Tim Profesor Keon Jae Lee dari Departemen Materials Science and Engineering, KAIST, Korea Selatan telah mengembangkan bentuk baru dari teknologi nanogenerator dengan biaya rendah, dengan menggunakan nanopartikel keramik piezoelektrik.
Piezoelektrik efek berbasis teknologi nanogenerator bekerja dengan cara mengkonversi sumber energi yang bebas polusi, seperti energy getaran dan mekanik dari angin dan ombak. Penemuan ini menggambarkan peluang dan minat yang besar dalam bidang teknologi energy harvesting generasi mendatang. Namun, teknologi nanogenerator ini sebelumnya memiliki keterbatasan karena prosesnya rumit, biaya tinggi, dan ukuran yang terbatas.
Baru-baru ini, tim peneliti Prof Lee telah mengembangkan sebuah nanogenerator berbasis nanokomposit yang berhasil mengatasi pembatasan kritis pada nanogenerator sebelumnya dan berhasil membangun sistem self-powered yang lebih sederhana, murah, dan berskala besar. Tim ini memproduksi nanokomposit piezoelektrik dengan cara mencampur nanopartikel piezoelektrik dengan nanomaterial berbasis karbon (karbon nanotube dan reduksi oksida graphene) dalam matriks polydimethylsiloxane (PDMS) dan fabrikasi generator nanokomposit dengan proses sederhana yakni dengan metode spin-casting atau bar-coating.
Prof Zong Lin Wang dari Georgia Institute and Technology, yang merupakan penemu teknologi nanogenerator mengatakan bahwa: “ini merupakan hasil penelitian yang pertama kali memperkenalkan sebuah partikel nanokomposit ke dalam sistem energy self-powered, dan ini dapat memperluas kelayakan penggunaan nanogenerator bagi para pengguna elektronik dan sensor jaringan dimanapun.”
Sbr : Energy Harvesting and Storage for Electronic
*******************************************
- Sebuah tekanan bisa menjadi energi, itulah yang disebut dengan piezoelektrik
Energi merupakan isu yang krusial. Kebutuhan energi akan selalu mengalami peningkatan, namun di sisi lain, pasokan energi (yang masih didominasi oleh energi fosil) mengalami penurunan. Tidak imbangnya demand dan supply energi membuat pengembangan energi alternatif selain energi fosil menjadi sangat penting. Ada dua jenis energi alternatif yang dapat dimanfaatkan, yaitu renewable energy dan waste energy. Pada riset, ini dilakukan penelitian dan perancangan sistem untuk memanfaatkan waste energy berupa energi kinetik kendaraan bermotor.
Piezoelektrik merupakan material kristal yang bisa menghasilkan listrik saat mengalami kompresi atau vibrasi. Sifat material piezoelektrik ini merupakan potensi yang dapat dimanfaatkan untuk menjadi sumber energi alternatif. Pada riset ini, dilakukan peracangan polisi tidur piezoelektrik pemanen energi. Akan dilakukan perancangan dan uji coba sistem untuk mendapatkan desain yang paling optimal dari segi sistem mekanik, kantilever, harvesting energy dan penyimpanannya.
GeothermalGeothermal Energi datang dari bumi kulit keras yang berasal dari hasil pembentukan planet ( 20%) dan dari pelapukan radioaktif mineral ( 80%).Energi yang tersedia dari bumi kulit keras Dan mantel kira-kira sepadan dengan itu energi matahari. Geothermal Listrik adalah listrik diturunkan dari geothermal energi yang menggunakan teknologi seperti superheater, menyiarkan tenaga uap dan pembangkit tenaga listrik siklus biner. Geothermal yang pertama Pembangkit listrik telah dibangun pada Landrello, Italia. Lain negara-negara yang mempunyai geothermal pembangkit listrik adalah Jepang, Islandia, negara Pilipina dan Amerika Serikat. Di Islandia, Geothermal Energi digunakan untuk listrik dan memanaskan.
Kemajuan yang ada dalam peradaban manusia membutuhkan adanya sumber energy. Peningkatan besar di dalam produksi energy, terutama dari sumber dapat diperbaharui, sangat diharapkan ada untuk mengubah pola kehidupan manusia yang sangat bergantung pada bahan bakar fosil. Daya nuklir, sel matahari sangat efisien dan kemampuan untuk menghasilkan energy Energi dari angin dan laut adalah di antara berbagai hal berjanji. Tetapi terobosan penting sangat diperlukan untuk ini membantu hal ini menjadi kenyataan karena hal ini sangat memerlukan material baru yang luar biasa.
Indonesia juga merupakan Negara yang masih memiliki adiksi terhadap bahan bakar fosil dan juga sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui. Persediaan minyak bumi yang dimiliki Indonesia masih bisa bertahan 11 tahun, gas bumi 30 tahun, dan batu bara 50 tahun lagi. (Warta Penelitian dan Pengembangan Pertanian, 2008).
Krisis energi adalah masalah yang sangat fundamental di Indonesia, khususnya masalah energi listrik. Energi listrik merupakan energi yang sangat diperlukan bagi manusia modern. Bahkan sebagian besar aktivitas manusia ditunjang dengan sebuah peralatan dan teknologi yang menggunakan listrik sebagai sumber energi. Hal ini menjadikan bahwa listrik menjadi sebuah bagian yang tidak dapat terpisahkan dalam aktivitas manusia (Fauzi, 2009).
Saat ini, pembangkit energi listrik masih disokong oleh bahan bakar fosil. Pada tahun 2007, menteri energi dan sumber daya mineral menyatakan bahwa persediaan minyak bumi yang dimiliki Indonesia masih bisa bertahan 11 tahun, gas bumi 30 tahun, dan batu bara 50 tahun lagi (Warta Penelitian dan Pengembangan Pertanian, 2008). Sejak beberapa tahun terakhir ini, para ahli mulai merubah pendapatnya tentang pemanfaatan sumber energi yang ada di Indonesia. Telah timbul kesadaran bahwa sumber bahan bakar fosil yang selama ini merupakan sumber energi andalan akan terancam habis dalam beberapa tahun kedepan. Untuk itu, pemanfaatan sumber –sumber energi alternatif yang baru dan terbarukan harus senantiasa diupayakan secara intensif untuk menghadapi krisis energi yang semakin terasa dampaknya saat ini.
Untuk mengatasi krisis energi fosil dan mendukung pengurangan pemanasan global, maka telah dilakukan penghematan, pemberdayaan energi fosil yang masih banyak cadangannya seperti batu bara, dan mencari berbagai energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang banyak dikembangkan saat ini adalah teknologi Piezoelektrik, hal ini dikarenakan Piezoelektrik tidak memiliki zat buang sehingga tidak mencemari lingkungan hidup, sumbernya tersedia sangat melimpah, dan mudah untuk diimplementasikan.
Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan electric yang bermakna energi listrik, sehingga efek piezoelektrik terjadi dikarenakan medan listrik yang terbentuk karena material dikenai tekanan mekanik. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880-an oleh Jacques dan Pierre Curie.
Piezoelektrik didefenisikan sebagai suatu kemampuan yang dimiliki sebagian kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan tegangan listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan atau regangan. Piezoelektrik adalah suatu efek yang reversibel, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct piezoelectric effect) yaitu produksi potensial listrik akibat adanya tekanan mekanik dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect) yaitu produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik yang menghasilkan perubahan dimensi (Triwahyuni, 2010).
Pemanfaatan bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda potensial yang cukup besar sehingga banyak digunakan sebagai sumber tegangan tinggi. Piezoelektrik sudah mulai digunakan di Jepang, tepatnya di stasiun kereta api listrik East Japan Railway Company (JR East) sebagai alternatif energi sistem ticketing, display keberangkatan, dan lampu penerangan. Pengaplikasian piezoelektrik tersebut dimisalkan jika satu langkah tekanan kaki yang dapat menyalakan lampu dengan daya 60 Watt selama satu detik, maka dengan sedikit perhitungan manajemen JR East Station yakin bahwa dengan lantai yang efektif diinjak sebesar 25 meter kuadrat maka akan menghasilkan daya sebesar 1400 kW. Energi ini dapat menjalankan satu buah kereta listrik (Saputri, 2011)
Piezoelektrik adalah tumpukan muatan dalam materi padat (kristal atau keramik) tertentu dalam menanggapi regangan mekanik yang dikenakan. Kata piezoelektrik yang berarti memeras atau tekan, dan elektrik yang berarti listrik atau electron. Kata yang piezoelektrik berarti listrik yang dihasilkan dari tekanan. Sumber muatan listrik piezoelektrik merupakan akibat dari efek piezoelektrik.
Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel selkristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1–100 pico coloumb/Newton.
Tekanan yang mengenai piezoelektrik kemudian menimbulkan medan listrik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipol yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction (efek piezoelektrik).
Barium titanate dan zirconate titanate merupakan material piezoelektrik buatan manusia. Di alam ada banyak material alami yang dapat memberikan efek piezoelektrik, seperti berlinite, kuarsa, turmalin, dan garam rossel. Material jenis ini antara lain yaitu lapisan tipis rhombohedral lead zirconium titanate (PZT) sebagai actuator untuk MEMS, lapisan tipis aluminium nitride (AIN) sebagai filterfr atau resonantor (orde GHZ) berbasis efek surface acoustic wave (SAW), komposit piezoelektrik seperti serbuk keramik PTCa yang didispersikan dalam epoxy digunakan sebagai actuator pembalik (listrik menjadi energy mekanik).
Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya,jika medan listrik diterapkan maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis.
Gambar diatas merupakan pengaruh arah dan dimensi piezoelektrik
Tekanan mekanik yang dikenai dari kristal tersebut berupa tegangan (stress) selama terjadinya deformasi yang mengenai material kristal piezo maka akan menghasilkan listrik.
Gambar. PiezoelektrikKristal piezoelektrik bedasdarkan pengelompokan bahan gabungan merupakan sebuah keramik. Keramik merupakan campuran yang terdiri dari unsur-unsur logam dan bukan logam. Setiap bahan dari kermaik ini memiliki ciri kekerasan dan kerapuhan, selain itu keramik ini memiliki ketahanan terhadap suhu tinggi dan lingkungan yang lebih berat.
Keramik memiliki karakteristik yang memungkinkannya digunakan untuk berbagai aplikasi termasuk :
• kapasitas panas yang baik dan konduktivitas panas yang rendah.
• Tahan korosi
• Sifat listriknya dapat insulator, semikonduktor, konduktor bahkan superkonduktor
• Sifatnya dapat magnetik dan non-magnetik
• Keras dan kuat, namun rapuh.
Dua jenis ikatan dapat terjadi dalam keramik, yakni ikatan ionik dan kovalen. Sifat keseluruhan material bergantung pada ikatan yang dominan. Klasifikasi bahan keramik dapat dibedakan menjadi dua kelas : kristalin dan amorf (non kristalin). Dalam material kristalin terdapat keteraturan jarak dekat maupun jarak jauh, sedang dalam material amorf mungkin keteraturan jarak pendeknya ada, namun pada jarak jauh keteraturannya tidak ada.
Sifat Termal
Sifat termal penting bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan oleh padatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatan tersebut. Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadi getaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak pada kisi kristalnya. Hantaran panas dalam padatan melibatkan transfer energi antar atom-atom yang bervibrasi. Vibrasi atom akan mempengaruhi gerakan atom-atom lain di tetangganya dan hasilnya adalah gelombang yang bergerak dengan kecepatan cahaya yakni fonon. Fonon bergerak dalam bahan sampai terhambur baik oleh interaksi fonon-fonon maupun cacat kristal. Keramik amorf yang mengandung banyak cacat kristal menyebabkan fonon selalu terhambur sehingga keramik merupakan konduktor panas yang buruk. Mekanisme penghantaran panas oleh elektron, yang dominan pada logam, tidak dominan di keramik karena elektron di keramik sebagian besar terlokalisasi.
Contoh paling baik penggunaan keramik untuk insulasi panas adalah pada pesawat ruang angkasa. Hampir semua permukaan pesawat tersebut dibungkus keramik yang terbuat dari serat silika amorf. Titik leleh aluminium adalah 660 0C. Ubin menjaga suhu tabung pesawat yang terbuat dari Al pada atau di bawah 175 0C, walaupun eksterior pesawat mencapai 1400 0C.
Sifat Optik
Bila cahaya mengenai suatu obyek cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, atau dipantulkan. Bahan bervariasi dalam kemampuan untuk mentransmisikan cahaya, dan biasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque. Material yang transparan, seperti gelas, mentransmisikan cahaya dengan difus, seperti gelas terfrosted, disebut bahan translusen. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.
Dua mekanisme penting interaksi cahaya dengan partikel dalam padatan adalah polarisasi elektronik dan transisi elektron antar tingkat energi. Polarisasi adalah distorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya. Sebagai akibat polarisasi, sebagian energi dikonversikan menjadi deformasi elastik (fonon), dan selanjutnya panas.
Seperti dalam atom elektron-elektron dalam bahan berada dalam tingkat-tingkat energi tertentu. Absorbsi energi menghasilkan perpindahan elektron dari tingkat dasar ke tingkat tereksitasi. Ketika elektron kembali ke keadaan dasar disertai dengan pemancaran radiasi elektromagnetik. Dalam padatan elektron yang energinya tertinggi ada dalam orbital-orbital dalam pita valensi dan orbital-orbital yang tidak terisi biasanya dalam pita konduksi. Gap antara pita valensi dan pita konduksi disebut gap energi. Bila range energi cahaya tampak 1,8 sampai 3,1 eV. Bahan dengan gap energi di daerah ini akan mengabsorbsi energi yang berhubungan. Bahan itu akan tampak transparan dan berwarna. Contohnya, gap energi CdS sekitar 2,4 eV dan mengabsorbsi komponen cahaya biru dan violet dari sinar tampak. Tampak bahan tersebut berwarna kuning-oranye. Bahan dengan gap energi kurang dari 1,8 eV akan opaque, sebab semua cahaya tampak akan diabsorbsi. Material dengan gap energi lebih besar 3,1 eV tidak akan menyerap range sinar tampak dan akan tampak transparan dan tak berwarna. Cahaya yang diemisikan dari transisi elektron dalam padatan disebut luminesensi. Bila terjadi dalam selang waktu yang pendek disebut flouresensi, bila didalam selang waktu yang lebih panjang disebut fosforisensi. Hamburan cahaya internal dalam bahan yang sebenarnya transparan mungkin dapat mengakibatkan bahan menjadi translusen atau opaque.
Banyak aplikasi memanfaatkan sifat optik bahan keramik ini. Transparansi gelas membuatnya bermanfaat untuk jendela, lensa, filter, alat masak, alat lab, dan objek-objek seni. Pengubahan antara cahaya dan listrik adalah dasar penggunaan bahan semikonduktor seperti GaAs dalam laser dan meluasnya penggunaan LED dalam alat-alat elektronik. Keramik fluoresensi dan fosforisensi digunakan dalam lampu-lampu listrik dan layar-layar tv. Akhirnya serat optik mentransmisikan percakapan telepon dan data komputer yang didasarkan atas refleksi internal total sinyal cahaya.
Sebagai bentuk kristal, atom-atom dari kristal piezo mengatur diri secara teratur dan berulang dalam pola 3 dimensi. Pola teratur dalam jangkau panjang yang menyangkut puluhan jarak atom dihasilkan kordinasi bahan, yang menentukan bentuk luar dari kristal sepertinya kuarsa memiliki bentuk permukaan bintang enam bunga salju.
Fasa dari kristal piezo elektrik yang dikategorikan sebagai keramik ini merupakan sebuah kristalin. Piezoelektrik adalah salah satu sifat elektron magnetik keramik. Beberapa dari jenis kristal keramik tidak memiliki simetri dan memiliki pengaruh ion. Adanya pusat muatan positif dan negatif yang tidak identic mengakibatkan setiap sel satuannya berperan sebagai dwikutub listrik kecil dengan ujung postif negatif.
Pengarahan momen dwikutub dari sel–sel satuan yang menghasilkan polarisasi, yaitu muatan positif berhimpun pada salah satu sisi kristal dan muatan negatif berhimpun pada ujung lainnya.
Piezoelektrik juga memiliki sifat reversibel, dimana sifat reversibel yang dimiliki oleh piezoelektrik dapat dijelaskan sebagai berikut. Di dalam sebuah kristal piezoelektrik, muatan listrik positif dan muatan listrk negatif terpisah namun terdistribusi simetris sehingga kristal keseluruhan secara elektris bersifat netral. Ketika diterapkan stress (tekanan), maka distribusi muatan yang simetris akan terganggu sehingga muatan menjadi tidak simetris lagi, dan muatan yang tidak simetris inilah yang menimbulkan medan listrik
Sebaliknya, ketika medan listrik diterapkan pada material piezoelektrik akan terjadi deformasi mekanik yang menyebabkan material berubah dimensi (struktur kristalnya dari kubik menjadi tetragonal atau rhombohedral). Peristiwa ini dikarenakan pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul ini mengakibatkan material berubah dimensi.
Demikian sekilas mengenai energi PIEZOELEKTRIK
(Yustinus Setyanta)