Sistem desalinasi tenaga surya yang dapat menghasilkan air tawar lebih murah daripada air ledeng

 (news.mit.edu)
2 poin oleh GN⁺ 2023-09-29 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Peneliti MIT dan Tiongkok berupaya mengubah air laut menjadi air minum dengan perangkat desalinasi pasif bertenaga surya, sambil menghindari penyumbatan garam yang berulang pada desain sebelumnya
  • Perangkat baru ini menciptakan aliran pusaran kecil di dalam alat yang mirip dengan sirkulasi termohalin di laut, lalu menggunakan panas matahari untuk menguapkan dan mengembunkan air guna memperoleh air tawar
  • Garam yang tersisa tidak menumpuk di dalam, melainkan terus bersirkulasi dan keluar, serta menunjukkan laju produksi air dan tingkat pembuangan garam yang lebih tinggi dibanding konsep desalinasi surya pasif lain yang sedang diuji
  • Jika diperbesar hingga seukuran koper kecil, sistem ini diperkirakan dapat menghasilkan sekitar 4–6 liter air minum per jam dan beroperasi selama bertahun-tahun tanpa komponen pengganti
  • Karena merupakan sistem sepenuhnya pasif yang tidak menggunakan listrik, sistem ini dapat menyasar wilayah pesisir di luar jaringan listrik atau kebutuhan air minum harian rumah tangga kecil

Perangkat desalinasi pasif yang bekerja hanya dengan tenaga surya

  • Peneliti MIT dan Tiongkok mengembangkan perangkat sepenuhnya pasif yang mengubah air laut menjadi air minum
  • Perangkat ini memanaskan air asin dengan sinar matahari alami, menguapkan airnya, lalu mengembunkan uap untuk mengumpulkan air yang bisa diminum
  • Hasil penelitian dimuat dalam makalah Joule Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection
  • Jika sistem ini diperbesar hingga seukuran koper kecil, diperkirakan dapat menghasilkan sekitar 4–6 liter air minum per jam
  • Pada skala dan kinerja tersebut, air yang dihasilkan dengan tenaga surya bisa lebih murah daripada air ledeng

Sirkulasi termohalin yang diwujudkan di dalam kotak kecil

  • Sistem baru ini terinspirasi oleh sirkulasi termohalin di laut
    • Di laut, perbedaan suhu dan salinitas mengubah kepadatan air, dan perbedaan ini menciptakan aliran air berskala global
    • Saat air laut terpapar udara, sinar matahari menguapkan air, sementara garam yang tersisa meningkatkan salinitas sehingga air yang lebih berat mengalir ke bawah
  • Para peneliti meniru fenomena ini di dalam perangkat kecil dan memanfaatkannya untuk pembuangan garam
  • Panas matahari dan kemiringan perangkat menciptakan aliran pusaran di dalam air, dan aliran ini membawa air menyentuh lapisan penguapan sementara garam tidak mengendap melainkan terus bersirkulasi

Keterbatasan desain sebelumnya dan perbaikan kali ini

  • Desain sebelumnya dari tim peneliti menggunakan evaporator dan kondensor yang tersusun dalam beberapa tahap
    • Desain yang diuji di atap gedung MIT menggunakan energi surya secara efisien untuk penguapan air
    • Namun, garam yang tersisa menumpuk menjadi kristal hanya dalam beberapa hari dan menyumbat sistem
    • Di lingkungan nyata, pengguna mungkin harus sering mengganti tahap-tahap tersebut sehingga biaya keseluruhan bisa meningkat tajam
  • Desain lanjutan menambahkan fungsi untuk mensirkulasikan air dan sisa garam agar mencegah pengendapan garam
    • Namun, laju desalinasi airnya relatif rendah
  • Desain terbaru menggabungkan kedua pendekatan tersebut
    • Mempertahankan struktur evaporator-kondensor bertingkat
    • Memperkuat sirkulasi air dan garam di dalam setiap tahap
    • Menargetkan laju produksi air yang tinggi sekaligus tingkat pembuangan garam yang tinggi

Struktur perangkat dan cara kerjanya

  • Unit intinya adalah satu tahap berbentuk kotak tipis
  • Di bagian atas terdapat material gelap yang menyerap panas matahari secara efisien
  • Bagian dalamnya dibagi menjadi zona atas dan bawah
    • Lapisan penguapan di zona atas memanaskan dan menguapkan air yang terkena panas matahari secara langsung
    • Lapisan kondensasi di zona bawah mengembunkan uap air melalui pendinginan udara dan mengubahnya menjadi air minum tawar tanpa garam
  • Para peneliti menempatkan seluruh kotak dalam wadah kosong besar dengan posisi miring, memasang tabung yang menghubungkan bagian atas kotak ke bagian bawah wadah, lalu membuat wadah itu mengapung di atas air asin
  • Dalam konfigurasi ini, air secara alami naik melalui tabung ke dalam kotak, dan kemiringan serta panas matahari bersama-sama menciptakan pusaran kecil di dalamnya

Hasil uji dan perkiraan biaya

  • Para peneliti membuat prototipe 1 tahap, 3 tahap, dan 10 tahap lalu menguji kinerjanya pada air dengan berbagai tingkat salinitas
    • Sampel uji mencakup air laut alami dan air yang 7 kali lebih asin daripada air laut
  • Berdasarkan hasil uji, mereka menghitung bahwa jika setiap tahap diperbesar menjadi 1 meter persegi, sistem dapat menghasilkan hingga 5 liter air minum per jam
  • Sistem ini diperkirakan dapat terus melakukan desalinasi selama bertahun-tahun tanpa penumpukan garam
  • Karena merupakan sistem sepenuhnya pasif tanpa listrik dan memiliki umur pakai panjang, biaya operasionalnya diperkirakan bisa lebih rendah daripada biaya produksi air ledeng di Amerika Serikat

Potensi penerapan dan penilaian eksternal

  • Perangkat yang telah diperbesar dapat secara pasif menghasilkan cukup air minum untuk memenuhi kebutuhan harian keluarga kecil
  • Sistem ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber pasokan air untuk wilayah pesisir di luar jaringan listrik yang memiliki akses mudah ke air laut
  • Guihua Yu dari University of Texas at Austin menilai pendekatan ini meringankan tantangan utama dalam bidang desalinasi dan sangat menguntungkan bagi wilayah yang menghadapi masalah air dengan salinitas tinggi
  • Desain modularnya cocok untuk produksi air rumah tangga dan dapat memberikan skalabilitas serta kemampuan adaptasi sesuai kebutuhan masing-masing

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2023-09-29
Komentar Hacker News

  • Bukan bermaksud meremehkan inovasi ini sendiri, tetapi setahu saya salah satu tantangan besar dalam desalinasi masih soal bagaimana menangani limbahnya, yang biasanya berupa konsentrat berkadar garam tinggi.
    Jika dibuang kembali ke laut, ini bisa mengganggu ekosistem lokal. Ada juga artikel Scientific American terkait: https://www.scientificamerican.com/article/slaking-the-world...
    “Kelebihan garam mengurangi oksigen terlarut di air dan membuat hewan dasar laut mati lemas”, “Selain membahayakan biota laut, salinitas ekstrem juga membuat air lebih sulit dan mahal untuk didesalinasi”

    • Biasanya salinitas hanya meningkat sekitar 4 kali lipat, dengan asumsi rasio pembuangan 25%. Jadi perlu diingat bahwa pembuangan konsentrat adalah masalah lingkungan yang sangat lokal dan tidak menyebar jauh.
      Saya tidak akan menyebutnya masalah yang belum terpecahkan. Membangun tempat parkir saja bisa lebih banyak mengganggu ekosistem
    • Lihat foto diffuser pembuangan konsentrat di fasilitas desalinasi di Western Australia ini: https://www.watercorporation.com.au/Our-water/Desalination/P...
    • Dalam praktiknya, ini hanya menjadi tantangan di perairan dangkal yang tidak banyak bergerak. Jika dipompa sedikit lebih jauh ke lepas pantai, secara harfiah ada seluruh lautan untuk mengencerkan garamnya.
      Misalnya pesisir California; negara bagian ini seharusnya tidak kekurangan air karena memiliki energi surya dan angin bersih yang melimpah serta akses ke seluruh Samudra Pasifik untuk didesalinasi, sementara hanya beberapa mil dari pantai kedalamannya cepat menjadi sangat dalam. Di sana, bahkan kalau mau pun, sulit mengubah salinitas air laut dengan cara yang terukur.
      Jadi solusinya adalah pipa dan pompa. Biayanya memang bertambah, tetapi selain itu masalah ini sepenuhnya bisa diselesaikan. Menguras sumber air alami seperti air tanah dan akuifer juga berdampak besar. Desalinasi yang dilakukan dengan benar bahkan bisa memberi sebagian ekosistem yang tertekan kesempatan untuk pulih
    • Mungkin kontroversial, tetapi solusi terbaik bisa jadi adalah menerima bahwa menyelesaikan masalah air minum manusia lebih bernilai daripada memperburuk lingkungan sebagian biota laut lokal
    • Semua yang kita lakukan berdampak pada lingkungan. Menghilangkan airnya saja tanpa menghilangkan garamnya sehingga sebagian laut menjadi sedikit lebih asin terdengar seperti masalah yang cukup sepele

  • Kalaupun air yang dihasilkan proses ini mendekati air suling tanpa mineral yang dibutuhkan untuk air minum, jika cukup murah dan dapat diskalakan, India, negara-negara Arab, dan negara-negara Afrika Utara tampaknya bisa menyuntikkan air bersih semacam ini ke bawah tanah dan mencampurnya dengan sedikit air tawar yang masih tersisa di wilayah mereka.
    Jika sistemnya disusun untuk memproduksi 100 juta liter per hari lalu dipompa ke bawah tanah di pedalaman, permukaan air tanah bisa terisi kembali dengan cukup sementara bumi menambahkan mineral yang dibutuhkan secara alami.
    Dengan air seperti ini, kita juga bisa menanam pohon di tempat yang sebelumnya mustahil

    • Benar. Ini mungkin terlihat seperti angan-angan, tetapi masalah desertifikasi begitu besar sehingga solusi apa pun yang mungkin perlu didekati dari prinsip pertama dan diuji kelayakannya.
      Bisakah desalinasi pasif menjadi cara untuk mem-bootstrap ekosistem lokal di lingkungan kering hingga mencapai tingkat yang mandiri?

  • Ungkapan “lebih murah daripada air keran” membingungkan. Saya tumbuh di sebuah pulau yang menggunakan desalinasi, dan itu justru air keran kami

    • Benar, ini tampak seperti kesalahan kategori. Desalinasi adalah metode produksi, sedangkan jaringan air adalah metode distribusi
    • Saya rasa mereka paham bahwa mayoritas besar air keran tidak termasuk kategori itu
    • Sudah saatnya internet memperkenalkan judul kedua atau subjudul. Supaya seperti dulu, bisa menjelaskan tulisan itu tentang apa.
      Judul pertama boleh saja memancing klik. Saya juga ingin clickbait yang lebih baik, tetapi saya juga ingin tahu sebenarnya ada apa. “Memproduksi air minum gratis tanpa batas!” => “Perangkat distilasi surya menghilangkan residu garam”

  • Mengapa setiap 3–4 tahun selalu ada penemuan desalinasi baru yang lebih murah muncul di berita?

    • Air dan pangan adalah unsur yang mutlak diperlukan untuk bertahan hidup. Kalau Meta merilis produk baru, kita bisa mengabaikannya, tetapi kekurangan air tidak bisa diabaikan.
      Sebagian besar negara mulai menghadapi masalah tekanan air yang kuat. Apalagi ketika musim tidak lagi mengikuti pola lama dengan tepat. Kekeringan mendadak bisa melumpuhkan hampir semua pasokan air, dan pemompaan air tanah berlebihan membuat tanah ambles. Lihat saja masalah sinkhole acak akibat penurunan tanah di China.
      Desalinasi air modern masih tergolong cukup baru, jadi secara teknologi masih banyak ruang untuk berkembang. Dari sisi paten untuk sistem yang lebih baik juga menarik, dan pasarnya selalu ada
    • Air itu penting
    • Rasanya memang saya melihat kabar seperti ini dengan frekuensi seperti itu, tetapi apakah kita juga melihat ada yang benar-benar menjadi layak secara komersial atau dipakai dalam skala besar?
    • Ini berita penting bagi negara dan wilayah yang kering

  • Nestle Strawman Inc. baru saja membeli patennya. Semoga perkembangan teknologi bisa tumbuh subur karena lebih banyak negara mengizinkan pelanggaran hak kekayaan intelektual

    • China cukup bagus dalam hal itu
    • Oh, serius? Optimisme saya menguap :|

  • Garam yang menumpuk dicuci begitu saja? Garam laut dijual sekitar 3 dolar per pon

    • Saya cek sekilas di Amazon, garam food grade yang telah dimurnikan, dikristalkan, dan diberi merek, dikirim sampai depan rumah, harganya sekitar 3 dolar per pon.
      Permintaannya cukup terbatas. Kalau bisa membeli seharga 1,50 dolar per pon, memang seberapa banyak lagi garam yang akan Anda pakai?
      Sementara yang dihasilkan alat ini adalah “air laut pekat”. Semua alga, kotoran ikan, polutan plastik, dan sebagainya yang semula ada di air laut tetap ada di dalamnya
    • Pada skala seperti itu, pasokan akan membanjiri pasar dan menurunkan harga. Mungkin bisa diperdagangkan dengan wilayah yang memang punya permintaan nyata, tetapi harus bersaing dengan orang-orang yang tinggal menyeroknya dengan buldoser dari endapan dasar laut purba
    • Mengeringkan garam itu dan menyiapkannya untuk dijual membutuhkan banyak energi
    • Endapan garam menyumbat perangkat, dan memanen garam membutuhkan tenaga kerja. Jika garamnya dibuang, perangkat bisa beroperasi secara pasif selama bertahun-tahun

  • Jika ini dilihat sebagai ‘black box’, sumber panas matahari akan memanaskan seluruh air. Jika 10% air menguap dan mengembun di area penyimpanan, sisanya menjadi lebih asin sebesar 0,35% dari salinitas awal 3,5%, sementara panasnya tetap tersimpan.
    Jika 10% dibuang dan diganti dengan air laut dingin bersalinitas 3,5%, tetapi pembuangannya melewati counterflow heat exchanger, panas yang tersimpan akan tetap dipertahankan dan tambahan garam 0,35% itu akan tersebar sebagai limbah yang sepele.
    Masalah terbesar adalah alga dan organisme laut tersuspensi akan segera berkembang biak dan menyumbat semua permukaan. Siapa pun yang pernah memelihara akuarium air laut/tawar akan tahu bahwa ini jadi masalah. Sistem ini akan bekerja sampai masalah alga muncul, bahkan sebelum masalah larva kerang, remis, dan teritip yang umum di air laut

  • Ada yang tahu di mana bisa menemukan makalah asli atau desainnya?

  • Saya akan mulai dengan mencari tahu apakah sistem ini sudah diajukan sebagai paten. Saya tidak bisa mencari sekarang, tetapi untuk bisa sedikit saja percaya bahwa ini berpeluang sukses di dunia nyata, paten dan lisensi ke startup terkait adalah langkah minimum yang diperlukan