Sistem Hidrogen yang Dapat Diskalakan Memungkinkan Penerbangan Bebas Emisi

Mobilitas merupakan bagian krusial dalam kehidupan kita sehari-hari, dan penerbangan merupakan komponen kunci dari kemampuan untuk bepergian dari satu tempat ke tempat lain dengan cepat.

Dengan memungkinkan orang dan barang menempuh jarak bermil-mil dalam beberapa jam, industri penerbangan menghubungkan orang-orang seperti yang tidak dapat dilakukan oleh moda transportasi lain. Hal ini menjadikannya kontributor signifikan bagi ekonomi global, yang menyumbang 3.5% dari produk domestik bruto (PDB) dunia. 

Industri ini juga mendukung total 86.5 juta pekerjaan di seluruh dunia, dengan perkiraan ukuran pasar industri penerbangan global melebihi $760 miliar.

Perlu dicatat, maskapai penerbangan di seluruh dunia diproyeksikan telah membawa sekitar 9.5 miliar penumpang pada tahun 2024, menunjukkan peningkatan sebesar 104% dari level tahun 2019 dan kenaikan sebesar 9% mulai tahun 2023, menurut ACI World. Pertumbuhan ini diperkirakan akan semakin cepat, dengan lalu lintas penumpang global diproyeksikan mencapai 19.5 miliar pada tahun 2042.

Industri penerbangan jelas berkembang, dan masa depannya memang cerah. Meskipun demikian, industri ini juga berkontribusi terhadap emisi gas rumah kaca (GRK). sampai batas yang cukup besar.

Meskipun penerbangan hanya menyumbang sebagian kecil emisi global, 2.5%, pertumbuhannya lebih cepat daripada kereta api, jalan raya, atau pengiriman barang antara tahun 2000 dan 2019. Meningkatnya permintaan perjalanan internasional setelah pandemi Covid-19 sebenarnya menyebabkan emisi penerbangan mencapai hampir 950 Mt CO2.

Emisi penerbangan tidak hanya tumbuh dengan cepat, tetapi juga merupakan salah satu sektor yang paling menantang untuk didekarbonisasi, sehingga menimbulkan tantangan lingkungan yang kritis.

Oleh karena itu, fokus industri saat ini adalah pada dekarbonisasi operasinya dan mencapai tujuan Net Zero, yang melibatkan mengurangi emisi CO2 ke tingkat yang dapat diserap alam pada tahun 2050.

Membuka Harapan Hidrogen untuk Penerbangan Bebas Emisi

Karena penerbangan menyumbang sebagian besar karbon dioksida global dan emisi jejak kondensasi, menjadi sangat penting untuk mengembangkan solusi canggih dan komprehensif guna memenuhi tujuan iklim industri. 

Salah satu solusi yang menjanjikan adalah hidrogen, unsur kimia paling ringan dan paling melimpah di alam semesta, yang merupakan sekitar 75% dari semua materi normal.

Unsur kimia ini telah muncul sebagai alat dekarbonisasi yang populer dan berharga berkat pembakarannya yang bersih. Ini adalah bahan bakar yang terbakar bersih karena hanya menghasilkan uap air sebagai produk sampingan saat dibakar.

Selain itu, kerapatan energi gravimetrik, atau energi yang tersedia per satuan massa suatu zat, dari hidrogen kira-kira 2.8 kali lebih tinggi daripada kerapatan energi gravimetrik bahan bakar penerbangan konvensional, minyak tanah. Hidrogen sebenarnya memiliki kerapatan energi gravimetrik tertinggi dari semua zat yang diketahui, yaitu, ~120 kJ/g. Sebaliknya, bahan bakar jet berbasis minyak tanah memiliki kerapatan energi yang sama dengan 43 MJ/kg.

Namun, hidrogen memiliki kepadatan rendah pada kondisi sekitar, yaitu 0.08 kg/m3. Hal ini menimbulkan tantangan penyimpanan yang besar, terutama untuk penerbangan jarak jauh.

Alternatif praktis untuk hal ini adalah menyimpan gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa dalam bentuk cair pada suhu 20 K. Bentuk ini meningkatkan kerapatan hidrogen menjadi 𝜌𝐿𝐻2 = 70.8 kg/m³, yang muncul sebagai solusi untuk aplikasi penerbangan.

Perusahaan juga telah mengeksplorasi berbagai aspek integrasi hidrogen cair (LH2) di pesawat, termasuk manajemen termal, mekanisme kontrol tekanan, strategi isolasi, dan desain tangki kriogenik.

Namun, sistem holistik yang mengintegrasikan penyimpanan LH2, manajemen termal, dan kontrol transfer dalam bentuk yang dapat disesuaikan dengan desain pesawat masih kurang dieksplorasi.

Jadi, tim peneliti dari Fakultas Teknik FAMU-FSU, yang merupakan fakultas teknik gabungan antara Universitas Florida A&M dan Universitas Negeri Florida, telah merancang sistem penyimpanan dan pengiriman hidrogen cair yang dapat membantu industri penerbangan mewujudkan tujuan emisi nol.  

Dengan dukungan dari NASA, penelitian ini menguraikan sistem terpadu yang dapat diskalakan yang mengatasi berbagai tantangan teknik dengan memungkinkan penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar bersih. Hidrogen juga digunakan sebagai media pendingin internal untuk sistem daya kritis di dalam pesawat bertenaga listrik. 

Tim tersebut menunjukkan bahwa hidrogen cair dapat disimpan secara efisien, dipindahkan dengan aman, dan digunakan untuk mendinginkan sistem penting dalam pesawat sekaligus mendukung kebutuhan daya pesawat selama fase lepas landas, jelajah, dan pendaratan.

Menurut penulis penelitian tersebut, Wei Guo, yang merupakan seorang profesor di Departemen Teknik Mesin:

"Tujuan kami adalah menciptakan sistem tunggal yang menangani berbagai tugas penting: penyimpanan bahan bakar, pendinginan, dan kontrol pengiriman. Desain ini menjadi dasar bagi sistem penerbangan hidrogen di dunia nyata."

Pesawat Hibrida-Listrik Hidrogen: Solusi Penggerak yang Dapat Disesuaikan

Diterbitkan di Energi Terapan¹, penelitian ini melakukan tugas mengurangi emisi karbon dan jejak kondensasi industri penerbangan, yang merupakan kontributor utama terhadap perubahan iklim, dengan mengusulkan desain inovatif untuk sistem penyimpanan hidrogen cair, manajemen termal, dan pengendalian pemindahannya, yang disesuaikan untuk Penerbangan Nol Emisi Terpadu (IZEA). 

IZEA merupakan kolaborasi akademis-industri yang bertujuan mencapai nol emisi gas rumah kaca dari penerbangan komersial. Mitra industri meliputi Raytheon Technologies, Boeing, dan Advanced Magnet Laboratories.

Secara khusus, kolaborasi ini meneliti produksi daya hibrida melalui kombinasi sel bahan bakar dan generator turboelektrik, memanfaatkan hidrogen dengan oksigen terkonsentrasi atau udara sekitar.

Tujuan IZEA adalah untuk mengetahui cara menggunakan hidrogen cair sebagai bahan bakar sekaligus meningkatkan efisiensi dan daya tanpa menambah berat.

Mereka terpilih Fakultas Teknik FAMU-FSU untuk membantu mengembangkan sistem penerbangan berkelanjutan pada akhir tahun 2022, sebagai bagian dari proyek lima tahun senilai $10 juta.

Untuk memenuhi agenda nasional untuk sistem energi dan propulsi pesawat komersial guna mengurangi emisi berbahaya industri penerbangan, tim FAMU-FSU akan bekerja sama dengan para peneliti dari Universitas Kentucky, Universitas di Buffalo, Georgia Tech, dan mitra industri, seperti yang diumumkan IZEA dua setengah tahun lalu.

Kini, kolaborasi tersebut telah mengatasi kurangnya sistem holistik dengan membangun sistem propulsi berbasis hidrogen yang skalabel dan komprehensif untuk pesawat masa depan. 

Proyek ini dimulai dengan penerbangan regional jarak pendek untuk menilai kelayakan jangka pendek penerbangan bertenaga hidrogen cair. Fokus di sini adalah pada prototipe pesawat dengan konfigurasi bodi sayap campuran, yang dapat mengangkut 100 penumpang.

Pesawat hibrida-listrik ini mendapatkan tenaga dari sel bahan bakar hidrogen dan generator listrik superkonduktor suhu tinggi (HTS), yang digerakkan oleh turbin pembakaran berbahan bakar hidrogen. 

Sel bahan bakar menawarkan solusi untuk menghindari emisi NOx dan jejak kondensasi, oleh karena itu organisasi seperti Airbus dan CHEETA juga meneliti pesawat bertenaga sel bahan bakar. Akan tetapi, masalah dengan tumpukan sel bahan bakar saat ini adalah tumpukan tersebut sangat besar, sehingga sulit untuk memberi daya pada pesawat besar di berbagai fase, terutama saat lepas landas.  Sebagai solusi untuk masalah ini, tim memperkenalkan sumber daya ganda. 

Sel bahan bakar digunakan selama kondisi beban rendah, seperti meluncur dan berlayar, dengan daya maksimum sekitar 6.8 MW. Sementara itu, generator superkonduktor yang digerakkan turbin hidrogen memasok daya tambahan (9.4 MW) yang dibutuhkan selama lepas landas. Kombinasi ini menghasilkan daya total hingga puncak 16.2 MW dan meningkatkan ketahanan dengan menyediakan redundansi daya.

Untuk mengatasi tantangan kepadatan, hidrogen kurang padat dan karenanya memakan banyak ruang kecuali disimpan pada suhu -253°C sebagai cairan super dingin, para peneliti merancang tangki kriogenik dan subsistem terkaitnya menggunakan indeks gravimetrik baru.

Indeks tersebut merupakan rasio massa bahan bakar terhadap sistem bahan bakar penuh, tetapi indeks tim mencakup massa bahan bakar hidrogen, struktur tangki, penukar panas, insulasi, fluida kerja, dan perangkat peredaran darah.

Untuk menemukan konfigurasi yang memberikan massa bahan bakar maksimum relatif terhadap massa sistem total, para peneliti terus menyesuaikan parameter utama seperti tekanan ventilasi dan dimensi penukar panas hingga menemukan yang optimal.

Tata letak ideal mencapai indeks gravimetrik sebesar 0.62. Ini berarti 62% dari total berat sistem merupakan bahan bakar hidrogen yang dapat digunakan, yang menunjukkan peningkatan signifikan dibandingkan desain konvensional.

Untuk manajemen termal, fungsi kunci lain dari sistem ini, para peneliti tidak memasang sistem pendingin terpisah, melainkan menyalurkan hidrogen yang sangat dingin melalui penukar panas. Penukar panas ini, yang disusun secara bertahap, membuang panas terbuang dari komponen-komponen seperti kabel, motor, generator superkonduktor, dan elektronika daya. Penyerapan panas ini secara bertahap akan meningkatkan suhu hidrogen.

Mengoptimalkan Pengiriman Hidrogen & Manajemen Termal dalam Penerbangan

Dalam hal menyalurkan hidrogen cair ke seluruh pesawat, ada tantangan tersendiri. Misalnya, pompa tidak hanya menambah berat tetapi juga menambah kerumitan pada sistem dan dapat menimbulkan panas yang tidak diinginkan dalam kondisi kriogenik. 

Untuk mengatasi tantangan ini, tim mengembangkan sistem tanpa pompa yang memanfaatkan tekanan tangki untuk mengendalikan aliran bahan bakar hidrogen. 

Tekanan ditingkatkan dengan menyuntikkan gas hidrogen dari tabung bertekanan tinggi biasa dan dikurangi dengan mengeluarkan uap hidrogen. Untuk penyesuaian tekanan secara langsung, loop umpan balik menghubungkan sensor tekanan ke kebutuhan daya pesawat, yang memastikan laju aliran hidrogen yang akurat di semua fase penerbangan. 

Sistem tersebut, menurut simulasi, mampu menyalurkan hidrogen dengan laju hingga 0.25 kilogram per detik. Laju penyaluran ini cukup untuk memenuhi permintaan listrik sebesar 16.2 megawatt saat lepas landas atau dalam keadaan darurat, di mana pesawat harus berputar arah.

Dengan pertukaran panas yang diatur secara berurutan, saat hidrogen bergerak melalui sistem, gas tersebut pertama-tama mendinginkan komponen yang beroperasi pada suhu kriogenik, seperti kabel dan generator HTS. Kemudian, gas tersebut menyerap panas dari komponen bersuhu lebih tinggi, seperti motor dan elektronika daya. Terakhir, sebelum hidrogen mencapai sel bahan bakar, gas tersebut dipanaskan terlebih dahulu agar sesuai dengan kondisi optimal saluran masuk sel bahan bakar.

Integrasi termal bertahap inilah yang memungkinkan hidrogen cair digunakan sebagai bahan bakar dan pendingin, sehingga memaksimalkan efisiensi sistem sekaligus meminimalkan kerumitan perangkat keras.

“Sebelumnya, orang-orang tidak yakin tentang cara memindahkan hidrogen cair secara efektif di dalam pesawat dan apakah Anda juga dapat menggunakannya untuk mendinginkan komponen sistem tenaga. Kami tidak hanya menunjukkan bahwa hal itu layak dilakukan, tetapi kami juga menunjukkan bahwa Anda perlu melakukan pengoptimalan tingkat sistem untuk jenis desain ini.”

- guo

Fokus penelitian di sini adalah pada optimasi desain dan simulasi sistem. Pada langkah berikutnya, peneliti akan melakukan validasi eksperimental. Untuk ini, tim akan membangun sistem prototipe dan kemudian menjalankan pengujian di Pusat Sistem Daya Lanjutan FSU.

Dalam penelitian mereka selanjutnya, para peneliti juga akan fokus pada desain penukar panas, yang terdapat di setiap putaran sirkulasi, dan mentransfer panas dari komponen ke fluida kerja. Penelitian saat ini tidak memiliki spesifikasi terperinci untuk material, ukuran, dan sifat termal dari komponen-komponen ini.

Strategi manajemen termal yang inovatif juga akan menjadi fokus untuk mendinginkan tumpukan sel bahan bakar dan mengatasi panas yang dihasilkan secara signifikan selama pengoperasian. Kemajuan ini, menurut penelitian tersebut, sangat penting untuk menyempurnakan arsitektur manajemen termal secara keseluruhan dan memastikan penerapan praktis teknologi penerbangan tanpa emisi.

Berinvestasi dalam Teknologi Penerbangan Bertenaga Hidrogen

Ketika berbicara tentang investasi di sektor penerbangan, ekstensi RTX (RTX )Menawarkan peluang berpotensi tinggi. Perusahaan kedirgantaraan dan pertahanan terbesar di dunia ini merupakan mitra industri inti dalam kolaborasi IZEA. Perusahaan ini juga memiliki program R&D ekstensif yang menargetkan teknologi penerbangan berkelanjutan, termasuk sel bahan bakar dan sistem bertenaga hidrogen.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX beroperasi melalui tiga segmen utama:

• Collins Aerospace menyediakan produk kedirgantaraan dan pertahanan berteknologi maju untuk maskapai penerbangan komersial, produsen pesawat sipil dan militer, dan operasi ruang angkasa.
• Segmen Pratt & Whitney memasok mesin pesawat terbang untuk pelanggan militer, umum, dan komersial.
• Raytheon mengembangkan rudal, senjata pintar, dan kemampuan pertahanan udara dan rudal yang canggih.

Melalui divisi Collins Aerospace dan Pratt & Whitney, RTX secara aktif terlibat dalam pengembangan dan pengujian pesawat bertenaga hidrogen dan teknologi terkait.

Ini termasuk program HySIITE, yang berupaya agar industri penerbangan dapat menggunakan hidrogen dalam skala besar. Disponsori oleh Badan Proyek Penelitian Lanjutan DOE-Energy, proyek ini dioptimalkan untuk hidrogen cair dan akan selesai pada Desember 2024. Uji coba HySIITE menunjukkan pengurangan NOx sebesar 99.3% dibandingkan dengan mesin GTF dan peningkatan efisiensi energi hingga 35%.

Sementara itu, dua proyek lainnya sedang berlangsung untuk mendorong masa depan hidrogen dalam penerbangan. Studi Mesin Hidrogen Canggih (HyADES), yang didukung oleh inisiatif gabungan industri-pemerintah Kanada, INSAT, tengah berupaya memajukan penggunaan hidrogen untuk pesawat turboprop. Sementara itu, COCOLIH2T didukung oleh Usaha Patungan Hidrogen Bersih Uni Eropa dan tengah mengembangkan cara untuk menyimpan bahan bakar.

Terkait kinerja pasar Raytheon, sahamnya sedang melesat tinggi. Saham perusahaan, dengan kapitalisasi pasar sebesar $183.64 miliar pada saat penulisan, telah diperdagangkan di atas $137.50, rekor tertinggi sepanjang masa (ATH) dan menunjukkan kenaikan year-to-date (YTD) sebesar 18.7%.

Saham RTX telah mengalami pertumbuhan yang konstan selama tiga dekade terakhir. Sahamnya juga naik sekitar 21% sejak titik terendah di bulan April. Dengan demikian, EPS (TTM)-nya adalah 3.41 dan P/E (TTM) adalah 40.31. Raytheon juga menawarkan imbal hasil dividen yang menarik sebesar 1.98%.

Sedangkan untuk keuangan perusahaan, melaporkan kinerja yang kuat pada kuartal pertama tahun 2025 dengan penjualan meningkat sebesar 5% dari tahun sebelumnya menjadi $20.3 miliar dan laba per saham (EPS) yang disesuaikan menjadi $1.47. Arus kas operasi Raytheon selama periode ini adalah $1.3 miliar, dan arus kas bebas adalah $0.8 miliar, sementara backlog adalah $217 miliar, termasuk $92 miliar dalam pertahanan dan $125 miliar dalam komersial.

“Kami mengawali tahun 2025 dengan baik. Kondisi saat ini jelas sangat dinamis, tetapi perusahaan kami memiliki posisi yang baik untuk menjalankan operasional dan tim kami tetap fokus untuk melaksanakan komitmen dan menyelesaikan pekerjaan yang tertunda.”

– Presiden dan CEO RTX Chris Calio

Untuk keseluruhan tahun 2025, perusahaan memproyeksikan penjualan yang disesuaikan antara $83-$84.0 miliar, EPS yang disesuaikan antara $6.00 dan $6.15, dan arus kas bebas sebesar $7-$7.5 miliar sambil mencatat bahwa estimasi ini tidak mencakup dampak tarif yang baru saja diberlakukan.

Di tengah semua ini, perusahaan tersebut baru saja mendapatkan kontrak senilai $536 juta dari Angkatan Laut AS minggu ini untuk keluarga radar SPY-6, yang kini telah terpasang di dua kapal mereka, dengan tiga lagi siap dipasang. Selama dekade berikutnya, radar akan dipasang di lebih dari 60 kapal Angkatan Laut AS.

Sebagai bagian dari kontrak, Raytheon akan memberikan dukungan berkelanjutan melalui pelatihan, instalasi, integrasi, dan pengujian, selain peningkatan perangkat lunak untuk meningkatkan kemampuan radar.

“SPY-6 adalah radar paling canggih di armada angkatan laut AS, yang memberikan kapal pertahanan tingkat baru terhadap ancaman yang terus berkembang.”

– Barbara Borgonovi, presiden Naval Power di Raytheon.

Radar pertahanan rudal AN/TPY-13 ke-2 juga telah dikirimkan ke Badan Pertahanan Rudal AS, menandai unit pertama yang dilengkapi susunan berbasis GaN sepenuhnya, yang secara signifikan meningkatkan sensitivitas dan kinerja sistem.

Perusahaan juga telah mendapatkan kontrak senilai $1.1 miliar untuk pembuatan dan pengiriman rudal AIM-9X Sidewinder. Dengan kontrak ini, Raytheon melanjutkan dukungan jangka panjangnya terhadap program Sidewinder, sistem rudal jarak pendek yang banyak digunakan di seluruh dunia.

Klik di sini untuk daftar saham kedirgantaraan & pertahanan teratas.

Berita dan Perkembangan Saham RTX Corp. (RTX) Terbaru

Pemikiran Akhir: Peran Hidrogen dalam Penerbangan Berkelanjutan

Sektor penerbangan tumbuh pesat dan berkontribusi pada pembangunan ekonomi dan sosial global, tetapi pada saat yang sama, sektor ini menciptakan kebutuhan mendesak untuk mengatasi masalah emisi karbon dan jejak kondensasi. Di sini, hidrogen, dengan energi kimia spesifiknya yang tinggi, telah muncul sebagai alternatif bahan bakar bersih yang menjanjikan.

Dengan mempertimbangkan hal itu, studi terbaru menyajikan kerangka kerja komprehensif untuk merancang dan mengoptimalkan penyimpanan hidrogen cair, manajemen termal, dan sistem kontrol transfer, yang menunjukkan potensinya untuk memajukan teknologi penerbangan yang efisien dan berkelanjutan.

Dengan memanfaatkan dampak positif hidrogen terhadap perubahan iklim dan kualitas udara, industri penerbangan kini memiliki jalur yang layak untuk mengurangi jejak karbonnya, membuka jalan bagi masa depan di mana perjalanan jarak jauh tidak lagi mengorbankan planet ini.

Klik di sini untuk inovasi kedirgantaraan terkini yang membuka jalan bagi penerbangan generasi berikutnya.

Studi yang dirujuk:

^{1. Virdi, PS, Guo, W., Cattafesta, LN III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, JC, He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Penyimpanan hidrogen cair, manajemen termal, dan sistem kendali transfer untuk penerbangan tanpa emisi terpadu (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}