Material Baru Dikembangkan untuk Mengekstraksi Air dari Udara Secara Pasif
(blog.seas.upenn.edu)- Tim peneliti Universitas Pennsylvania menemukan material jenis baru yang dapat mengekstraksi air dari udara secara pasif tanpa energi eksternal
- Material ini memiliki struktur unik yang menggabungkan nanopori hidrofilik dan polimer hidrofobik, sehingga dapat menangkap kelembapan di dalam pori dan melepaskannya ke permukaan
- Dengan memanfaatkan fenomena kondensasi kapiler secara efektif, material ini bekerja bahkan pada kelembapan rendah; tidak seperti material sebelumnya, air tidak tertahan di dalam pori melainkan diteruskan hingga ke permukaan
- Metode pembuatannya relatif sederhana dan dapat diterapkan pada proses yang dapat diskalakan secara komersial, sehingga berpotensi dimanfaatkan untuk perangkat pemanen air di wilayah kering maupun pendinginan perangkat elektronik
- Ke depan, penelitian akan berlanjut pada optimalisasi rasio sifat hidrofilik dan hidrofobik serta pembesaran skala untuk aplikasi nyata
Penemuan material berstruktur nano dengan cara baru
Tim peneliti teknik kimia di Universitas Pennsylvania menemukan material berstruktur nano jenis baru yang menangkap uap air di udara dan melepaskannya sebagai tetesan air di permukaan tanpa energi eksternal melalui pengamatan kebetulan saat eksperimen
Penelitian ini dilakukan melalui kolaborasi para ahli dari berbagai bidang, dan material tersebut diharapkan dapat membuka peluang baru untuk beragam aplikasi seperti pemanenan air di wilayah kering maupun pendinginan perangkat elektronik
Pengungkapan prinsip melalui proses penemuan
- Pada tahap awal penelitian, mereka memperkirakan fenomena tetesan air yang terbentuk di permukaan disebabkan faktor eksternal seperti perbedaan suhu pada peralatan eksperimen, tetapi kemudian memastikan bahwa semakin tebal material, semakin besar pula jumlah air yang terbentuk di permukaan
- Dari sini, mereka mengungkap karakteristik bahwa berbeda dari material nanopori konvensional, air yang terkondensasi di dalam membran bergerak hingga ke permukaan dan muncul sebagai tetesan air
Cara kerja nanopori
- Pemanenan air tradisional memerlukan suhu rendah atau kelembapan tinggi, atau membutuhkan masukan energi eksternal untuk mendinginkan permukaan
- Namun, material baru ini memungkinkan uap air mengembun di dalam nanopori bahkan pada kelembapan rendah berkat kondensasi kapiler
- Lebih jauh lagi, kelembapan yang telah mengembun tidak terperangkap di pori, tetapi bergerak ke permukaan dan dilepaskan sebagai tetesan air
- Fakta bahwa laju penguapan tetesan sangat rendah dibanding kelengkungan dan ukurannya sehingga dapat bertahan stabil di permukaan untuk waktu lama merupakan fenomena yang melampaui teori yang ada
Verifikasi prinsip dasar dan karakteristik unik
- Dengan mengonfirmasi korelasi antara ketebalan membran dan jumlah tetesan air di permukaan, tim membuktikan bahwa fenomena yang diamati bukanlah kondensasi permukaan, melainkan terkait dengan air yang tersimpan di dalam pori
- Tim kolaborator eksternal juga berhasil mereproduksi fenomena ini dan menaruh perhatian pada potensi material berstruktur nano khusus ini
Kombinasi material yang seimbang dan prospek aplikasi
- Penetapan rasio pencampuran yang tepat antara nanopartikel hidrofilik dan polietilena hidrofobik memainkan peran yang sangat penting
- Reservoir tersembunyi di dalam pori terhubung dengan tetesan air di permukaan, sehingga membentuk penangkapan kelembapan udara secara berkelanjutan (regenerative feedback loop)
- Material ini juga mudah diproduksi massal karena menggunakan polimer umum dan nanopartikel biasa
- Ada berbagai kemungkinan aplikasi industri, termasuk pemanenan air di wilayah kering, permukaan pendingin untuk perangkat elektronik dan bangunan, serta material pelapis yang merespons kelembapan
Arah penelitian berikutnya dan dampak yang diharapkan
- Masih ada tugas penelitian lanjutan, termasuk penjelasan lebih rinci mengenai mekanisme kerjanya, optimalisasi rasio hidrofilik/hidrofobik, penerapan skala besar untuk penggunaan nyata, dan pelepasan tetesan air hasil panen dari permukaan
- Tim peneliti juga merujuk pada cara sistem biologis mengelola air secara efisien untuk diterapkan dalam desain material
- Dalam jangka panjang, penelitian ini diperkirakan dapat mengarah pada pengembangan pasokan air bersih untuk wilayah kering atau teknologi pendinginan ramah lingkungan yang bekerja hanya dengan penguapan air
Dukungan penelitian
- Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (NSF) Amerika Serikat, Departemen Energi, Alfred P. Sloan Foundation, dan sejumlah lembaga lainnya
1 komentar
Komentar Hacker News
Material berstruktur nano baru ini dikatakan dapat menarik dan mengumpulkan air dari udara serta melepaskannya di permukaan tanpa energi eksternal, jadi rasanya seperti kantong penghilang lembap berteknologi tinggi. Kantong berisi kalsium klorida seperti Wisesorb Moisture Eliminator juga menyerap kelembapan dari udara tak jenuh dan membentuk tetesan air, tetapi setelah dipakai Anda harus membeli yang baru atau meregenerasikannya dengan merebus. Pada material baru ini, tetesan air menempel pada material dan tetap membutuhkan energi untuk melepaskannya. Air tidak begitu saja jatuh ke dasar wadah seperti sulap. Tetesannya bisa dilap dengan tisu dapur, tetapi untuk mengeluarkan air dari tisu itu lagi tetap perlu energi. Dan ungkapan “melanggar hukum fisika” jelas tidak tepat; menurut saya, tim humas universitas dan jurnalis teknologi perlu belajar bahwa jika mereka merasa hukum fisika telah dilanggar, mereka harus memeriksa ulang dua atau tiga kali dengan penulis dan pakar independen. Kalimat dan judul yang menyesatkan itu sama-sama berasal dari materi promosi universitas
Ini masih riset yang sedang berjalan, dan material ini menunjukkan kemungkinan yang agak berbeda dari kantong dehumidifier sekali pakai seperti Thirsty Hippos. Bagian yang benar adalah (1) tidak melanggar hukum fisika dan (2) tetap perlu energi untuk melepaskan tetesan air. Namun, jika tetesannya bisa berpindah ke permukaan, energi yang dibutuhkan untuk melepaskannya mungkin jauh lebih kecil daripada metode dehumidifikasi aktif yang ada seperti elemen Peltier. Sebagai catatan, Thirsty Hippo adalah semacam super silica gel yang cukup efektif di ruang kecil
Terima kasih atas penjelasannya. Waktu pertama kali hanya membaca judul artikelnya, saya sempat mengira ada yang menemukan mesin gerak abadi
Di publikasi yang pernah saya ikuti, ketika menerima materi PR universitas, kami berkomunikasi langsung dengan pihak mereka
Melanggar hukum fisika itu sama sekali tidak mungkin. Jika tampak seolah hukumnya salah, berarti pemahaman kitalah yang keliru. Sama halnya, “menentang” hukum juga mustahil; alam semesta hanya bisa melakukan apa yang diizinkannya
Dari makalah asli: "Semua pengukuran dipertahankan pada 20°±0.2°C dengan sistem sirkulasi udara, dan suhu film dikendalikan dengan unit pemanas/pendingin bila perlu." Jadi kalor laten dialirkan ke perangkat pendingin, dan karena ini tidak dijelaskan secara eksplisit, kesannya seperti sengaja dibuat lebih dramatis
Bagian lain yang patut diperhatikan dari makalah: "Tetesan makroskopik terbentuk secara isotermal ketika ukuran NP berada di bawah 22nm, kelembapan relatif di atas kira-kira 90%, dan ϕPE berada pada 0.05~0.35" "Tetesan awal yang terlihat dengan mikroskop optik (ukuran sekitar 1μm) muncul dalam hitungan detik setelah paparan kelembapan relatif 97%" Jadi ini benar-benar lingkungan udara yang hampir mengembun. Orang-orang terlalu fokus pada “pelanggaran fisika”, padahal sebenarnya ini peningkatan bertahap atas fenomena yang wajar
Menjaga suhu tetap konstan dengan termostat bukan masalah. Kalau permukaannya dijaga lebih dingin daripada udara di sekitarnya, di bawah titik embun, itu bisa menjelaskan semuanya, tetapi dari isi makalah tampaknya bukan begitu. Mereka pada dasarnya mengklaim bahwa tetesan makroskopik muncul sendiri dari uap air tak jenuh, yang merupakan fenomena yang tidak diizinkan oleh hukum kedua termodinamika
Setelah mendengar penjelasannya saya jadi paham. Daripada membingkainya seolah melanggar fisika, lebih baik fokus pada apa yang benar-benar ditingkatkan. Menurut saya material ini bisa bekerja pada suhu yang lebih tinggi, dan jika suhu sekitar lebih rendah, kalor latennya dapat dibuang secara pasif. Bahkan bila memakai pompa panas aktif, proses yang lebih efisien pada suhu tinggi tetap mungkin. Dalam sistem tertutup pada akhirnya akan tercapai kesetimbangan, tetapi sistemnya tidak harus sepenuhnya tertutup
Yang menonjol dari riset ini adalah bahwa, tidak seperti teknologi adsorpsi yang sudah ada, ia tampak dapat terus menarik air dari udara tanpa perubahan mekanisme. Mungkin jika material ini dilapiskan di atas aluminium agar kalor laten bisa disalurkan, kita bisa membayangkan sistem yang terus memproduksi air tanpa energi tambahan. Bayangkan kubus berisi “sirip” dari material ini ditempatkan di tempat teduh dengan ember penampung di bawahnya. Akan menarik jika perangkat seperti itu benar-benar dibuat dan diukur berapa liter per hari yang bisa dihasilkan dalam kondisi tertentu. Khususnya, perangkat pasif yang dapat menghilangkan kelembapan udara tanpa energi mungkin juga bisa dipakai untuk penyelamatan nyawa dalam situasi berbahaya seperti fenomena suhu bola basah
Memang mungkin fakta bahwa kalor laten dialirkan ke perangkat pendingin disembunyikan demi efek dramatis, tetapi akan tetap tidak biasa jika dalam proses ini materialnya justru menjadi lebih panas daripada udara sekitar. Biasanya, untuk mengeluarkan air, suhu harus dibuat lebih rendah. Mungkin ini tidak cocok untuk mengukur laju ekstraksi air maksimum, tetapi mendinginkan sampai setara suhu sekitar adalah tugas yang jauh lebih mudah
Kecuali ada catatan yang sangat penting tersembunyi di suatu bagian makalah, apa yang mereka klaim tampaknya tidak sesuai dengan hukum kedua termodinamika. Mereka mengatakan bahwa tetesan air terbentuk di permukaan nanomaterial dalam keadaan <i>isotermal</i> dan pada <i>kelembapan relatif di bawah 100%</i>. Secara termodinamika ini sama sekali tidak mungkin. Dalam kondisi seperti itu, kondensasi hanya dapat terjadi di dalam permukaan cekung (pori), dan pembentukan tetesan cembung di permukaan datar tidak mungkin terjadi. Penjelasan dalam makalah bahwa "komponen hidrofilik dapat memeras air keluar" terdengar tidak masuk akal. Agar air yang terkumpul di pori cekung berpindah menjadi tetesan cembung, tekanan air harus sekaligus positif dan negatif, yang mustahil. Menurut saya ada salah satu dari tiga kemungkinan berikut: 1) permukaannya terkontaminasi 2) kelembapan relatifnya salah ukur 3) ada pelat pendingin yang lebih dingin dari lingkungan tetapi tidak disebutkan. Tautan makalah
Repost 4 hari lalu: tautan komentar HN dan mereka mempromosikannya dengan sangat berlebihan seolah sedang melanggar termodinamika. Nyatanya tidak begitu, dan dehumidifier yang ada pun sudah bisa menarik air sebanyak efisiensi yang diharapkan, jadi mestinya ada keunggulan lain. Tetapi tidak terlalu jelas apa keunggulan itu
Saya tidak setuju dengan pernyataan bahwa "dehumidifier sudah cukup mampu menarik air dari udara dengan membayar biaya energinya". Dehumidifier kondensasi pada praktiknya mengonsumsi listrik sebesar AC, juga membuang panas yang tidak diinginkan, dan cukup berisik. Dehumidifier desikan bahkan lebih tidak efisien. Jika ada cara untuk mengurangi kelembapan dengan energi lebih sedikit dan suara lebih rendah, itu perubahan yang benar-benar besar
Rasanya memang tidak benar-benar melanggar termodinamika. Meski begitu, secara teori untuk mengembunkan uap air di atmosfer tampaknya juga tidak perlu demikian. Menurut makalahnya, "[ketika PINF nanopori hidrogenik terekspos ke lingkungan dengan kelembapan di bawah 100%, diamati tetesan makroskopik yang terbentuk spontan di permukaan tanpa pendinginan]" tautan makalah
Ide di sini adalah mengambil air tanpa mendinginkan udara. Mula-mula material menerima kelembapan dan menjadi sedikit lebih panas, lalu panas ini kembali dipancarkan keluar secara pasif. Jika seluruhnya sistem tertutup, pada akhirnya akan mencapai kesetimbangan, tetapi justru fakta bahwa sistemnya tidak harus tertutup itulah pembeda utamanya
Untuk pertanyaan "bukankah harus ada sesuatu yang lebih menarik?", jawaban saya adalah: bayangkan Windtraps, yaitu konsep penjebak angin dari Dune
Ada komentar serupa yang berulang, jadi saya akan menggabungkannya untuk rujukan
Jika teknologi ini benar-benar praktis, saya rasa bidang penerapannya akan sangat banyak. Bisa dipasang satu di samping setiap pohon atau setiap batang tanaman. Di rumah, jika dipakai bersama A/C, ini dapat membantu efisiensi pendinginan dan pengendalian kelembapan. Air yang dikumpulkan di gunung atau gedung tinggi juga bisa dipakai untuk pembangkit listrik tenaga air skala kecil. Bahkan bisa dipakai untuk mengisi ulang air kolam renang
Saya penasaran apakah ini bisa dipakai untuk membuat metode desalinasi yang unggul. Air laut diuapkan ke udara dalam sistem tertutup sampai uap air jenuh, lalu material ini digunakan untuk memanen airnya
Sangat disayangkan mereka menggunakan ungkapan "melanggar hukum fisika". Riset ini merupakan penemuan penting dalam sistem kondensasi air, tetapi pernyataan yang dibesar-besarkan seolah tidak membutuhkan energi eksternal itu tidak bertanggung jawab. Menurut saya mereka mungkin telah membuat sesuatu yang mirip dengan Brownian ratchet. Selalu dikatakan tidak perlu energi eksternal, tetapi kalau dilihat lebih dekat pada akhirnya selalu ada perbedaan suhu, dan mempertahankan perbedaan itu tetap membutuhkan energi dari luar. Kemungkinan besar materialnya lebih dingin daripada udara, atau kelembapan yang masuk lebih hangat daripada lingkungannya. Bisa juga ada gradien suhu di dalam material, atau pencahayaan laboratorium memanaskan satu sisinya saja. Faktanya, banyak perangkat pasif bergantung pada perbedaan suhu siang dan malam, dan pada akhirnya energi itu datang dari matahari. Dalam artikel disebutkan bahwa mereka mencoba menghilangkan gradien suhu dengan menambah ketebalan material, tetapi saya tidak paham alasan di balik itu. Jika tidak ada yang sengaja memasukkan energi, material ini akan sangat efisien—dengan asumsi mereka memang tidak memakai sampel beku—tetapi tetap saja disayangkan bahwa demi menarik perhatian publik, kita merasa perlu mengklaimnya sebagai mesin gerak abadi
Saya juga paham bahwa universitas kadang merasa perlu menciptakan perhatian, tetapi istilah "Passively Harvest" dan "Defies Physics" harus digunakan dengan sangat hati-hati dalam konteks ilmiah. Ini memang posting blog, jadi saya tidak berharap ketelitian setingkat peer review, tetapi penggunaan istilah seperti ini pada akhirnya merugikan sains. Mempercayai bahwa suatu material ajaib bisa melanggar hukum kedua termodinamika lebih dekat ke alkimia daripada kimia
PET adalah bahan isolasi yang lumayan baik, dan para peneliti tampaknya sedang mencoba memastikan apakah perbedaan suhu memang penyebab kondensasi atau bukan. Mungkin jika suhu dan kelembapan sama-sama dikendalikan, itu berarti materialnya sendiri menjadi lebih panas, dan bahkan dalam kasus itu pun masalahnya bisa diatasi dengan pendinginan pasif memakai radiator. Fenomena yang dijelaskan makalah ini, jika benar-benar dapat diwujudkan, tampaknya bisa menjadi terobosan yang cukup besar dan cukup meyakinkan
Jika air dalam jumlah besar diambil dari atmosfer, pola iklim bumi bisa terdampak serius. Jika satu negara menyedot terlalu banyak air, hujan mungkin tidak akan turun di negara lain
Teknologi ini sendiri cukup menarik. Secara besar, ini seperti mengubah delta termodinamika dari siklus kondensasi-penguapan dari skala iklim besar menjadi sifat material. Jika ukuran porinya bisa diubah-ubah sesuka hati, keseimbangan masuk/keluar air pada tangki penyimpanan bisa dikendalikan kapan saja. Misalnya bisa diterapkan pada pakaian pintar: saat panas pori-pori dibuka agar lebih banyak air dilepas, dan saat dingin pori-pori diperkecil agar penguapan terhambat. Andai saja artikel itu tidak memakai ungkapan “melanggar fisika”
Yang perlu benar-benar dipahami orang adalah adanya hukum fisika bahwa energi minimum untuk memisahkan air dari udara jauh lebih besar daripada energi minimum untuk memisahkan air dari air garam. Itulah sebabnya desalinasi selalu lebih efisien daripada memanen air dari udara