Menghasilkan Energi dengan Menggunakan Radiasi Termal Sekitar Bumi

Menyadap Gradien Suhu

Sebagian besar metode pembangkitan energi kita bergantung pada perbedaan suhu. Perbedaan suhu ini seringkali diciptakan dengan memanaskan satu bagian melalui pembakaran bahan bakar fosil (batu bara, minyak, gas), fisi nuklir, pengeboran jauh di bawah tanah (panas bumi), atau memusatkan sinar matahari (tenaga surya terkonsentrasi).

Perbedaan suhu ini kemudian digunakan untuk memanaskan air atau cairan lain (seperti garam cair) untuk mengaktifkan turbin yang menghasilkan listrik.

Jadi, meskipun menangkap sinar matahari secara langsung (fotovoltaik) atau pergerakan alami (tenaga angin, tenaga air, pasang surut) juga merupakan suatu kemungkinan, gradien termal adalah bentuk pembangkit listrik yang paling umum, dari zaman mesin uap hingga saat ini.

Gradien termal lain yang secara teoritis dapat dimanfaatkan adalah perbedaan suhu antara Bumi dan luar angkasa.

Suhu permukaan rata-rata Bumi sekitar 15°C (59°F), sedangkan ruang angkasa berada pada suhu −270°C (−454°F). Perbedaan suhu teoretis yang sangat besar ini telah lama menarik minat para peneliti, tetapi memanfaatkannya bukanlah hal yang mudah.

Memancarkan Panas ke Luar Angkasa

Untuk radiasi termal pada panjang gelombang antara 8 dan 13 μm, atmosfer sepenuhnya transparan dan memungkinkan panas Bumi untuk keluar ke angkasa. Ini adalah mekanisme utama yang memungkinkan planet kita mendingin setelah menerima energi dari Matahari.

Secara teori, mesin yang mampu memancarkan gelombang pada panjang gelombang ini, atau frekuensi yang cukup dekat yang memancarkan energi ke langit yang lebih dingin (dibandingkan dengan permukaan tanah), dapat menghasilkan listrik dari suhu lingkungan sekitar.

Sebenarnya, metode ini telah didemonstrasikan, baik menggunakan perangkat semikonduktor celah pita rendah maupun generator termoelektrik. Namun, metode-metode ini tidak praktis untuk pembangkit listrik yang ekonomis karena daya keluarannya yang rendah dan kebutuhan akan unsur tanah jarang.

Namun, para ilmuwan Tristan J. Deppe dan Jeremy N. Munday, yang bekerja di Universitas California, mungkin telah menemukan alternatif menggunakan mesin Stirling. Mereka mempublikasikan karya mereka di jurnal ilmiah bergengsi Science.¹, dengan judul “Pembangkitan energi mekanik menggunakan radiasi ambien Bumi.".

Penjelasan tentang Mesin Stirling

Meskipun sebagian besar perbedaan suhu digunakan untuk menghasilkan tenaga dengan turbin yang digerakkan oleh uap, alternatifnya adalah mesin Stirling.

Mesin-mesin ini menciptakan gerakan mekanis ketika satu sisi mesin lebih panas atau lebih dingin daripada sisi lainnya.Berbeda dengan mesin pembakaran internal atau turbin, mesin ini tidak memerlukan pembakaran material.

Gerakan mekanis tersebut kemudian dapat diubah menjadi listrik dengan menggunakan alternator sederhana.

Mesin Stirling sangat awet, meskipun relatif berat, sehingga membatasi penerapannya untuk transportasi.

Hasil produksi listriknya juga sedikit lebih rendah daripada turbin, yang menjelaskan mengapa alat ini tidak umum digunakan di pembangkit listrik termal atau nuklir. Namun, alat ini dapat berfungsi bahkan dengan gradien suhu yang kecil, sedangkan turbin membutuhkan perbedaan suhu ratusan derajat antara panas dan dingin.

Bagaimana Mesin Stirling Menangkap Energi Termal Sekitar

Konsep dasar pembangkitan energi termal ambien yang digunakan di sini memiliki 2 komponen:

• Pelat bawah mesin tersebut bersentuhan langsung secara termal dengan permukaan Bumi.
• Pelat atas terhubung secara optik ke langit.

Untuk mengatur pelepasan panas ke udara dari bagian atas mesin, digunakan cat pemancar inframerah.

Sumber: Kemajuan ilmu pengetahuan

Metode ini memanfaatkan perbedaan suhu yang kecil antara tanah dan udara, terutama pada malam hari, yang hanya dapat dimanfaatkan oleh mesin Stirling untuk menghasilkan gerakan/energi.

Demonstrasi konsep kami menghubungkan mesin secara radiatif ke langit dan menghasilkan daya kontinu >400 mW/m2 di Bumi sepanjang malam.

Pengujian dalam Kondisi Nyata

Metode ini diuji di Davis, California, dengan perbedaan suhu 10°C (18°F) dan putaran roda gila mesin sebesar 1 Hz. Pengujian dilakukan sepanjang tahun, dan sebagian besar waktu berjalan dengan baik, meskipun musim dingin dengan hujan dan awan kurang efisien. Lebih dari suhu absolut, kandungan kelembapan udara lah yang paling memengaruhi efisiensi sistem ini.

Sumber: Kemajuan ilmu pengetahuan

Dalam kondisi kelembapan tinggi, perbedaan antara suhu siang dan malam berkurang karena konsentrasi air yang tinggi di atmosfer, yang mengurangi daya pendinginan radiasi, sehingga berdampak pada potensi energi secara keseluruhan.

Pemetaan Potensi Energi Sekitar

Dengan menggunakan hasil eksperimen mereka, para ilmuwan kemudian membuat model area-area yang memiliki potensi terbaik untuk penemuan mereka.

Mereka menarik beberapa kesimpulan:

• Kepadatan daya tertinggi terdapat di daerah kering dan pegunungan, di mana radiasi ke bawah paling rendah.
• Daerah dengan kelembapan tinggi memiliki potensi energi yang lebih rendah.
• Pembangkitan listrik hampir nol di wilayah yang banyak ditumbuhi hutan, di mana kelembapan yang tinggi mencegah pendingin udara membuang panas ke langit secara efektif.

Dengan menggunakan data ini, mereka membuat peta yang menunjukkan area di Bumi yang memiliki potensi terbaik untuk menerapkan mesin Stirling radiasi ambien.

Sumber: Kemajuan ilmu pengetahuan

Wilayah dengan potensi terbaik adalah:

• Afrika Sahara.
• Stepa Eurasia.
• Antartika selama musim panas.
• Wilayah pedalaman Pantai Barat AS.
• Pegunungan Andes
• Dataran tinggi Tibet.

Perbaikan di Masa Depan

Geser untuk menggulir →

Karya ini lebih merupakan uji coba konsep, sehingga beberapa elemen desain dapat ditingkatkan.

Elemen pertama adalah meningkatkan daya pendinginan radiasi. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan material pendingin radiasi yang dirancang khusus, bukan cat komersial.

Elemen kedua adalah meningkatkan konduktivitas listrik ke Bumi, misalnya, dengan menggunakan area permukaan kontak yang lebih besar dan material dengan konduktivitas termal yang lebih tinggi seperti tembaga.

Mesin yang lebih besar juga dapat meningkatkan daya keluaran total dan efisiensi. Penggunaan helium atau hidrogen sebagai pengganti udara pada piston mesin Stirling juga dapat mengurangi gesekan dan meningkatkan hasil produksi.

Terakhir, peradaban industri kita menghasilkan panas limbah yang signifikan dari rumah kaca, pabrik, sistem HVAC, dan bangunan tempat tinggal yang dipanaskan di musim dingin, di antara sumber-sumber lainnya. Hal ini dapat meningkatkan perbedaan suhu antara tanah dan langit secara signifikan, sehingga meningkatkan produksi energi.

Dalam praktiknya, perbedaan suhu 35-40°C (72°F) dapat menghasilkan daya hampir 4 kali lipat dibandingkan dengan perbedaan suhu 15°C.

Sumber: Kemajuan ilmu pengetahuan

Menuju “Panel Surya Terbalik”

Karena desain ini bekerja paling baik di malam hari (walaupun juga dapat beroperasi di siang hari dengan perubahan desain), tampaknya desain ini menjadi pelengkap yang baik untuk panel surya fotovoltaik.

Ini juga bisa menjadi cara yang bagus untuk memaksimalkan penggunaan panas limbah, baik dari bentuk pembangkit listrik lainnya, proses industri, bangunan hangat (kantor, apartemen, rumah), atau rumah kaca.

Terakhir, sistem ini dapat dirancang sebagai metode pendinginan tambahan untuk dipasang pada bangunan, dengan sistem tersebut menyerap panas dan memancarkannya kembali ke luar angkasa.

Jika diterapkan dalam skala yang cukup besar, teknologi ini bahkan dapat menghasilkan listrik sekaligus mengurangi panas yang diserap Bumi secara keseluruhan, yang merupakan hal yang cukup unik dibandingkan dengan semua metode pembangkit listrik lainnya.

Perusahaan Mesin Stirling

Aerojet Rocketdyne dan L3 Harris: Inovator Mesin Stirling Terkemuka

Mesin Stirling merupakan aplikasi khusus dalam pembangkitan energi, tetapi masih Pasar senilai $1.17 miliar pada tahun 2025, diperkirakan akan tumbuh dengan CAGR 8.5% hingga tahun 2029, mencapai $1.62 miliar.Namun, hanya sedikit perusahaan yang aktif di sektor ini yang terdaftar di bursa saham.

Aerojet Rocketdyne, sebuah cabang dari kontraktor kedirgantaraan & pertahanan L3 Harris, berkolaborasi dengan mitra seperti NASA dan SunPower Inc. untuk mengembangkan mesin Stirling untuk aplikasi luar angkasa.

Aerojet Rocketdyne diakuisisi oleh L3 Harris pada tahun... Juli 2023 senilai $4.7 miliar, menambahkan 4^th departemen ke perusahaan.

Sunpower Inc (agar tidak salah merujuk pada Sunpower, perusahaan panel surya) (SPWR )) adalah penemu desain mesin Stirling tingkat lanjut: Mesin Stirling Piston Bebas (FPSE)FPSE dapat digunakan untuk menghasilkan energi dari panas dan untuk mendinginkan menggunakan energi.

Teknologi ini sangat cocok untuk Sistem Tenaga Radioisotop (RPS), yang menggunakan peluruhan alami bahan radioaktif untuk menghasilkan panas, yang kemudian diubah oleh mesin Stirling menjadi energi listrik yang dapat digunakan. Salah satu proyek besar untuk mesin semacam itu adalah untuk memberi daya pada peralatan di Bulan, atau bahkan pangkalan bulan kecil.

Sumber: NASA

NASA telah lama tertarik pada mesin Stirling, berkat keandalannya, pengoperasian tanpa perawatan, dan masa pakainya yang lama, terutama dengan Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG).

Selain mesin Stirling untuk eksplorasi bulan, L3 Harris adalah perusahaan militer dan kedirgantaraan besar. Perusahaan ini menghasilkan 60% pendapatannya dari Departemen Pertahanan AS (DoD), 20% dari pesanan pertahanan internasional, dan 20% dari industri sipil.

Perlu dicatat, Harris menguasai 45% pasar radio taktis global, beberapa kali lebih besar daripada pesaing terdekatnya.

Mengenai sistem tak berawak, L3Harris punya drone lepas landas vertikal, FVR-90, yang kapal otonom laut Shadowfox (panjang 13m), keluarga drone bawah air Iver, dan merupakan kontraktor utama untuk penghargaan kontrak besar pertama Angkatan Laut AS untuk Kendaraan Permukaan Tak Berawak Sedang (MUSV).

Aerojet juga merupakan pengembang rudal hipersonik dan sistem rudal lainnya.

Secara keseluruhan, L3 Harris adalah perusahaan teknologi terkemuka dalam hal sistem otonom, roket, dan sistem energi kedirgantaraan, dengan keahlian teknis yang solid untuk kontrak sipil dan militer.

Berita dan Perkembangan Terbaru Saham L3 Harris (LHX)

Studi Referensi

^{1. Tristan J. Deppe dan Jeremy N. Munday. Pembangkitan energi mekanik menggunakan radiasi ambien Bumi.. Kemajuan Sains. 12 November 2025. Vol 11, Edisi 46. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833}