Pernah tak anda melihat hujan yang turun dan terfikir tentang potensi yang belum ditemui dalam setiap titisan air tersebut?
Jika ya, anda mempunyai minda yang sangat baik untuk sains dan fizik!
Sebenarnya, penyelidik di seluruh dunia sedang menyiasat kebolehan untuk menggunakan titisan air hujan sebagai sumber tenaga dan telah menghasilkan banyak kemajuan dalam bidang yang semakin penting ini.
BESARKAN TEKS A- A+
Berapa jumlah tenaga yang terdapat dalam air hujan?
Air dalam awan mempunyai potensi tenaga disebabkan oleh ketinggian jatuhannya. Tenaga keupayaan graviti sesuatu objek boleh diukur dengan mendarab ketinggiannya dari muka Bumi dengan beratnya dan pemalar graviti (9.8 m/s2).
Untuk memudahkan pemahaman, bayangkan bandar anda menerima 100 sentimeter hujan setiap tahun dan rumah anda mempunyai bumbung berkeluasan 200 meter persegi.
Ini menjadikan jumlah hujan sebanyak 20 meter padu atau 20 kilogram air.
Memandangkan hujan turun dari awan stratus yang berada di ketinggian kira-kira 2000 meter, jumlah tenaga berpotensi untuk hilang adalah kira-kira 400 MJ atau 111 kWh.
Jumlah ini mungkin kelihatan kecil, tetapi jika mempertimbangkan kawasan sekitar 1 kilometer persegi, jumlah tenaga yang "jatuh" cukup untuk membekalkan elektrik kepada sekitar 1,000 buah rumah.
Sumber utama kepada tenaga dalam air hujan
Seperti kebanyakan sumber kuasa lain di planet Bumi, hujan memperoleh tenaga dari Matahari. Matahari adalah "pam" utama yang menjadi bahan bakar kepada semua bentuk sumber dan kehidupan.
Di permukaan Bumi, ketumpatan tenaga Matahari adalah kira-kira 1,000 W / meter persegi.
Untuk memudahkan perspektif, jika semua tenaga cahaya Matahari menyinari permukaan Bumi di Malaysia sahaja boleh ditukar kepada elektrik, kuasa yang dihasilkan akan setara dengan 150 kali jumlah kuasa yang dihasilkan oleh semua loji kuasa di dunia!
Sebahagian besar sinaran suria yang menyinari planet kita digunakan untuk meruap air dari lautan dan sungai.
Perbezaan suhu terhasil di atmosfera (disebabkan oleh bahagian-bahagian yang berbeza dari atmosfera menyerap jumlah haba Matahari yang berlainan) berfungsi sebagai pam dan menarik air yang meruap sambil mengisinya dengan tenaga yang berpotensi.
Tenaga daripada simpanan hujan
Loji kuasa hidroelektrik menjana kira-kira 6.5% daripada elektrik yang digunakan di Amerika Syarikat. Jumlah itu meningkat kepada 13.5% bagi India.
Tenaga hidroelektrik adalah bentuk tenaga paling bersih yang wujud dan agak mudah untuk dihasilkan. Air yang jatuh dari ketinggian yang sesuai ke atas turbin, lalu menggerakan turbin tersebut.
Turbin disambungkan kepada dinamo yang menukar tenaga mekanikal menjadi tenaga elektrik.
Dengan menggunakan kaedah yang sama seperti yang digunakan dalam loji janakuasa hidroelektrik, saintis mendapati bahawa takungan besar yang diletakkan di ketinggian tertentu boleh mengumpul hujan yang kemudiannya air tersebut boleh dijatuhkan ke Bumi itu untuk menguasakan turbin.
Kaedah ini akan sangat berkesan terutamanya pada musim hujan kerana bekalan air berterusan tersedia.
Memanfaatkan tenaga kinetik hujan
Apa-apa objek yang bergerak pada halaju tertentu mempunyai tenaga kinetik, begitu juga dengan hujan.
Kejatuhan hujan yang besar, kira-kira satu perempat inci persegi, mempunyai kelajuan jatuh kira-kira 32 kilometer sejam atau kira-kira 10 meter sesaat.
Kajian terbaru menunjukkan bahawa tenaga kinetik hujan boleh "diperah" menggunakan bahan-bahan tertentu, seperti PVDF (polyvinylidene fluoride), yang mempunyai sifat piezoelektrik.
Apakah itu bahan piezoelektrik?
Piezo adalah perkataan dari bahasa Yunani yang bermaksud "memerah atau menekan". Oleh itu, bahan piezoelektrik adalah bahan yang boleh menjana elektrik sebagai tindak balas kepada tekanan mekanikal yang digunakan.
Bahan yang menunjukkan kesan piezoelektrik juga menunjukkan kesan sebaliknya, dipanggil "kesan piezoelektrik terbalik".
Ini bererti apabila dikenakan caj elektrik, ia menjadi "cacat". Bahan-bahan ini boleh terdiri daripada bahan termasuk kristal, seramik atau bahkan bahan biologi, seperti tulang dan protein.
Piezoelektrik adalah bahan kristal standard dengan struktur asimetri.
(Kesan piezoelectric)
Namun ia adalah neutral terhadap elektrik, kerana caj positif yang hadir adalah sama dengan beban negatif, dan ia diimbangi antara satu sama lain.
Walaubagaimanapun, apabila bahan-bahan tersebut "diperah", strukturnya berubah bentuk yang menolak beberapa atom menjadi lebih dekat dan memisahkan atom-atom lain.
Ini menimbulkan ketidakseimbangan caj positif dan negatif sekaligus itu mewujudkan potensi elektrik.
Kuarza adalah salah satu bahan piezoelektrik yang paling biasa wujud di Bumi dan kristal kuarza kecil digunakan untuk memastikan jam berjalan dalam peranti seperti jam tangan dan juga peranti elektronik seperti komputer riba.
Bagaimanakah piezoelektrik menukar hujan ke dalam tenaga elektrik?
(Penjanaan tenaga elektrik melalui kesan piezoelektrik)
Getaran yang disebabkan oleh titisan air yang jatuh ke atas bahan piezoelektrik akan menghasilkan tekanan.
Tekanan ini akan menghasilkan pelanggaran tidak elastik (perbezaan potensi) di atas permukaan bahan piezoelektrik, seperti plumbum titanat zirkonat (PZT), dengan itu menukarkan tenaga mekanikal dari hujan kepada tenaga elektrik.
Bahan piezoelektrik amat berguna untuk mengumpul dan menyimpan caj elektrik kecil, seperti yang dihasilkan oleh alat elektrik atau dalam hal ini, jatuhan titisan air.
Dan pada saat ini, pasti anda tertanya-tanya jika menghasilkan tenaga daripada air hujan adalah mudah, kenapa ia tidak digunakan dengan lebih kerap, kan?
Masalah dengan tenaga hujan
Masalah pertama yang dihadapi adalah kadar penukaran tenaga. Peranti piezoelektrik boleh mengesktrak hanya kira-kira 12 miliwatt kuasa daripada satu titisan hujan.
Jumlah ini adalah kurang daripada 0.001 kWh bagi satu meter persegi, yang mana pada dasarnya cukup untuk menguasakan sensor jarak jauh.
Selain itu, peranti ini sangat mahal dan memerlukan penyelenggaraan tetap. Panel solar adalah jauh lebih cekap daripada semua kaedah yang dinyatakan di atas.
Untuk memadankan kecekapan sel solar, kita perlu membina takungan pada ketinggian 1 kilometer atau lebih.
Membina sebuah bekas takungan air yang tinggi dari tanah tidak berdaya maju dari segi ekonomi, terutamanya jika dibandingkan dengan kos yang meliputi kawasan yang sama.
Kesimpulan
(Sel solar yang boleh menghasilkan tenaga elektrik melalui jatuhan air hujan)
Bahan-bahan yang baru dihasilkan seperti sel solar graphene yang mampu menjana arus elektrik melalui pecahan garam dalam hujan, menunjukkan bahawa terdapat lebih daripada satu cara untuk manusia memanfaatkan potensi air hujan.
Dan dengan teknologi baru berkembang setiap hari, penggunaan hujan sebagai tenaga komersial akan direalisasikan tak lama lagi.
Dari segi jumlah kuasa yang dihasilkan, hujan tak mungkin dapat bersaing dengan loji hidroelektrik atau sel suria.
Walau bagaimanapun, ia mempunyai satu kelebihan utama, iaita percuma. Dan siapa tahu, dengan teknologi yang sentiasa berubah, penghasilan kuasa bersih akan menjadi tersangat mudah.
Rujukan:
2. ResearchGate
4. The University Of Tennessee System
5. Phys.Org
