(Kredit: ID 23404954 © Konstik | Dreamstime.com)
CAMBRIDGE, Massa.— Sesuatu yang sederhana seperti kaleng soda bekas dan air laut dapat membantu mendukung masa depan energi bersih kita. Para ilmuwan di Massachusetts Institute of Technology telah mengembangkan cara inovatif untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen menggunakan aluminium dan air laut, yang berpotensi mengubah sistem energi berkelanjutan untuk aplikasi maritim dan seterusnya.
Kebanyakan orang mengetahui aluminium sebagai bahan dalam kaleng soda dan pembungkus foil, tetapi logam biasa ini sebenarnya memiliki energi yang luar biasa. Jika diolah dengan benar, aluminium dapat bereaksi dengan air menghasilkan gas hidrogen, bahan bakar bersih yang hanya mengeluarkan uap air saat dibakar. Meskipun reaksi dasar ini telah diketahui selama beberapa waktu, menjadikannya praktis dan hemat biaya dalam skala besar masih merupakan tantangan.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Aly Kombargi di MIT menemukan bahwa dengan melapisi aluminium dengan campuran logam cair khusus galium dan indium (disebut eGaIn), mereka dapat memicu reaksinya dengan air laut untuk menghasilkan hidrogen secara efisien. Meskipun aluminium secara alami ingin bereaksi dengan air untuk menghasilkan hidrogen, ia menghadapi tantangan mendasar: saat aluminium bersentuhan dengan oksigen di udara, permukaannya membentuk lapisan oksida pelindung yang mencegah reaksi lebih lanjut. Penghalang ini menjelaskan mengapa hidrogen tidak menggelembung ketika Anda menjatuhkan kaleng soda ke dalam air.
Terobosan ini terjadi ketika para peneliti menemukan bahwa rasa asin alami air laut sebenarnya membantu mengumpulkan dan memulihkan lebih dari 90% lapisan galium-indium setelah reaksi. Hal ini dimungkinkan karena ion garam dalam air laut menciptakan apa yang disebut “lapisan ganda listrik” di sekitar tetesan logam cair, mencegahnya pecah dan memungkinkannya berkumpul kembali – sebuah faktor penting karena harga galium dan indium relatif mahal dan langka. logam.
Secara tak terduga, tim menemukan bahwa bubuk kopi secara dramatis mempercepat reaksi ketika ditambahkan ke dalam campuran. Penemuan kebetulan di laboratorium ini mengarahkan mereka untuk menyelidiki bahan aktif kafein, imidazol, yang terbukti menjadi akselerasi utama. “Itu adalah kemenangan besar kami,” kata Kombargi. “Kami mendapatkan semua yang kami inginkan: memulihkan galium indium, ditambah reaksi yang cepat dan efisien.”
Para peneliti menguji sistem mereka menggunakan air laut yang dikumpulkan dari Pantai Revere dekat Boston. “Saya benar-benar pergi ke Pantai Revere bersama seorang teman dan kami mengambil botol-botol kami dan mengisinya, lalu saya menyaring ganggang dan pasir, menambahkan aluminium ke dalamnya, dan hasilnya sama konsistennya,” kata Kombargi.
Saat menguji berbagai larutan, mereka menemukan bahwa menambahkan sejumlah kecil imidazol secara dramatis mempercepat reaksi sambil tetap mempertahankan tingkat pemulihan yang tinggi pada lapisan logam cair. Jika digabungkan dengan pemanasan awal air laut hingga sekitar 80°C (176°F), metode ini dapat menghasilkan hidrogen dalam waktu kurang dari 10 menit – jauh lebih cepat dibandingkan metode sebelumnya yang memerlukan waktu berjam-jam.
Untuk memverifikasi temuan mereka bukan hanya sekedar keingintahuan laboratorium, tim meningkatkan reaksi dengan menggunakan 50 gram aluminium dengan 5 liter air laut, sehingga mempertahankan efisiensi yang sama. Para peneliti kini sedang mengembangkan reaktor kecil untuk kapal laut dan kendaraan bawah air. Sistem ini akan menyimpan pelet aluminium daur ulang bersama dengan sejumlah kecil gallium-indium dan imidazol, menggabungkan bahan-bahan ini dengan air laut di sekitarnya untuk menghasilkan hidrogen sesuai permintaan. Mereka telah menghitung bahwa reaktor yang menampung sekitar 40 pon pelet aluminium dapat memberi daya pada pesawat layang kecil di bawah air selama kurang lebih 30 hari.
Teknologi ini mengatasi tantangan utama dalam penggunaan bahan bakar hidrogen – kebutuhan untuk mengangkut dan menyimpan gas hidrogen yang mudah menguap. “Ini sangat menarik untuk aplikasi maritim seperti perahu atau kendaraan bawah air karena Anda tidak perlu membawa air laut – air sudah tersedia,” jelas Kombargi. “Kami juga tidak perlu membawa tangki hidrogen. Sebaliknya, kita akan mengangkut aluminium sebagai 'bahan bakar', dan hanya menambahkan air untuk menghasilkan hidrogen yang kita butuhkan.”
Ringkasan Makalah
Metodologi Dijelaskan
Para peneliti menyiapkan pelet aluminium dengan melapisinya dengan campuran galium-indium pada suhu 200°C, memungkinkannya menembus struktur logam selama 48 jam di bawah atmosfer argon untuk mencegah pembentukan oksida. Mereka menguji reaksi pada kondisi volume konstan dan tekanan konstan, serta mengukur laju produksi dan hasil hidrogen. Berbagai eksperimen mengeksplorasi konsentrasi garam, suhu, dan bahan tambahan kimia yang berbeda, dengan perhatian khusus diberikan untuk memulihkan lapisan galium-indium setelahnya.
Rincian Hasil
Tim mencapai hasil yang signifikan di berbagai kondisi pengujian. Dalam pengujian air tawar, satu pelet aluminium yang telah diolah sebelumnya menghasilkan 400 mililiter hidrogen hanya dalam lima menit. Dalam pengujian air laut, penambahan imidazol 0,02M saja dapat mengurangi waktu reaksi dari beberapa jam menjadi di bawah 10 menit sekaligus mempertahankan lebih dari 90% pemulihan lapisan logam cair. Pemanasan awal air laut hingga 80°C semakin meningkatkan kinerja tanpa mengorbankan perolehan logam.
Keterbatasan Studi
Proses ini menunjukkan penurunan efisiensi pada suhu di atas 90°C, dimana tingkat pemulihan logam turun secara signifikan. Kepadatan energi sistem secara keseluruhan lebih rendah dibandingkan aluminium murni ketika memperhitungkan volume air laut yang dibutuhkan. Para peneliti mencatat bahwa penelitian lebih lanjut diperlukan mengenai ketahanan jangka panjang dan peningkatan ke tingkat industri.
Diskusi dan Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan metode praktis untuk menghasilkan hidrogen dari aluminium menggunakan air laut, dengan pemulihan komponen mahal yang efisien. Prosesnya bekerja dengan air laut asli dan dapat ditingkatkan dengan tetap mempertahankan kinerja. Temuan ini sangat relevan untuk aplikasi maritim dimana air laut tersedia.
Aplikasi Masa Depan
Para peneliti sedang menjajaki penerapan potensial di luar penggunaan maritim. Seperti yang dicatat oleh Kombargi, “Bagian selanjutnya adalah memikirkan bagaimana cara menggunakannya untuk truk, kereta api, dan mungkin pesawat terbang. Mungkin, daripada harus membawa air juga, kita bisa mengekstraksi air dari kelembapan lingkungan untuk menghasilkan hidrogen. Itu yang penting.”
Pendanaan dan Pengungkapan
Penelitian ini didanai oleh Program MIT Portugal di bawah proyek andalan mereka “Pengetahuan dan Data dari Dalam ke Luar Angkasa.” Penulis utama Aly Kombargi telah mengajukan paten pada proses pembangkitan hidrogen, dan rekan penulis Peter Godart adalah pendiri/CEO Found Energy Co., yang mengkomersialkan produksi energi ramah lingkungan dari reaksi aluminium-air.
Informasi Publikasi
Diterbitkan di Laporan Sel Ilmu Fisika (Volume 5, 102121) pada tanggal 21 Agustus 2024. Makalah ini berjudul “Peningkatan pemulihan logam aktivasi untuk percepatan pembentukan hidrogen dari aluminium dan air laut” oleh Aly Kombargi, Enoch Ellis, Peter Godart, dan Douglas P. Hart dari Massachusetts Institute Teknologi.
