[Credit: Randy Montoya]

Mengubah daya listrik menjadi panas adalah hal yang sudah lazim. Beberapa peralatan yang digunakan sehari-hari seperti pemanggang roti adalah salah satu diantaranya. Namun, bagaimana jika sebaliknya, yaitu mengubah panas menjadi tenaga listrik?

Para peneliti dari Sandia National Laboratories telah mengembangkan perangkat berbasis silikon kecil yang dapat memanfaatkan apa yang sebelumnya dianggap sebagai limbah panas dan mengubahnya menjadi listrik arus DC. Kemajuan mereka baru-baru ini telah diterbitkan dalam Physical Review Applied.

“Kami telah mengembangkan metode baru untuk mendaur ulang energi dari limbah panas. Mesin mobil banyak menghasilkan panas dan panas tersebut hanyalah limbah, bukan? Jadi bayangkan jika Anda bisa mengubah panas mesin itu menjadi tenaga listrik untuk mobil hibrida. Ini adalah langkah pertama ke arah itu, tetapi masih banyak pekerjaan yang perlu dilakukan,” kata Paul Davids, seorang fisikawan dan peneliti utama untuk penelitian ini.

“Dalam jangka pendek kami berupaya untuk membuat catu daya inframerah ringkas, mungkin untuk menggantikan generator termoelektrik radioisotop.” Disebut RTGs, generator digunakan untuk tugas-tugas seperti powering sensor untuk misi ruang angkasa yang tidak mendapatkan sinar matahari secara langsung yang cukup untuk memberi tenaga pada panel surya.

Perangkat Davids terbuat dari bahan umum dan berlimpah, seperti aluminium, silikon dan silikon dioksida – atau kaca – namun dikombinasikan dengan cara yang sangat tidak biasa.

Perangkat silikon menangkap, menyalurkan dan mengubah panas menjadi tenaga

Lebih kecil dari kuku jari kelingking, perangkat berukuran sekitar 1/8 x 1/8 inci, setengah tebalnya uang koin dan mengkilap secara logam. Bagian atas adalah aluminium yang diarsir dengan garis-garis sekitar 20 kali lebih kecil dari lebar rambut manusia. Pola ini, meskipun terlalu kecil untuk dilihat oleh mata, berfungsi sebagai antena untuk menangkap radiasi inframerah.

Antara bagian atas aluminium dan bagian bawah silikon adalah lapisan silikon dioksida yang sangat tipis. Lapisan ini sekitar 20 atom silikon tebalnya, atau 16.000 kali lebih tipis dari rambut manusia. Antena aluminium berpola dan bergores menyalurkan radiasi inframerah menuju lapisan tipis ini.

Radiasi inframerah yang terjebak dalam silikon dioksida menciptakan osilasi listrik yang sangat cepat, sekitar 50 triliun kali per detik. Ini mendorong elektron bolak-balik antara aluminium dan silikon dengan cara asimetris. Proses ini, disebut rektifikasi , menghasilkan arus listrik DC bersih.

Tim tersebut menyebut perangkatnya sebagai rectenna [tipe khusus dari antena penerima yang digunakan untuk mengubah energi elektromagnetik menjadi arus listrik searah (DC)] inframerah, tempat antena yang meluruskan. Ini adalah perangkat solid-state tanpa bagian yang bergerak untuk macet, bengkok atau pecah, dan tidak harus langsung menyentuh sumber panas, yang dapat menyebabkan stres termal.

Produksi rectenna inframerah menggunakan proses umum dan terukur

Karena tim membuat rectenna inframerah dengan proses yang sama dengan yang digunakan oleh industri sirkuit terpadu, sehingga menjadi mudah terukur, kata Joshua Shank, penulis pertama makalah.

Dia menambahkan, “Kami sengaja berfokus pada bahan-bahan umum dan proses yang dapat diukur. Secara teori, setiap fasilitas fabrikasi sirkuit terpadu komersial dapat membuat rectenna ini.”

Itu tidak berarti membuat perangkat seperti itu saat ini mudah. Rob Jarecki, insinyur fabrikasi yang memimpin pengembangan proses, mengatakan, “Ada kerumitan besar yang mendasar dan perangkat memerlukan semua jenis trik pemrosesan untuk membangunnya.”

Salah satu tantangan fabrikasi terbesar adalah memasukkan sejumlah kecil unsur-unsur lain ke dalam silikon, atau dopingnya, sehingga akan memantulkan cahaya inframerah seperti logam, kata Jarecki.

Perangkat ini dibuat di Microsystems Engineering, Science and Applications Complex milik Sandia . Tim telah mengeluarkan paten untuk rectenna inframerah dan telah mengajukan beberapa paten tambahan.

Versi dari rectenna inframerah tim yang dilaporkan dalam Physical Review Applied menghasilkan 8 nanowatt daya per sentimeter persegi dari lampu panas khusus pada suhu 840 derajat celecius. Sebagai perbandingan, kalkulator bertenaga surya umumnya menggunakan sekitar 5 microwatt, jadi mereka akan membutuhkan selembar rectenna inframerah yang sedikit lebih besar daripada selembar kertas standar untuk menyalakan kalkulator. Jadi, tim ini memiliki banyak ide untuk perbaikan di masa depan untuk membuat rectenna inframerah lebih efisien.

Pekerjaan masa depan untuk meningkatkan efisiensi rectenna inframerah

Ide-ide ini termasuk membuat pola puncak rectenna 2D x bukannya 1D garis-garis, untuk menyerap cahaya inframerah atas semua polarisasi; mendesain ulang lapisan rektifikasi menjadi penyearah gelombang penuh sebagai pengganti penyearah gelombang setengah arus; dan membuat rectenna inframerah pada wafer silikon yang lebih tipis untuk meminimalkan kehilangan daya karena resistansi.

Melalui desain yang ditingkatkan dan efisiensi konversi yang lebih besar, output daya per satuan luas akan meningkat. Davids berpikir bahwa dalam lima tahun, rectenna inframerah dapat menjadi alternatif yang baik untuk RTG untuk pasokan listrik yang ringkas.

Davids menambahkan, “Kami telah meremehkan masalah ini dan sekarang kami mulai mencapai titik di mana kami melihat peningkatan yang relatif besar dalam konversi daya, dan saya pikir ada jalan ke depan sebagai alternatif untuk termoelektrik. Rasanya baik untuk sampai ke titik ini. Akan sangat baik jika kita bisa meningkatkannya dan mengubah dunia.”(ikons.id)