Sintesis Kimia Berbantuan Matahari

Meniru Alam Manusia dikaruniai kelebihan oleh Tuhan berupa kehendak, yang ditunjang de­ngan kemampuan memahami dan memanfaatkan alam. Maka kita lihat peradaban manusia berkembang dengan kemajuan teknologinya. Teknologi yang dikembangkan banyak diilhami dari pengamatan terhadap alam. Sebagai contoh, pesawat terbang berawal dari hasrat untuk meniru burung. Dari pesawat bermesin yang efektif terbang tahun 1903 hingga era pesawat komersial raksasa dan pesawat tempur generasi ke-lima di era milenium, perlu beberapa dekade untuk menyempurnakan teknologi terbang ini. Tentu tertinggal bila dibandingkan dengan burung terbang efektif Archaeopterix yang menguasai angkasa di zaman Ju­rasik Akhir 150 juta tahun lalu. Namun, kemajuan teknologi terbang ini telah membantu kita menjelajah dunia dalam hitungan jam saja.

Perkembangan teknologi yang patut untuk dicermati saat ini adalah pemanfaatan sinar matahari. Hal ini terkait dengan semakin terbatasnya cadangan hidrokarbon alam. Batubara, minyak bumi, dan gas alam merupakan hidrokarbon alam utama yang telah menjadi tulang punggung perkembangan peradaban sejak revolusi industri tahun 1760.Berumur jutaan tahun, sumber daya alam tersebut akan habis dalam hitungan dekade. Di Indonesia, cadangan terbukti minyak bumi tahun 2016 sebesar 3306 MMstb (million stock tank barrels). Cadangan tersebut cenderung menurun dalam 5 tahun terakhir, meskipun ada penambahan cadangan potensial sebesar 240-an MMstb. Oleh karena itu, para ilmuwan beralih ke sumber energi murah dan tersedia praktis sepanjang umur bumi (baca: matahari). Teknologi pemanfaatanpanas matahari untuk pengolahan pasca panen (baca: pengeringan) sudah umum. Panel fotovoltaik untuk menghasilkan listrik dari cahaya matahari juga sudah banyak diaplikasikan. Yang paling menarik adalah teknologi pemanfaatan energi matahari untuk sintesis kimia.

Perbandingan Pengambilan CO2(Reaksi Gelap) pada
Fotosintesis Tumbuhan . sumber: http://archive.cnx.org

Fotosintesis tiruan
Sintesis kimia berbantuan energi matahari paling awal dan sukses didemonstrasikan oleh bakteri berklorofil dan tumbuhan. Dengan proses fotosintesis, tanaman secara garis besar mengubah 6 molekul air dan 6 molekul karbon dioksida menjadisatu molekul gula. Oksigen dilepas ke udara sebagai produk samping. Energi matahari diserap oleh pusat reaksi yang mengandung klorofil. Detil reaksi yang terjadi di kloroplast tentu lebih rumit.Reaksi Terang (baca: membutuhkan cahaya) menyerapenergi dari matahari dan disimpan dalam bentuk ATP dan NaDPH. Kedua sumber tersebut digunakan di Reaksi Gelap (baca: tidak membutuhkan cahaya).Tahap fiksasi pada reaksi gelap mengikat CO2, dikatalis oleh RuBisCO, bereaksi dengan RuBP membentuk molekul 3-PGA. Selanjutnya, 3-PGA akan direduksi dengan bantuan ATP dan NADPH menjadi G3P. Pada tahap terakhir, G3P ini dikirimkan ke sitoplasma untuk bahan baku pembentukan senyawa-senyawa penting tumbuhan. Dengan proses tersebut, tumbuhan dapat mengubah energi matahari menjadi energi kimia dengan efisiensi “hanya” 3 – 6%. Namun mampu mencukupi kebutuhan oksigen dan biomassa dunia.

Sistesis kimia tiruan

 

Para ahli mengamati fenomena fotosintesis tersebut dan mencoba mengembangkan tiruannya. Foton dari sinar matahari diubah menjadi elektron dengan bantuan bahan fotovoltaik dan kemudian listriknya digunakan untuk mereduksi bahan kimia. Saat ini, produk yang dihasilkan belumlah se-komplek karbohidrat. Produk yang paling sederhana adalah hidrogen dari elektrolisis air. Dengan bantuan listrik, air (H2O) dipisahkan menjadi molekul oksigen (O2) dan hidrogen (H2). Hidrogen dengan kemurnian 99% ini sangat baik untuk hidrogenasi bahan pangan, misalnya minyak sawit menjadi margarin. Selain itu, mobil listrik dengan sistem fuel cell dapat memanfaatkan hidrogen tersebut sebagai bahan bakar.Hasil pembakarannya bersih dari CO2 karena berupa air saja. Kendaraan dengan fuel cellini sudah mulai diko­mersialkan di 2017 dengan kisaran harga $57500. Tertarik?

Permasalahan utama penggunaan hidrogen untuk bahan bakar (baca: selain penyimpanan) adalah sumber hidrogennya. Hidrogen komersial diproduksi menggunakan proses reformasi kukus berbahan baku gas alam. Sementara itu, proses elektrolisis memerlukan listrik dalam jumlah besar. Produksi hidrogen dengan proses elektrolisis sekitar $5,2/kg-H2 untuk stasiun pengisian dan $3/kg-H2 untuk produksi hidrogen terpusat. Dibandingkan proses pertama (baca: reformasi kukus), biaya produksi hidrogen dari elektrolisis tersebut sekitar dua kali lebih mahal. Hanya dengan sumber energi listrik murah seperti energi matahari dan tenaga nuklir, hidrogen dari elektrolisis ini akan mampu bersaing dengan produk reformasi kukus.

Selain produksi hidrogen, sintesis kimia berbantuan matahari yang menarik adalah reduksi karbon dioksida (CO2). Gas CO2 ini sering dianggap sebagai faktor penyebab efek rumah kaca. Penggunaan bahan bakar fosil untuk kendaraan dan industri secara global diindikasikan telah meningkatkan konsentrasi gas CO2hingga level 400 ppm (tahun 2013). Dengan pro­ses elektrokimia, para ahli mengembangkan teknik reduksi gas karbon dioksida menjadi bahan lain seperti karbon monooksida, asam format, metana, metanol, dan etanol. Kembali lagi, energi listrik yang diperlukan oleh proses reduksi tersebut akan ekonomis bila diperoleh dari sumber yang murah dan terbarukan (baca: energi matahari). Hasil reduksi elektrokimia merupakan bentuk penyimpanan cair dari gas CO2. Asam format dianggap sebagai produk penting karena dapat menjadi penyedia gas CO. Campuran gas ini (baca: karbon monoksida) bersama hidrogen dikenal sebagai syn-gas, sebagai bahan baku sintesis polimer dan bahan bakar.

Pemanfaatan Siklus Karbon Dioksida, sumber:Http://pubs.rsc.org

Reduksi gas CO2 berbantuan matahari berpotensi akan mengurangi ketergantu­ngan terhadap energi fosil. Gas CO2 hasil pembakaran di kendaraan dan industri diambil dan didaurulang dengan tambahan air menjadi bahan bakar. Siklus tersebut menghasilkan produk samping oksigen sekaligus mengurangi kadar karbon dioksida di udara. Saat ini, teknologi reduksi karbon dioksida masih terus diteliti. Di tahun 2014, proyek pilot plant dimulai di British Columbia untuk membangun pabrik berkapasitas 100 kg CO2 per hari danmenghasilkan garam format.

Pesan moral
Manusia sebagai khalifah di muka bumi ini berkewajiban memakmurkan bumi de­ngan mengembangkan berbagai teknologi yang mempermudah kehidupannya. Pada hakikatnya, alam telah diciptakan oleh Tuhan, pencipta terbaik, dengan sempurna. Manusia membaca dan belajar dari alam. Dengan mempelajarinya, kita akan menyadari bahwa segala sesuatu di alam ini di­ciptakan dengan detail yang mengagumkan. Sebaik-baiknya kita meniru, masih jauh dari hasil ciptaan Tuhan. Sungguh pantas bagi manusia untuk berjalan di muka bumi ini dengan rendah hati.

Oleh: Pramujo Widiatmoko

Penulis adalah alumni Program Doktor dari Tokyo Institute of Agriculture and Techno­logy yang sekarang berprofesi sebagai Dosen Teknik Kimia ITB

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.