Begini Cara China Meniru Matahari untuk Membuat Energi Masa Depan

Matahari sudah memancarkan energinya selama miliaran tahun. Tanpa bahan bakar tambahan. Tanpa pernah berhenti.

Manusia sejak lama ingin menirunya. Bukan untuk menggantikan Matahari, tapi untuk membuat versi mininya di Bumi sebagai pembangkit listrik.

China baru saja membuat lompatan besar ke arah sana.

Reaktor fusi nuklir Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) milik mereka, yang sering disebut sebagai "matahari buatan", baru saja mematahkan salah satu hambatan fisika yang puluhan tahun dianggap nyaris tidak mungkin ditembus.

Hambatan itu bernama batas Greenwald. Selama ini, batas Greenwald jadi semacam pagar tak terlihat. Setiap reaktor fusi yang mencoba melewatinya akan kena getahnya. Plasma di dalamnya langsung jadi liar dan merusak reaktor.

EAST membuktikan pagar itu sebenarnya bisa dilompati.

Untuk paham besarnya pencapaian ini, perlu menengok dulu ke pusat Matahari. Suhu di sana sekitar 15 juta derajat Celsius. Tekanannya juga gila-gilaan tinggi.

Di kondisi seekstrem itu, atom hidrogen saling tabrakan terus-menerus. Sesekali mereka tidak cuma bertabrakan, tapi juga menyatu jadi atom helium. Penyatuan inti atom inilah yang disebut fusi nuklir.

Setiap kali dua inti menyatu, sebagian kecil massanya hilang. Bagian yang hilang itu berubah menjadi energi yang sangat besar.

Energi itu kemudian terpancar keluar dari Matahari sebagai cahaya dan panas. Itulah sebabnya Matahari bersinar.

Bukan karena ia terbakar layaknya api unggun, tapi karena reaktor fusi raksasa di pusatnya tidak pernah berhenti bekerja.

Teknologi fusi inilah yang selama bertahun-tahun dipandang sebagai "cawan suci" dunia energi. Berpotensi menghasilkan listrik dalam jumlah masif. Emisi karbonnya sangat rendah. Jauh lebih bersih dibanding pembangkit listrik mana pun yang dipakai manusia sekarang.

Reaktor fusi nuklir atau matahari buatan yang dikembangkan oleh China, China Circulation-3.

Cara China menirunya

Lalu bagaimana China meniru proses itu di Bumi? Caranya cukup ekstrem.

China punya reaktor berbentuk seperti donat raksasa bernama tokamak. Di dalamnya, gas hidrogen dipanaskan sampai suhunya melampaui 100 juta derajat Celsius.

Iya, jauh lebih panas dari inti Matahari.

Kenapa harus jauh lebih panas? Karena Matahari punya gravitasi raksasa yang menekan partikel agar tetap rapat.

Bumi tidak punya gravitasi sebesar itu. Untuk mengompensasinya, ilmuwan harus membuat partikel-partikel bergerak jauh lebih cepat. Caranya, ya dengan suhu yang jauh lebih ekstrem.

Di suhu segila itu, gas hidrogen berubah wujud. Dari gas biasa, jadi plasma. Yakni gas super panas yang atom-atomnya sudah tercerai-berai jadi inti dan elektron yang melayang bebas.

Masalahnya, tidak ada material di muka Bumi yang sanggup menampung plasma sepanas itu. Disentuh sedikit saja, dinding reaktor langsung meleleh.

Solusinya, plasma tidak ditampung di wadah fisik, melainkan dikurung di tengah ruang vakum menggunakan medan magnet sangat kuat berbentuk cincin.

Plasma melayang. Menari mengikuti garis medan magnet. Tidak pernah menyentuh dinding reaktor. Di tengah plasma yang dikurung magnet itulah, inti atom hidrogen saling tubruk dan menyatu, persis seperti yang terjadi di Matahari.

Membuat plasma super panas baru langkah awal. Tantangan sebenarnya jauh lebih rumit. Para ilmuwan tidak cuma ingin plasmanya panas, tapi juga padat. Sangat padat.

Logikanya tidak rumit. Semakin padat plasma, semakin sering partikel bertubrukan, semakin besar pula energi fusi yang dihasilkan.

Bahkan ada rumusnya. Energi fusi meningkat sebanding dengan kuadrat dari kepadatan plasma. Naik sedikit kepadatannya, energinya bisa melonjak berlipat-lipat.

Cuma, ada satu masalah besar yang sudah membayangi ilmuwan sejak lama.

Saat plasma dibuat semakin padat, ada satu titik di mana ia jadi tidak stabil. Plasma bisa pecah. Lepas dari kurungan medan magnet. Lalu menghantam dinding reaktor dengan energi yang sangat besar.

Titik itu disebut batas Greenwald. Para ilmuwan menemukan batas ini puluhan tahun lalu. Sejak saat itu, batas ini jadi semacam tabu di komunitas fisika fusi. Boleh mendekat, jangan dilewati. Bahaya, sampai EAST datang dan menemukan caranya.

Yang dilakukan "matahari buatan" China itu bukan sekadar mengintip melewati batas Greenwald sebentar.

Plasma di dalam EAST berhasil tetap stabil saat beroperasi di kepadatan 1,3 hingga 1,65 kali lebih tinggi dari batas Greenwald.

Untuk mencapainya, tim ilmuwan dari Institute of Plasma Physics atau ASIPP, lembaga di bawah Chinese Academy of Sciences, memakai beberapa trik sekaligus.

Pemanasan plasma ditambah pakai teknik bernama Electron Cyclotron Resonance Heating atau ECRH. Jumlah gas awal juga diatur sangat teliti dengan teknik pre-charged synergistic start-up.

Tujuannya, menjaga tepi plasma tetap stabil. Sebab di situlah biasanya bencana mulai. Tepi plasma adalah bagian paling rentan dari semua.

Tim juga mengganti dinding reaktor dengan desain dinding logam penuh alias *all-metal wall*. Lapisan ini mencegah partikel pengotor lepas dari dinding, yang biasanya jadi pemicu plasma jadi liar.

Pelat target khusus juga dipasang. Tujuannya, menekan pelepasan partikel pengotor dari material tungsten yang melapisi dinding reaktor.

Ilustrasi infrastruktur pembangkit listrik tenaga nuklir berbasis reaksi fusi.

Teori baru ikut lahir

Pencapaian EAST tidak berhenti di eksperimennya saja. Tim peneliti juga ikut melahirkan teori baru. Namanya Plasma-Wall Interaction Self-Organisation, disingkat PWSO.

Teori ini menjelaskan bagaimana hubungan antara plasma dengan dinding reaktor bisa memengaruhi munculnya batas kepadatan plasma. Selama ini, mekanisme fisik di balik batas Greenwald masih banyak yang misterius.

Lewat PWSO, para ilmuwan menemukan satu hal penting, radiasi di tepi plasma punya peran kunci dalam memicu munculnya batas Greenwald.

Dengan mengendalikan kondisi itu, plasma EAST bisa diarahkan ke kondisi operasi baru. Tim menyebutnya density-free region atau wilayah bebas kepadatan.

Hasil eksperimen ternyata sangat sesuai dengan prediksi teori PWSO. Ini jadi konfirmasi pertama keberadaan kondisi tersebut pada reaktor tokamak.

Mendekati kondisi Matahari sesungguhnya

Para peneliti yakin hasil ini membuka jalan ke kondisi bernama fusion ignition alias penyalaan fusi.

Apa itu? Kondisi saat reaksi fusi sudah bisa mempertahankan dirinya sendiri tanpa perlu energi tambahan dari luar. Sama persis seperti Matahari.

Mencapai kondisi ignition selama ini jadi pemisah utama antara reaktor fusi di Bumi dengan Matahari yang sungguhan. Reaktor fusi di Bumi selalu butuh energi besar untuk dijaga tetap menyala. Matahari? Tidak.

Hitungan sederhananya begini. Kalau reaktor fusi bisa beroperasi di kepadatan 1,3 kali batas Greenwald, laju reaksi fusi bisa naik jauh lebih besar dari 30 persen. Pada 1,65 kali, peningkatannya bahkan berlipat-lipat.

Artinya, reaktor masa depan tidak perlu lagi super besar untuk menghasilkan energi besar. Tidak perlu juga dipanaskan ke suhu yang lebih ekstrem dari sekarang.

Cukup buat plasma lebih padat, energinya melonjak sendiri.

Baca juga:

Pembangkit fusi belum siap dibangun

Meski hasilnya menjanjikan, para peneliti mengerem ekspektasi. Pencapaian ini belum berarti pembangkit listrik fusi komersial siap berdiri. Masih jauh.

Masih banyak pekerjaan rumah yang menanti. Plasma harus bisa menahan panasnya jauh lebih lama. Material dinding reaktor harus tahan menghadapi kondisi ekstrem berkepanjangan. Belum lagi soal-soal rekayasa lain yang masih jadi tantangan ilmuwan seluruh dunia.

Hasil riset EAST ini sudah dipublikasikan di jurnal ilmiah Science Advances. Penelitian ini juga kolaborasi internasional. Institute of Plasma Physics China, Huazhong University of Science and Technology, dan Aix-Marseille University dari Prancis sama-sama terlibat.

EAST sendiri bukan reaktor baru. Reaktor ini sudah beroperasi sejak 2006 dan jadi platform riset terbuka. Ilmuwan dari berbagai negara, termasuk Indonesia, bisa ikut menelitinya.

Listrik dari "matahari buatan" memang masih jauh. Tapi tidak semustahil dulu lagi.

Setidaknya, China sudah membuktikan satu hal, meniru cara Matahari menghasilkan energi bukan lagi sekadar mimpi para fisikawan, sebagaimana dihimpun KompasTekno dari Above The Norm News.

KOMPAS.com berkomitmen memberikan fakta jernih, tepercaya, dan berimbang. Dukung keberlanjutan jurnalisme jernih dan nikmati kenyamanan baca tanpa iklan melalui Membership. Gabung KOMPAS.com Plus sekarang