Thursday, February 9, 2012

Dengan Merekayasa Fotosintesa Tanaman, Para ilmuwan Berupaya Memproduksi Biofuel yang Ekonomis

Selama bertahun-tahun para peneliti telah mencoba untuk mencari tahu cara terbaik untuk membuat tanaman menghasilkan biofuel. Tapi ada masalah mendasar yaitu proses fotosintesis, proses dimana tanaman mengkonversi sinar matahari menjadi energi kimia yang tersimpan, sangatlah tidak efisien. Tanaman mengubah hanya 1 sampai 3 persen dari sinar matahari menjadi karbohidrat. Itulah salah satu alasan mengapa begitu banyak lahan harus dikhususkan untuk menanam jagung demi mengembangkan etanol untuk biofuel. Namun tanaman juga memiliki banyak keuntungan: mereka menyerap karbon dioksida pada konsentrasi rendah secara langsung dari atmosfer, selain itu masing-masing sel tumbuhan dapat memperbaiki dirinya sendiri ketika rusak.
Para ilmuwan telah memulai upaya baru untuk merekayasa fotosintesis dan membantu umat manusia untuk membuat bahan bakar hijau. U.S. Advanced Research Projects Agency for Energy, atau yang dikenal sebagai ARPAe, sejauh ini telah mendanai 10 proyek, yang sebagian besar menggunakan rekayasa genetika untuk merekayasa instruksi dalam DNA tanaman yang mengatur pertumbuhan, pigmen, dan sejenisnya. Hibah terbesar (lebih dari $ 6 juta) diperoleh University of Florida untuk membuat pohon pinus agar dapat menghasilkan terpentin lebih banyak, sehingga menjadi bahan bakar yang potensial. Proyek lain, bertujuan untuk mendorong menginduksi rumput-rumput yang dapat tumbuh cepat seperti switchgrass agar dapat menghasilkan minyak nabati untuk pertama kalinya dalam sejarah.
Di masa depan, para insinyur emungkinan dapat membuat tanaman hitam yang mampu menyerap semua sinar matahari yang masuk dengan panjang gelombang cahaya yang berbeda-beda untuk melakukan fotosintesis. Tanaman sekarang hanya mampu menggunakan satu panjang gelombang tertentu untuk melakukan fotosintesa.Tanaman yang direkayasa untuk memproduksi biofuel bahkan mungkin dapat dibuat agar memiliki daun yang lebih kecil sehingga mengurangi energi yang dibutuhkan tanaman untuk pertumbuhan, atau bahkan dapat dibuat agar tidak lagi menyimpan energi sebagai gula tetapi mengubahnya secara langsung menjadi molekul hidrokarbon untuk digunakan manusia sebagai bahan bakar.
Para ilmuwan dalam program ini memberi julukan PETRO, bagi tanaman yang direkayasa untuk menggantikan minyak.  Untuk mewujudkan hal ini para ilmuwan harus menghadapi tantangan pasokan air yang semakin terbatas untuk tanaman dan skeptisisme publik terhadap organisme dimodifikasi secara genetik. Mereka juga akan menghadapi persaingan karena adanya upaya untuk menggantikan fotosintesis sama sekali, seperti program Electrofuels yang diluncurkan ARPA-e sendiri.  Program Electrofuels bertujuan untuk menginduksi mikroba sehingga mampu menghasilkan hidrokarbon. Selain itu terdapat pula upaya untuk menciptakan daun buatan yang menggunakan listrik dari sel surya untuk memecah air menjadi oksigen dan hidrogen sehingga dapat digunakan sebagai bahan bakar.  Bagi tanaman kini, sekedar menjadi hijau tidak lagi cukup.

Saturday, January 2, 2010

Apakah Dark Matter Memiliki Dampak pada Planet?

Di alam semesta, dark matter (materi gelap) lima kali lebih melimpah dibandingkan dengan materi normal. Tapi, dark matter menjadi teka-teki karena dark matter tidak terlihat dan dapat menembus materi normal. Para astronom mengidentifikasi dark matter dari gravitasi yang dihasilkannya. Gravitasi dark matter menjaga galaxy agar tidak tercerai berai. Selain itu, dark matter dapat memberikan efek yang terukur pada tata surya kita.

Secara khusus, peneliti harus menargetkan Bumi dan bulan, ujar fisikawan Stephen Adler dari Institute for Advanced Study di Princeton. Massa bumi dan bulan akan lebih besar jika diukur bersama dibandingkan jika keduanya diukur secara terpisah. Hal ini terjadi karena adanya halo dark matter diantara keduanya. Adler mencapai kesimpulan ini setelah ia mengukur massa bulan dengan lunar orbiters dan massa Bumi dengan LAGEOS. LAGEOS merupakan nama satelit yang dipergunakan untuk melakukan survey geodesi. Laser yang ditembakkan ke satelit menunjukkan besar jari-jari orbit masing-masing satelit dan berapa lama waktu yang diperlukan oleh masing-masing satelit untuk menyelesaikan orbitnya. Dari pengukuran tersebut, para ilmuwan dapat menghitung besarnya gravitasi yang menarik satelit dan besar massa yang menyebabkan gaya gravitasi tersebut.

Selanjutnya, Adler memeriksa penelitian yang mengukur jarak dari bumi ke bulan. Penelitian ini dilakukan dengan memantulkan sinar laser pada cermin yang ditanam di Bulan oleh misi Apollo. Jika Bumi memberikan gaya tarik yang lebih kuat kuat pada bulan (kira-kira 384.000 kilometer dari Bumi) daripada pada satelit LAGEOS (kira-kira 12.300 kilometer dari Bumi) maka, gaya tarik tambahan ini disebabkan oleh halo dark matter antara bulan dan satelit. Berdasarkan data saat ini, Adler memperkirakan bahwa terdapat paling banyak 24 triliun metrik ton dark matter di antara bumi dan bulan.

Adler juga berspekulasi bahwa dark matter bisa memberikan efek dramatis pada Jupiter, Saturnus, Uranus dan Neptunus. Keempat planet ini mayoritas tersusun atas gas. Jika gravitasi dari planet-planet besar ini menarik dark matter maka, partikel-partikel dark matter bisa menembus ke dalamnya. Walaupun peristiwa ini langka, tapi peristiwa ini cukup untuk memanaskan bagian dalam planet-planet ini. Hal ini dapat menjelaskan mengapa bagian dalam planet-planet ini lebih panas dibandingkan dengan penjelasan teoritis. Hal ini mungkin juga dapat menjelaskan dinginnya Uranus. Anomali pada planet Uranus mungkin disebabkan oleh tumbukan kolosal. Adler menduga bahwa tumbukan ini telah menyingkirkan sebagian besar dark matter yang telah memanaskan Uranus.

Kemungkinan pemanasan Planet oleh dark matter mungkin juga dapat memberikan petunjuk mengenai sifat-sifat dark matter yang belum diketahui. Misalnya, seberapa sering dark matter bertabrakan dengan materi normal, atau, apakah dark matter bergumpal di sekitar bintang dan planet-planet dan tidak menyebar secara merata di seluruh galaksi, komentar astrofisikawan teoretis Ethan Siegel dari University of Portland. Jika partikel dark matter merupakan antipartikel mereka sendiri, seperti yang diteorikan oleh beberapa ilmuwan maka, energi yang dilepaskan ketika mereka membinasakan diri mereka sendiri akan memanaskan planet jauh lebih dari sekadar tumbukan dengan atom. Skenario semacam itu bermakna bahwa dark matter tidak mungkin bergumpal dalam tata surya kita, karena jika demikian tata surya akan jauh lebih panas.

Astrofisika Annika Peter dari California Institute of Technology bersikap skeptis akan kemungkinan bahwa dark matter dapat mempengaruhi panas dari planet. Menurutnya, proses ini akan membutuhkan jumlah dark matter yang luar biasa banyak. Astronom Andrew Gould dari Ohio State University meragukan bahwa terdapat banyak gumpalan dark matter dalam tata surya kita. Ia berpendapat bahwa interaksi gravitasi dengan planet-planet akan menyingkirkan sebagian besar dark matter. Hal serupa terjadi ketika planet-planet menyingkirkan materi normal yang berada dalam tata surya kita. Namun, Siegel berpikir bahwa ketika sistem tata surya bergerak dalam galaksi dapat terjadi proses accretion. Proses accretion dalam hal ini adalah terjadinya penambahan dark matter akibat gaya tarik gravitasi.

Sampai sekarang keberadaan dark matter tetap misterius. Adler berpendapat bahwa akan sangat menarik jika terdapat halo dark matter di sekitar Bumi. Hal ini akan serupa dengan keberadaan sabuk Van Allen, atau cincin di sekitar Saturnus. Dengan demikian para peneliti akan memiliki lebih banyak kesempatan untuk mengungkap misteri dari dark matter.

Friday, January 1, 2010

Mengapa Superconductor menjadi Super?

Artikel ini secara ringkas menjelaskan bagaimana fenomena superkonduksi dapat muncul pada sebuah bahan. Selain itu, artikel ini juga membahas keunikan-keunikan superkonduktor dan pemanfaatan bahan superkonduktor

Munculnya Superconductivity

Pada konduktor biasa energi dari arus listrik terbuang karena electron yang membawa arus bertabrakan dengan ion logam konduktor. Sebaliknya, pada superconductor electron membentuk pasangan Cooper (Cooper pair) dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini bergerak sebagai satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari aliran ini, electron harus didorong ke energy quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.

Pentingnya Suhu bagi Superconductor

Kebanyakan superconductor saat ini bergantung pada helium cair sebagai pendingin. Pendingin yang sama digunakan oleh Heike Kamerlingh Onnes ketika ia menemukan fenomena superconductivity yang hampir satu abad yang lalu. Helium cair yang mendidih pada suhu 4,2 kelvin menambah biaya dan kompleksitas yang cukup besar untuk membuat sebuah sistem. Superconductor yang paling banyak digunakan adalah niobium alloy. Niobium alloy dapat menjadi superconductor pada suhu 18 Kelvin (dalam keadaan tidak adanya medan magnet). Pada alat-alat yang melibatkan medan magnet yang atau kepadatan arus tinggi, superconductor memerlukan pendingin ekstra untuk mempertahankan superkonduktivitas-nya. Magnet niobium alloy yang sangat kuat milik Large Hadron Collider, misalnya, beroperasi pada suhu 2,9 Kelvin. Material baru yang dapat berfungsi dengan baik di atas titik didih helium cair akan merevolusi aplikasi superconductor.

Levitation

Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor juga tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut Diamagnetisme sempurna. Efek ini dapat membuat sebuah magnet melayang di atas superkonduktor atau, sebuah superkonduktor di atas magnet. Superkonduktor juga dapat melayang di bawah magnet. Superconductor tipe 2 memungkinkan fluks magnet untuk menembus mereka dalam tabung tipis. Gambar berikut ini menunjukkan fenomena levitasi yang terjadi pada bahan superconductor.













Perkembangan Bahan Superconductor

Dalam 98 tahun para ilmuwan telah menemukan berbagai macam bahan yang dapat menjadi superconductor. Bahan-bahan tersebut antara lain:
  1. Mercury (1911): Superconductor pertama ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan mercury di bawah suhu transisi superconductor yaitu 4,2 Kelvin.
  2. Niobium Alloy (1941): Penggunaan superconductor dalam industri terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa niobium tin (Nb3Sn), yang menjadi superconductor pada suhu 18,3 Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan magnet besar.
  3. Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb3Ge) memegang rekor temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.
  4. Heavy Fermion (1979): Superconductor Heavy Fermion seperti uranium platina (UPt3) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional tidak dapat menjelaskan sifat superconductivity materi ini.
  5. Cuprates (1986): Cuprates merupakan superconductor suhu tinggi yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 Kelvin.
  6. Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang menjadi superconductor ketika didoping dengan atom logam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.
  7. HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini menjadi superconductor pada suhu 164 Kelvin.
  8. Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari superconductor konvensional.
  9. Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor suhu tinggi.
Aplikasi Superconductor

Superconductor konvensional telah diaplikasikan pada berbagai alat, misalnya:
  • akselerator partikel seperti Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) dan Large Hadron Collider. Gambar berikut ini menunjukkan penggunaan superkonduktor pada RHIC
  • Sebagai gyroscopes dan detektor medan magnet dalam Gravity Probe B satellite. Gyroscopes adalah suatu alat untuk mengukur atau mempertahankan orientasi, berdasarkan prinsip-prinsip kekekalan momentum sudut. Bentuk dari Gravity Probe B ditunjukkan pada gambar berikut.
  • atau untuk Magnetic resonance imaging (MRI). Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu teknik pencitraan medis memvisualisasikan struktur internal dan fungsi tubuh. Bentuk dari devais Magnetic Resonance Imaging ditunjukkan pada gambar berikut.
Seiring dengan penyempurnaan proses fabrikasi kawat cuprate, keterbatasan superconductor cuprates berkurang. Perusahaan-perusahaan kini sedang mengembangkan sistem yang besar seperti turbin angin pembangkit listrik dan mesin penggerak kapal. Para ilmuwan berharap bahwa studi tentang pnictides akan membuka jalan bagi penemuan bahan baru dengan suhu transisi yang lebih tinggi atau lebih baik dibandingkan dengan sifat mekanik cuprate.

Thursday, December 24, 2009

Shimabara Rebellion Salah Satu Kisah Kelam Dalam Sejarah Jepang

Kisah berikut ini menceritakan tentang salah satu pemberontakan paling besar dalam sejarah jepang. Pemberontakan ini terjadi pada pemulaan zaman Edo. Pajak dan sifat represif pemerintah terhadap kebebasan beragama kala itu membangkitkan kemarahan para petani, ronin dan rakyat jelata. Pemberontakan ini menelan ratusan ribu korban termasuk para biksu, wanita, orang tua bahkan anak-anak.
Baca kisah lengkap mengenai Shimabara Rebellion pada link ini

Posted using ShareThis

Saturday, December 19, 2009

Apa Saja Aplikasi Fisika Quantum Bagi Masa Depan?

Perilaku aneh fisika Quantum mungkin tampak terlalu tak terduga untuk dapat diandalkan bagi kebutuhan energi kita. Tetapi, teknologi baru memberikan harapan untuk memanfaatkan sifat-sifat fisika Quantum. Salah satu sifat Quantum yang paling pupoler ialah kenyataan bahwa cahaya memiliki sifat-sifat gelombang dan partikel. Sifat ganda ini digunakan dalam teknologi tenaga surya. Sinar matahari yang jatuh ke permukaan bumi dikonsentrasikan oleh cermin dan lensa yang bekerja berdasarkan sifat gelombang cahaya. Setelah berada didalam sel surya, cahaya terfokus ini bertabrakan dengan elektron dalam partikel, sehingga membebaskan elektron untuk menciptakan arus listrik.

Quantum dots
Generasi sel surya mendatang dapat menggunakan potongan-potongan kecil dari bahan semikonduktor yang disebut quantum dots. Perangkat ini berukuran sangat kecil (1 sampai 1.000 nanometer) sehingga hanya beberapa elektron bebas dapat berada di dalamnya. Karena tempat sempit ini, sebuah Quantum dots berperilaku seperti sebuah atom buatan yang didalamnya elektron hanya dapat hanya berada pada tingkat energi spesifik. Tingkat ini mendefiniskan secara spesifik panjang gelombang cahaya yang akan diserap oleh quantum dots. "Quantum dots memiliki sejumlah sifat tidak biasa dibandingkan dengan bulk semiconductor," kata Arthur Nozik dari National Renewable Energy Laboratory, bagian dari US Department of Energy. Dia dan rekan-rekannya sedang melihat bagaimana sebuah partikel cahaya tunggal (atau photon) dapat memasukki sebuah titik dan membangkitkan beberapa elektron, daripada biasanya. Peneliti lain mencari cara menyempurnakan panjang gelombang di mana sebuah titik menyerap cahaya dengan membuatnya lebih besar atau lebih kecil. Produsen Solar cell mungkin suatu hari nanti bisa mencampurkan titik-titik dengan ukuran yang berbeda untuk menyerap sinar matahari dangan berbagai panjang gelombang.

Quantum Wires
Sebuah kawat Quantum seperti halnya Quantum dots membentang di sepanjang satu arah. Dalam kasus-kasus tertentu, saluran sempit ini - 10.000 kali lebih tipis dari rambut manusia - bisa sangat baik dalam mengalirkan listrik, karena elektron cenderung bergerak secara lebih teratur sepanjang Quantum Wires. Salah satu cara untuk membuat kawat kuantum adalah dengan nanotube karbon, yang gulungan kecil dari lembaran karbon yang terikat secara hexagonal. Ditemukan pada tahun 1991, nanotube ini mulai muncul di semua jenis aplikasi, termasuk sebagai penyimpanan energi yang lebih baik. Sebagaimana telah ditunjukkan oleh salah satu grup MIT, adalah mungkin untuk membuat kapasitor souped-up dari karbon nanotube. Para peneliti menumbuhkan nanotube berdekatan untuk meningkatkan luas permukaan di dalam kapasitor. Yang dihasilkan adalah "ultra capacitor" yang dapat menyimpan sebanyak 50 persen listrik lebih banyak dibangdingkan dengan Baterai biasa. Ini mungkin ideal di dalam mobil listrik, sebagai kapasitor lebih tahan lama dan proses pengisian dan pengosongan listriknya lebih cepat daripada baterai.

Superconductor
Meskipun quantum wire merupakan konduktor yang baik, terdapat bahan lain yang mengunggulinya. Superconductor adalah bahan-bahan di mana elektron dapat secara berpasangan untuk membawa arus. Pasangan ini tidak biasa karena biasanya elektron akan saling tolak, tapi fisika quantum dapat mengatasi hal ini dan, dengan demikian, mengurangi hambatan listrik dalam superconductor hingga mendekati ke nol ohm. Hambatan adalah hal yang membuat kawat menjadi panas ketika membawa listrik. Perusahaan listrik biasanya kehilangan sekitar 7 persen dari energi mereka menjadi panas yang disebabkan oleh hambatan dalam transmisi kabel. Kabel superconductor memang dapat membantu mengurangi pemborosan. Masalahnya, superconductor hanya bekerja pada suhu yang sangat dingin. Sebagai contoh, sistem kabel superconductor terpanjang untuk transmisi daya yang dipasang pada awal tahun 2009 sepanjang setengah mil di Long Island, harus dikelilingi oleh cairan nitrogen agar tetap pada suhu minus 330 derajat Fahrenheit (minus 200 derajat Celcius).

Light Emitting Diode (LED)
Light Emitting Diode bekerja secara berkebalikan dengan solar cell. Arus listrik yang mengalir melalui dioda akan menyebabkan elektron melompat melintasi penghalang antara dua jenis bahan semikonduktor. Elektron yang melompat kemudian jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah, kemudian memancarkan photon. Karena panjang gelombang cahaya yang dipancarkan berada pada pita yang amat sempit, tidak banyak energi yang terbuang sebagai sinar inframerah, seperti halnya yang terjadi pada bola lampu pijar. Efisiensi LED bahkan lebih baik daripada compact fluorescent. LED sekarang sedang dibuat menjadi lampu penuh yang dapat menggantikan bola lampu normal. walaupun lebih mahal, biaya tambahan LED dapat diimbangi oleh tagihan listrik lebih rendah.

Dalam usaha menghemat energi, Aplikasi fisika Quantum sedikit banyak dapat membantu kita di masa depan.

ShareThis