Menjaring air di udara: Peneliti NUS kembangkan alat memanen air otonom

Dunia berada di ambang krisis air tawar. Estimasi menunjukkan bahwa pada tahun 2025, setengah dari populasi dunia mungkin tinggal di daerah yang menghadapi kelangkaan air. Menanggapi tantangan ini, para peneliti dari Universitas Nasional Singapura (National University of Singapore, NUS) telah mengembangkan aerogel baru yang dirancang untuk meningkatkan efisiensi pemanenan air atmosfer.

Pengembangan ini, yang dipimpin oleh Associate Professor TAN Swee Ching dari Departemen Ilmu Material dan Teknik di bawah Fakultas Desain dan Teknik di NUS, menawarkan solusi praktis untuk masalah mendesak kelangkaan air tawar, khususnya di daerah kering.

Aerogel mampu menyerap kelembapan dari udara hingga sekitar 5,5 kali beratnya, mempertahankan kinerjanya di berbagai tingkat kelembapan, dan efektif bahkan dalam kondisi serendah 20 persen kelembapan relatif, sehingga cocok untuk berbagai lingkungan. Untuk menunjukkan penerapan aerogel, tim peneliti telah mengintegrasikannya ke dalam generator air atmosfer otonom bertenaga surya yang secara efisien mengumpulkan dan melepaskan air tawar tanpa memerlukan sumber energi eksternal.

Memanfaatkan atmosfer

Atmosfer Bumi diperkirakan menampung 13.000 triliun liter air — yang merupakan cadangan yang belum dimanfaatkan yang berpotensi mengurangi kelangkaan air di banyak wilayah kering dan rawan kekeringan di seluruh dunia. Namun, tantangannya selalu adalah mengubah uap air secara efisien menjadi sumber daya yang dapat digunakan, dengan mempertimbangkan variabilitas kondisi atmosfer dan permintaan energi dari teknologi saat ini.

Pemanenan air atmosfer berbasis sorpsi (SAWH) menggunakan sorben untuk mengekstrak air dari udara, menghadirkan solusi hemat energi dan mudah dioperasikan yang dapat diterapkan di berbagai lingkungan, termasuk wilayah dengan sumber daya terbatas. Meskipun berpotensi, SAWH menghadapi tantangan dengan sorben konvensional seperti alumina aktif, gel silika, dan zeolit, yang penyerapan airnya tidak memadai atau memerlukan suhu tinggi untuk melepaskan air. Meskipun sorben yang lebih baru, termasuk garam higroskopis dan kerangka logam-organik, meningkatkan aspek-aspek ini, sorben tersebut mengalami masalah seperti deliquescence dan aglomerasi, yang membahayakan efisiensi dan kapasitas penyerapan airnya. Selain itu, perangkat SAWH umumnya tidak mampu mendukung lebih dari satu siklus penangkapan-pelepasan air setiap hari, sehingga membatasi kegunaannya untuk produksi air tawar berkelanjutan dan berskala besar.

Untuk mengatasi keterbatasan ini, para peneliti NUS memanfaatkan kreativitas mereka guna membuat material yang lebih mudah beradaptasi dan hemat energi untuk SAWH. Dengan mengubah magnesium klorida menjadi kompleks magnesium super higroskopis dan menggabungkannya ke dalam aerogel yang terdiri dari natrium alginat dan karbon nanotube, mereka mengembangkan aerogel komposit yang mengatasi kekurangan teknologi sebelumnya.

Seperti spons, aerogel menyerap uap air langsung dari udara ke dalam strukturnya yang berpori, tempat uap air tersebut mengembun dan disimpan hingga dibutuhkan. Saat terkena sinar matahari atau sedikit peningkatan suhu sekitar (sekitar 50° C), aerogel melepaskan air yang tersimpan sebagai air segar dan cair. Proses ini difasilitasi oleh komposisi unik aerogel, yang menggabungkan sifat-sifat magnesium kompleks yang menarik kelembapan dengan sifat termal karbon nanotube — yang memungkinkan penyerapan dan pelepasan air yang cepat.

Properti utama aerogel meliputi kapasitas penyerapan airnya yang tinggi — sekitar 5,5 kali beratnya pada tingkat kelembapan relatif 95 persen dan 27 persen dari beratnya pada tingkat kelembapan relatif 20 persen, yang merupakan ciri khas iklim gurun. Selain itu, strukturnya yang kokoh memungkinkan penggunaan berulang tanpa mengurangi efisiensi. Aerogel juga hemat biaya untuk diproduksi — bahan baku yang diperlukan untuk memproduksi satu meter persegi aerogel hanya seharga US$2.

“Aerogel menunjukkan kinetika penyerapan/desorpsi yang cepat dengan 12 siklus per hari pada tingkat kelembapan relatif 70 persen, yang setara dengan hasil air 10 liter per kilogram aerogel per hari,” kata Assoc Prof Tan. “Karbon nanotube memainkan peran penting dalam meningkatkan efisiensi konversi fototermal aerogel, yang memungkinkan pelepasan air lebih cepat dengan konsumsi energi minimal.”

Dari konsep hingga kenyataan

Para peneliti juga telah merancang dan membangun generator air atmosfer otonom yang sepenuhnya bertenaga surya yang menggabungkan dua lapisan aerogel baru. Setiap lapisan secara bergantian terlibat dalam siklus penyerapan/desorpsi air, yang beroperasi tanpa masukan energi eksternal apa pun. Pengaturan ini menunjukkan kepraktisan aerogel untuk memfasilitasi produksi air tawar berkelanjutan — fitur yang bermanfaat di wilayah terbelakang atau daerah yang kekurangan infrastruktur air bersih yang diperlukan.

Potensi aplikasi teknologi ini sangat luas, meliputi pendinginan evaporatif dan pemanenan energi hingga penginderaan cerdas dan pertanian perkotaan. Tim telah mengajukan paten untuk teknologi mereka.

Para peneliti NUS berharap dapat berkolaborasi dengan pertanian lokal dan mitra industri untuk memajukan penelitian mereka dan mengomersialkan teknologi mereka.