Menghasilkan listrik dari curah hujan secara efisien ternyata bukan hal yang mustahil. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh para ilmuwan dari City University of Hong Kong (CityU) baru-baru ini mengembangkan generator listrik berbasis tetesan atau droplet-based electricity generator (DEG), yang ditampilkan dengan struktur mirip filed-effect transistor (FET) yang memungkinkan konversi energi efisiensi tinggi dan kepadatan daya instan yang meningkat ribuan kali dibandingkan dengan teknologi lainnya tanpa struktur FET. DEG akan membantu memajukan penelitian ilmiah tentang pembangkit tenaga air dan mengatasi krisis energi.

Penelitian pembangkit tenaga air ini dipimpin oleh Profesor Wang Zuankai dari Departemen Teknik Mesin CityU, Profesor Zeng Xiao Cheng dari Universitas Nebraska-Lincoln, dan Profesor Wang Zhong Lin, Direktur Pendiri dan Kepala Ilmuwan dari Institut Energi Nano Beijing dan Nanosystems dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok. Temuan mereka dipublikasikan dalam edisi terbaru jurnal Nature.

Pembangkit tenaga air bukanlah hal baru. Sekitar 70% permukaan bumi ditutupi oleh air. Namun energi kinetik frekuensi rendah yang terkandung dalam gelombang, pasang surut, dan bahkan curah hujan belum efisien dikonversi menjadi energi listrik karena keterbatasan dalam teknologi. Misalnya, DET konvensional yang didasarkan pada efek triboelectric dapat menghasilkan listrik yang diinduksi oleh elektrifikasi kontak dan induksi elektrostatik ketika tetesan menyentuh permukaan. Namun, jumlah muatan yang dihasilkan di permukaan dibatasi oleh efek antarmuka, dan sebagai hasilnya, efisiensi konversi energi cukup rendah.

Untuk meningkatkan efisiensi konversi, tim peneliti telah menghabiskan dua tahun mengembangkan DEG. Kepadatan daya instan dapat mencapai hingga 50,1W/m2, ribuan kali lebih tinggi dari perangkat serupa lainnya tanpa menggunakan desain FET. Dan efisiensi konversi energi jauh lebih tinggi.

Profesor Wang dari CityU menunjukkan bahwa ada dua faktor penting untuk penemuan ini. Pertama, tim menemukan bahwa tetesan kontinyu yang menimpa PTFE, bahan electret dengan muatan listrik semi permanen, menyediakan rute baru untuk akumulasi dan penyimpanan muatan permukaan berkepadatan tinggi. Mereka menemukan bahwa ketika tetesan air terus menerus mengenai permukaan PTFE, muatan permukaan yang dihasilkan akan menumpuk dan secara bertahap mencapai saturasi. Penemuan baru ini membantu mengatasi kemacetan dari kepadatan muatan rendah yang ditemukan pada penelitian sebelumnya.


Faktor kunci lain dari desain ini adalah seperangkat struktur unik mirip dengan desain FET, yang merupakan pemenang Hadiah Nobel dalam inovasi Fisika tahun 1956 dan telah menjadi dasar pengembangan perangkat elektronik modern saat ini. Perangkat ini terdiri dari elektroda aluminium, dan elektroda timah indium (ITO) dengan film PTFE tersimpan di dalamnya. Elektroda PTFE/ITO bertanggung jawab untuk menghasilkan muatan, penyimpanan, dan induksi. Ketika tetesan air jatuh mengenai dan menyebar di permukaan PTFE/ITO, secara alami tetesan ini "menjembatani" elektroda aluminium dan elektroda PTFE/ITO.

Dengan desain khusus, muatan permukaan yang sangat tinggi dapat diakumulasikan pada PTFE melalui imping tetesan yang berkelanjutan. Sementara itu, ketika air yang menyebar menghubungkan dua elektroda, semua muatan yang tersimpan pada PTFE dapat sepenuhnya dilepaskan untuk menghasilkan arus listrik. Akibatnya, kepadatan daya instan dan efisiensi konversi energi jauh lebih tinggi.

"Penelitian kami menunjukkan bahwa setetes 100 mikroliter (1 mikroliter = satu juta liter) air yang dilepaskan dari ketinggian 15 cm dapat menghasilkan tegangan lebih dari 140V. Dan daya yang dihasilkan dapat menerangi 100 bola lampu LED kecil," kata Profesor Wang.

Wang menambahkan bahwa peningkatan kerapatan daya instan tidak dihasilkan dari energi tambahan, tetapi dari konversi energi kinetik air itu sendiri. "Energi kinetik yang terkandung dalam air yang jatuh adalah karena gravitasi dan dapat dianggap sebagai energi bebas dan terbarukan."

Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa pengurangan kelembaban relatif tidak mempengaruhi efisiensi pembangkit listrik. Air hujan dan air laut juga dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.

Memfasilitasi Keberlanjutan Energi Bersih

Profesor Wang berharap bahwa hasil penelitian ini akan membantu memanen pembangkit tenaga air untuk manggulangi masalah global kekurangan energi terbarukan. "Menghasilkan energi listrik dari tetesan hujan bukan dari minyak dan energi nuklir dapat memfasilitasi pembangunan berkelanjutan dunia," tambahnya.

Dia percaya bahwa dalam jangka panjang, teknologi baru (pembangkit tenaga air) dapat diterapkan dan dipasang pada permukaan yang berbeda, di mana cairan bersentuhan dengan benda padat, untuk sepenuhnya memanfaatkan energi listrik kinetik frekuensi rendah dalam air. Ini dapat berkisar dari permukaan lambung kapal feri, garis pantai, ke permukaan payung atau bahkan di dalam botol air.