Nationalgeographic.co.id—Tim ilmuwan dari Northwestern University dan Seoul National University berhasil mengembangkan bahan termoelektrik berperforma tinggi yang dapat mengubah limbah panas menjadi energi listrik. Rincian temuan tersebut telah dipublikasikan di Jurnal Nature Material pada 2 Agustus 2021.
Para peneliti telah mendemonstrasikan bahan termoelektrik berkinerja tinggi dalam bentuk praktis yang dapat digunakan dalam pengembangan perangkat. Materi tersebut merupakan selenida timah murni dalam bentuk polikristalin. Bentuk ini mengungguli bentuk kristal tunggal dalam mengubah panas menjadi listrik, yang menjadikannya sistem termoelektrik paling efisien yang pernah tercatat hingga saat ini.
Perangkat termoelektrik sebenarnya sudah digunakan saat ini, namun hanya dalam aplikasi khusus seperti yang digunakan Mars Curiosity Rover atau penjelajah Mars. Di Planet Merah itu sumber panasnya adalah peluruhan radioaktif plutonium, dan efisiensi konversi perangkat mencapai 4-5 persen. Itu cukup baik untuk mendukung operasinya di Mars, tetapi tidak cukup baik untuk aplikasi di Bumi.
"Perangkat termoelektrik telah digunakan (saat ini), tetapi hanya dalam aplikasi khusus, seperti di penjelajah Mars," kata Mercouri Kanatzidis dalam rilis Northwestern University.
Kanatzidis, ahli kimia yang berspesialisasi dalam desain material baru, menjelaskan bahwa para peneliti mampu mencapai tingkat konversi tinggi setelah mengidentifikasi dan menghilangkan masalah oksidasi yang telah menurunkan kinerja. Target aplikasi utama perangkat termoelektrik adalah menangkap panas limbah industri, dengan potensi penghematan energi yang sangat besar.
Selenida timah polikristalin dapat dikembangkan untuk digunakan dalam perangkat termoelektrik solid-state di berbagai industri. Potensi penghematan energi yang sangat besar. Target aplikasi utama adalah menangkap panas limbah industri—seperti dari pembangkit listrik, industri mobil dan pabrik pembuatan kaca dan batu bata—lalu mengubahnya menjadi listrik.
Baca Juga: Teknik Memasak Ayam dengan Menamparnya Berkali-kali. Apakah Bisa?
Selama ini, lebih dari 65 persen energi yang dihasilkan secara global dari bahan bakar fosil hilang sebagai limbah panas. "Perangkat ini belum menangkap seperti sel surya, dan ada tantangan yang signifikan untuk membuatnya lebih baik. Kami berfokus pada pengembangan bahan yang akan berbiaya rendah dan kinerja tinggi yang mendorong perangkat termoelektrik ke dalam aplikasi yang lebih luas," kata Kanatzidis.
Kanadzidis mengatakan, perangkat termoelektrik saati ini sudah didefinisikan dengan baik. Akan tetapi, hal yang membuatnya bekerja dengan baik atau tidak adalah bahan termoelektrik di dalamnya. Satu sisi perangkat panas dan sisi lainnya dingin, sedangkan bahan termoelektrik terletak di tengah. Panas mengalir melalui material, sementara sebagian panas diubah menjadi listrik.
Menurutnya, materialnya harus memiliki konduktivitas termal yang sangat rendah sembari tetap mempertahankan konduktivitas listrik yang baik agar efisien saat mengkonversi panas limbah. Dan karena sumber panasnya bisa mencapai 400-500 derajat Celcius, material harus stabil pada suhu yang sangat tinggi.
Baca Juga: Ekspedisi Ungkap 'Bom Panas' Berbahaya Telah Memasuki Samudra Arktik
"Tantangan ini membuat perangkat termoelektrik lebih sulit diproduksi daripada sel surya," katanya.
Sebelumnya, pada tahun 2014, Kanatzidis dan timnya telah melaporkan penemuan bahan mengejutkan yang terbaik di dunia dalam mengubah limbah panas menjadi listrik yang berguna, yaitu bentuk kristal dari senyawa kimia timah selenida.
Namun, meskipun temuan itu penting, bentuk kristal tunggal tidak praktis untuk produksi massal. Hal itu karena kerapuhannya dan kecenderungannya mengelupas.
Menurut para peneliti, selenida timah dalam bentuk polikristalin, yang lebih kuat dan dapat dipotong dan dibentuk untuk aplikasi, sangat dibutuhkan. Sehingga para peneliti beralih untuk mempelajari bahan dalam bentuk itu. Kejutan yang tidak menyenangkan, mereka menemukan konduktivitas termal material itu tinggi, tidak seperti dalam bentuk kristal tunggal.
Baca Juga: Puluhan Ribu Hewan Laut Terebus Hidup-Hidup Akibat Gelombang Panas
"Harapannya adalah bahwa timah selenida dalam bentuk polikristalin tidak akan memiliki konduktivitas termal yang tinggi, tetapi nyatanya demikian. Kami punya masalah," kata Kanatzidis.
Akan tetapi, setelah pemeriksaan lebih lanjut, para peneliti mengetahui bahwa kulit timah teroksidasi pada material. Panas mengalir melalui kulit konduktif, meningkatkan konduktivitas termal, yang tidak diinginkan dalam perangkat termoelektrik.
Setelah mengetahui hal itu, bahwa oksidasi berasa dari proses itu sendiri dan material awal. Tim peneliti menemukan cara untuk menghilangkan oksigen. Para peneliti dapat menghasilkan materi selenida timah tanpa oksigen.
"Ini (akan) membuka pintu bagi perangkat baru yang akan dibuat dari materi selenida timah polikristalin dan aplikasinya yang lebih luas," kata Kanatzidis.
Baca Juga: Kenapa Atmosfer Matahari Jauh Lebih Panas daripada Permukaan Matahari?