Bayangkan Anda harus menimbang sesuatu yang tidak bisa dilihat, tidak bisa dipegang, dan terus berubah sifatnya seiring suhu yang melonjak hingga hampir 500 derajat Celsius. Itulah tantangan nyata yang dihadapi para ilmuwan saat berusaha mengukur densitas hidrogen, gas yang disebut-sebut sebagai bahan bakar masa depan. Tanpa data yang akurat, sistem penyimpanan dan distribusi hidrogen tidak bisa dirancang dengan aman.
Penelitian yang dipublikasikan dalam jurnal SINERGI edisi Juni 2018 menawarkan satu jawaban atas tantangan itu: sebuah metode pengukuran yang lebih sederhana, lebih hemat langkah, dan terbukti akurat.
Mengapa Data Hidrogen Masih Bolong di Suhu Tinggi
Hidrogen bukan barang baru di dunia sains. Data sifat termodinamikanya, termasuk hubungan antara tekanan, volume, dan temperatur (PVT), sudah diteliti sejak era 1920-an. Para ilmuwan dari berbagai negara telah mengukurnya pada rentang tekanan dan suhu yang lebar.
Masalahnya, ada celah yang belum terisi: data eksperimental hidrogen pada suhu di atas 150°C dengan tekanan antara 0,1 MPa hingga 1 MPa masih sangat terbatas. Padahal, justru pada rentang inilah banyak aplikasi energi hidrogen beroperasi. Perancangan tangki, pipa distribusi, hingga sistem keselamatan semuanya bergantung pada keakuratan data di zona yang selama ini kurang terdokumentasi.
Alat Baru, Cara Pikir Baru
Untuk mengisi celah itu, Supriatno dari Institut Teknologi Medan merancang sebuah aparatus yang menggabungkan dua metode sekaligus: metode isokorik dan metode ekspansi.
Metode isokorik konvensional mengharuskan peneliti mengukur tekanan dan temperatur secara berulang di sepanjang garis isokorik, proses yang panjang dan rentan kesalahan. Metode yang dikembangkan dalam penelitian ini memangkas kebutuhan itu. Tidak ada pengukuran langsung terhadap massa atau volume gas. Sebaliknya, gas hidrogen dimasukkan ke dalam sel sampel bervolume 250 cm³, lalu diekspansikan ke dalam sel ekspansi bervolume 2.500 cm³ yang sepuluh kali lebih besar.
“Metode ini tidak memerlukan pengukuran tekanan dan temperatur sepanjang garis isokorik seperti yang biasanya dilakukan pada metode isokorik konvensional, dan juga tidak memerlukan pengukuran langsung terhadap massa maupun volume gas.”
Selisih volume yang besar antara kedua sel bukan kebetulan. Setelah ekspansi, tekanan hidrogen di dalam sel ekspansi menjadi sangat rendah sehingga gas dapat diperlakukan layaknya gas ideal, menyederhanakan perhitungan secara signifikan. Kedua sel dibuat dari baja tahan karat SUS316 yang tahan terhadap tekanan dan suhu tinggi sekaligus bersifat konduktor panas yang baik, memastikan kestabilan temperatur tercapai lebih cepat.
Sistem kendali suhu menggunakan rangkaian PID (proportional-integral-derivative) dengan presisi tinggi. Stabilitas temperatur selama pengukuran dijaga pada kisaran ±10 mK, sebuah angka yang mencerminkan betapa ketatnya standar akurasi yang dikejar.
Angka yang Berbicara: Maksimum 1,42 Persen Meleset
Pengukuran dilakukan pada tiga target suhu, yaitu 300°C, 400°C, dan 500°C, serta tiga target tekanan: 0,3 MPa, 0,5 MPa, dan 0,7 MPa. Hidrogen yang digunakan memiliki kemurnian 99,999 persen.
Hasil pengukuran kemudian dibandingkan dengan nilai densitas yang dihitung menggunakan persamaan keadaan Leachman, rujukan standar internasional untuk sifat termodinamika hidrogen yang datanya bisa diakses melalui basis data NIST.
Deviasi maksimum yang diperoleh adalah 1,42 persen, terjadi pada suhu 498,217°C dan tekanan 0,2947 MPa. Deviasi minimum sebesar 0,11 persen tercatat pada suhu 399,461°C dan tekanan 0,6981 MPa. Secara umum, semakin tinggi suhu, semakin besar penyimpangannya, sebuah pola yang konsisten dan dapat dipahami secara fisika.
Ada satu fenomena menarik yang dicatat peneliti: pada suhu tinggi, tekanan di dalam sel sampel mengalami penurunan kecil sebelum proses ekspansi dilakukan. Gejala serupa pernah dilaporkan oleh peneliti terdahulu. Meski sudah diperiksa menyeluruh, tidak ditemukan kebocoran fisik. Hal yang sama tidak terjadi saat helium atau nitrogen diukur dengan aparatus yang sama, sehingga peneliti menyimpulkan fenomena ini khas untuk hidrogen pada suhu tinggi.
Satu Langkah Kecil Menuju Energi yang Lebih Bersih
Penelitian ini mungkin tidak langsung mengubah cara dunia menggunakan hidrogen. Tetapi data eksperimental yang dihasilkannya mengisi lubang yang selama puluhan tahun dibiarkan menganga dalam literatur sains. Perancang sistem energi hidrogen kini memiliki satu titik referensi lebih untuk suhu dan tekanan yang sebelumnya hanya bisa diestimasi.
Metode gabungan yang dikembangkan dalam penelitian ini juga membuka kemungkinan untuk diaplikasikan pada gas lain yang sifat PVT-nya belum lengkap terdata. Dalam dunia di mana transisi energi bukan lagi wacana tetapi keharusan, akurasi data sekecil itu bisa berarti perbedaan antara sistem yang bekerja dengan aman dan sistem yang gagal di titik yang tidak terduga.
Sumber DOI : https://doi.org/10.22441/sinergi.2018.2.006
Penulis : Anny Anggraini , drg. Achmad Zam Zam Aghasy, M.Kes.
Foto : Freepik
