PLTR

Pembangkit Listrik Tenaga Radioisotop

Efek fotolistrik terjadi ketika seberkas foton yang dijatuhkan ke permukaan logam memaksa elektron-elektron (yang tadinya terikat dalam bentuk ikatan logam) terbebaskan dan bergerak dengan energi kinetik (K) tertentu yang dinyatakan oleh rumusan sederhana dari Einstein :

K = h(f - fo)

Dengan h = konstanta Planck, f = frekuensi foton dan fo = frekuensi ambang logam. Kebanyakan logam mempunyai nilai hfo kecil, dalam orde beberapa eV (elektron volt). Sehingga efek fotolistrik sudah terjadi ketika logam disinari dengan foton cahaya tampak atau ultraviolet. Jika disinari foton inframerah, berapapun kuatnya intensitasnya, tidak ada elektron yang dilepaskan karena untuk inframerah hf < hfo. Dengan foton cahaya tampak dan ultraviolet, maka energi kinetik elektron yang dilepaskan juga dalam orde beberapa eV.

Berapa voltase-nya ? Kita bisa memprediksikannya dengan rumusan sederhana berikut :

K = qV

dengan q = muatan elektron dan V = voltase yang muncul.

Bagaimana jika disinari foton sinar X yang rata-rata memiliki energi dalam oder keV (kilo elektron volt)? Efek fotolistrik tetap muncul, namun ia berkompetisi dengan pemroduksi elektron yang lain yaitu hamburan Compton. Hamburan Compton justru menghasilkan elektron lebih besar ketimbang fotolistrik. Inilah mengapa foton sinar X, baik yang muncul akibat bremsstrahlung maupun karakteristik dikenal juga sebagai radiasi pengion, karena memang mampu memproduksi banyak elektron pada media yang dilintasi/disinarin ya. Jika frekuensi sinar X itu setara dengan sinar X K-alfa, maka elektron di kulit terdalam (yakni kulit K) pun terpengaruh. Elektron produk hamburan Compton ini menyulitkan karena energetik dan susah dikendalikan.

Bagaimana dengan foton sinar gamma, yang memiliki energi dalam orde MeV (Mega elektron volt)? Efek fotolistrik juga tetap ada namun kalah dominan dibanding produksi elektron akibat hamburan Compton. Selain itu interaksi sinar gamma dengan materi juga menghasilkan produksi pasangan (khususnya jika E-gamma > 1,02 MeV) dalam bentuk positron dan elektron. Positron tidak berumur lama karena begitu bertemu dengan elektron (entah darimanapun asalnya), ia musnah kembali (bersama elektron tersebut) membentuk foton gamma. Seperti halnya sinar X, maka elektron produk hamburan Compton dan produksi pasangan dalam sinar gamma juga cukup energetik sehingga sulit dikendalikan. Terlebih lagi sinar gamma memiliki kemampuan membuat inti-inti atom media yang dilintasinya menjadi metastabil sehingga bisa mengalami reaksi tangkapan radiatif yang mentransmutasikan inti tadi menuju ke inti baru/isotop baru yang berbeda.

Apakah efek fotolistrik dari foton sinar X dan gamma bisa dimanfaatkan untuk membangkitkan arus listrik? Sayangnya, tidak. Sebab produksi elektron juga terjadi lewat hamburan Compton dan produksi pasangan. Elektron dari keduanya ini sulit dikendalikan (karena memang lebih energetik) sehingga malah mengganggu pembangkitan arus listrik. Efek fotolistrik akibat sinar X dan gamma juga menempati porsi yang kecil, sehingga tidak efisien dibanding dengan cahaya tampak/ultraviolet.

Kita bisa melihat hal ini misalnya dalam penerbangan antariksa. Melimpahnya radiasi sinar X dan gamma di ruang angkasa sana justru mengganggu kinerja komponen elektronis spacecraft karena kemampuannya membebaskan elektron lewat hamburan Compton dan produksi pasangan, sehingga malah timbul arus listrik pengganggu (disebut soft error). Maka dari itu pada spacecraft selalu digunakan komponen elektronis yang mengandung impurities tertentu guna mengantisipasi soft error ini.

Selain itu, kunci utama untuk membangkitkan energi listrik dari efek fotolistrik adalah pada kuat penyinaran. Benar bahwa foton sinar X maupun gamma jauh lebih energetik dibanding cahaya tampak, namun baik sinar X maupun gamma di angkasa tidak ada yang intensitasnya melampaui 4.800 watt per meter persegi sebagaimana cahaya tampak dari Matahari. Mari anggap misalnya ada seberkas foton sinar gamma berenergi 5 MeV dengan fluks 1,0E+11 foton per sentimeter persegi per detik (mengambil analogi fluks neutron dalam inti reaktor nuklir), maka intensitasnya baru 800 watt per meter persegi. Jika foton gamma itu digantikan dengan foton sinar X (dengan energi 5 keV, misalnya), maka intensitasnya anjlok jadi 0,8 watt per sentimeter persegi saja. Dan untuk mencapai fluks foton gamma/sinar X sebesar 1,0E+11 itu luar biasa sulitnya.

Cassini

Apakah radioisotop bisa dimanfaatkan sebagai sumber energi ?

Bisa, tapi yang dimanfaatkan adalah kalornya. Pesawat-pesawat antariksa yang bekerja di daerah lebih jauh dari Mars (misalnya Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Cassini, Galileo dll) menggunakan radioisotop Plutonium-238 sebagai sumber energi yang dikemas dalam Radioisotope Thermoelectric Generators (RTGs). Plutonium-238 mempunyai waktu paruh 87 tahun dan melepaskan panas 600 watt per kilogram. Panas ini dimanfaatkan untuk mengaktifkan termokopel sehingga timbul aliran listrik. RTGs generasi Pioneer dan Voyager hanya mampu menghasilkan listrik 50 watt saja, sementara pada Cassini dan Galileo sudah lebih baik (yakni 100-an watt per unit). Secara teoritis pesawat dengan RTGs Pu-238 ini mampu beroperasi selama 40 tahun.

Beberapa satelit mata-mata yang pernah diluncurkan, misalnya seri KH/Bigbird dan Cosmos yang berat itu, juga menggunakan RTGs karena kebutuhan energinya yang besar dan sulit dipenuhi sel surya. Karena masa kerja satelit-satelit ini dirancang tidak lama (1 - 2 tahun saja), maka RTGs yang dipakai menggunakan isotop Polonium-210 (waktu paruh = 138,3 hari). Ini radioisotop yang luar biasa, karena tiap kilogramnya mampu memancarkan panas 140 kilowatt dan jika ada 0,5 gram saja Po-210 yang diletakkan di udara terbuka, maka dalam waktu singkat suhu udara disekitarnya melonjak ke 500° C.

RTGs juga digunakan untuk mengoperasikan instrumen-instrumen penting di Bumi yang dipasang di daerah remote, sulit dan tak berpenghuni. Sejumlah seismometer dalam jaringan broadband seismometer USGS maupun Caltech Tectonic Observatory misalnya, ditenagai RTGs berbasis radioisotop Stronsium-90 (waktu paruh = 28 tahun). Demikian juga seismometer, geofon dan barometer dalam jaringan pemantau CTBT (Comprehensive Test Ban Treaty), yang belakangan banyak dimanfaatkan dalam riset fireball dan bolide di Bumi. Saya juga 'curiga' sejumlah OBS (Ocean Bottom Seismometer) juga menggunakan RTGs untuk menjalankan operasinya. Stronsium-90 jauh lebih berlimpah (sebagai produk samping fissi dalam reaktor nuklir) dibanding Pu-238 ataupun Po-210, sehingga lebih mudah didapatkan.

Memang RTGs, seperti halnya energi nuklir, juga masih mendatangkan protes berkepanjangan. Ketika Cassini diluncurkan pada 1997 silam misalnya, protes mengeras hingga terbentuk Anti-Casini pressure group oleh sejumlah elemen seperti Greenpeace. Sementara perancang Cassini, dengan bobot spacecraft demikian besar melebihi 3 ton, tidak punya pilihan lain kecuali menggunakan 3 RTGs untuk menyuplai listrik ke komputer pengatur dan instrumen Cassini mengingat lingkup kerjanya di orbit Saturnus yang dingin dengan sinar matahari yang redup. Itupun bobot spacecraft masih cukup besar hingga tak ada satupun roket di Bumi ini (termasuk Ariane 5 ataupun Spaceshuttle) yang sanggup melontarkan Cassini langsung ke Saturnus. Makanya perancang misi di Jet Propulsion Laboratory Caltech (AS) dan ESA ESTEC di Darmstadt (Jerman) lebih memilih 'mengirim' Cassini ke Venus dulu, guna mempercepat Cassini lewat mekanisme lontaran gravitasi. Cassini menempuh skenario VVEJGA (Venus-Venus- Earth-Jupiter Gravity Assist) dengan dua kali mendekati Venus, sekali mendekati Bumi dan sekali mendekati Jupiter agar kecepatannya cukup kencang untuk bisa menjangkau orbit Saturnus. Dan ketika melintas dekat Bumi itulah, pada 17 Agustus 1999 di ketinggian 750 km di atas Samudra Pasifik, kehebohan besar Anti-Cassini mencuat.

Sumber : milist [[JAC]]