulit untuk melakukan isi ulang dengan cepat.
Tapi sekarang sebuah studi baru, yang diterbitkan di Nature Communications, menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk menghasilkan hidrogen (untuk bahan bakar) dan oksigen (untuk kehidupan) hanya dari air menggunakan bahan semikonduktor dan sinar matahari (atau cahaya bintang) pada gravitasi nol – menjadikan perjalanan ruang angkasa yang berkelanjutan mendekati kenyataan.
Cara terbaik untuk melakukan hal ini dilakukan dengan pemisahan air (H2O) menjadi konstituennya: hidrogen dan oksigen. Mungkin dengan menggunakan proses yang dikenal sebagai elektrolisis, yang melibatkan pengaliran arus listrik melalui sampel air yang mengandung beberapa elektrolit yang terlarut. Proses ini memecah air menjadi oksigen dan hidrogen, yang dilepaskan secara terpisah pada dua elektroda.
Meskipun metode ini secara teknis memungkinkan, metode ini belum tersedia di Bumi karena kita memerlukan lebih banyak infrastruktur terkait hidrogen, seperti stasiun pengisian ulang hidrogen, untuk meningkatkannya.
Kekuatan matahari
Hidrogen dan oksigen yang diproduksi dengan cara ini dari air juga bisa digunakan sebagai bahan bakar untuk pesawat ruang angkasa. Meluncurkan roket dengan air sebenarnya jauh lebih aman daripada meluncurkannya dengan tambahan bahan bakar roket dan oksigen di kapal, yang bisa meledak. Setelah berada di ruang angkasa, teknologi khusus dapat memecah air menjadi hidrogen dan oksigen yang pada gilirannya dapat digunakan untuk menopang kehidupan atau untuk menggerakkan elektronik melalui sel bahan bakar .
Ada dua opsi untuk melakukan ini. Salah satunya melibatkan elektrolisis seperti yang kita lakukan di Bumi, menggunakan elektrolit dan sel surya untuk menangkap sinar matahari dan mengubahnya menjadi arus listrik.
Alternatifnya adalah menggunakan “fotokatalitis”, yang bekerja dengan menyerap partikel cahaya – foton – menjadi bahan semikonduktor yang dimasukkan ke dalam air. Energi foton diserap oleh elektron dalam material yang kemudian melompat, meninggalkan lubang.
Elektron bebas dapat bereaksi dengan proton (yang membentuk inti atom bersama dengan neutron) dalam air untuk membentuk hidrogen. Sementara itu, lubang dapat menyerap elektron dari air untuk membentuk proton dan oksigen.
Prosesnya juga bisa dibalik. Hidrogen dan oksigen dapat disatukan kembali atau “direkombinasi” menggunakan sel bahan bakar yang mengembalikan energi matahari yang diambil oleh “fotokatalisis” – energi yang dapat digunakan untuk daya peralatan elektronik. Bentuk rekombinasi hanya air sebagai produk – yang berarti air juga dapat didaur ulang. Ini adalah kunci untuk perjalanan ruang angkasa jarak jauh.
Proses menggunakan fotokatalis adalah pilihan terbaik untuk perjalanan ruang angkasa karena alat beratnya jauh lebih sedikit daripada yang dibutuhkan untuk elektrolisis. Secara teori, seharusnya bekerja dengan mudah. Hal ini sebagian karena intensitas sinar matahari jauh lebih tinggi tanpa atmosfer bumi menyerap jumlah besar di jalan menuju ke permukaan.
Manajemen gelembung
Dalam studi terbaru, para peneliti menguji sepenuhnya eksperimen yang disiapkan untuk fotokatalisis pada menara setinggi 120m, menciptakan lingkungan yang mirip dengan mikro gravitasi. Ketika benda-benda berakselerasi ke arah Bumi dalam kondisi jatuh bebas, efek gravitasi berkurang ketika gaya-gaya yang dihasilkan oleh gravitasi dibatalkan oleh kekuatan yang sama dan berlawanan karena akselerasi.
Ini berlawanan dengan gaya gravitasi yang dialami oleh astronot dan pilot pesawat tempur saat mereka berakselerasi di pesawat mereka.
Para peneliti berhasil menunjukkan bahwa memang mungkin untuk memisahkan air di lingkungan ini. Namun, karena air terpecah untuk menghasilkan gas, gelembung terbentuk. Menyingkirkan gelembung dari bahan katalis yang mudah terbentuk adalah penting – gelembung menghalangi proses pembuatan gas.
Di Bumi, gravitasi membuat gelembung secara otomatis mengambang ke permukaan (air di dekat permukaan lebih padat daripada gelembung, yang membuat mereka mengapung) – membebaskan ruang pada katalis untuk gelembung berikutnya yang akan dihasilkan.
Dalam gravitasi nol ini tidak mungkin dan gelembung akan tetap berada di atau dekat katalis. Namun, para ilmuwan menyesuaikan bentuk fitur nano dalam katalis dengan menciptakan zona berbentuk piramida di mana gelembung bisa dengan mudah melepaskan diri dari ujung dan mengapung ke dalam medium.
Namun satu masalah tetap ada. Dengan tidak adanya gravitasi, gelembung-gelembung akan tetap berada dalam cairan – meskipun mereka telah dipaksa menjauh dari katalis itu sendiri.
Gravitasi memungkinkan gas mudah keluar dari cairan, yang sangat penting untuk menggunakan hidrogen murni dan oksigen. Tanpa adanya gravitasi, tidak ada gelembung gas yang mengapung ke permukaan dan terpisah dari campuran – sebaliknya semua gas tetap membentuk busa.
Ini mengurangi efisiensi proses secara dramatis dengan memblokir katalis atau elektroda. Solusi teknik seputar masalah ini akan menjadi kunci keberhasilan penerapan teknologi di ruang angkasa – dengan satu kemungkinan menggunakan gaya sentrifugal dari rotasi pesawat ruang angkasa untuk memisahkan gas dari larutannya.
Namun demikian, berkat penelitian terbaru ini kita selangkah lebih dekat manusia menuju ruang angkasa berdurasi panjang.
Charles W. Dunnill , Dosen Senior di bidang Energi, Swansea University .
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
