Perangkat yang dikembangkan Stanford menghasilkan bahan pupuk kritis dari udara tipis
Perangkat baru menghasilkan amonia dari energi udara dan angin, menawarkan alternatif berkelanjutan untuk metode yang bergantung pada bahan bakar fosil untuk aplikasi pertanian dan energi bersih.
Udara yang kami hirup memegang kunci pertanian yang lebih berkelanjutan, berkat terobosan inovatif oleh para peneliti di Stanford University dan King Fahd University of Petroleum dan Mineral di Arab Saudi. Mereka telah menciptakan perangkat prototipe yang menggunakan energi angin untuk mengekstraksi nitrogen dari udara dan mengubahnya menjadi amonia – bahan kritis dalam pupuk.
Jika sepenuhnya dikembangkan, metode ini dapat menggantikan proses tradisional memproduksi amonia, yang telah digunakan selama lebih dari seabad. Metode konvensional menggabungkan nitrogen dan hidrogen pada tekanan tinggi dan suhu, mengonsumsi 2% dari energi dunia dan menghasilkan 1% dari emisi karbon dioksida tahunan karena ketergantungannya pada gas alam. Pendekatan baru ini menawarkan alternatif yang lebih bersih dan lebih hemat energi.
Studi yang diterbitkan 13 Desember di Kemajuan Sainsmelibatkan di tempat pertama-bukan di lab-demonstrasi teknologi. Para peneliti membayangkan suatu hari nanti mengintegrasikan perangkat ke dalam sistem irigasi, memungkinkan petani untuk menghasilkan pupuk langsung dari udara.
“Terobosan ini memungkinkan kita untuk memanfaatkan nitrogen di udara kita dan menghasilkan amonia secara berkelanjutan,” kata penulis senior studi Richard Zare, Profesor Marguerite Blake Wilbur dalam Ilmu Pengetahuan Alam di Stanford School of Humanities and Sciences. “Ini adalah langkah yang signifikan menuju pendekatan yang terdesentralisasi dan ramah lingkungan terhadap pertanian.”
Alternatif yang lebih bersih
Dalam persiapan untuk merancang perangkat mereka, para peneliti mempelajari bagaimana faktor lingkungan yang berbeda – seperti kelembaban, kecepatan angin, kadar garam, dan keasaman – mempengaruhi produksi amonia. Mereka juga melihat bagaimana ukuran tetesan air, konsentrasi larutan, dan kontak air dengan bahan yang tidak larut dalam air berdampak pada proses tersebut. Terakhir, mereka menguji campuran terbaik oksida besi dan asam Polimer dengan fluor dan belerang untuk menentukan kondisi ideal untuk menghasilkan amonia dan memahami bagaimana bahan katalis ini berinteraksi dengan tetesan air.
Proses tim Stanford membuat amonia dengan bersih dan murah dan memanfaatkan udara di sekitarnya untuk mendapatkan nitrogen dan hidrogen dari uap air. Dengan melewati udara melalui mesh yang dilapisi dengan katalis untuk memfasilitasi reaksi yang diperlukan, para peneliti menghasilkan cukup amonia dengan konsentrasi yang cukup tinggi untuk berfungsi sebagai pupuk hidroponik dalam pengaturan rumah kaca. Tidak seperti metode tradisional, teknik baru ini beroperasi pada suhu kamar dan tekanan atmosfer standar, yang tidak memerlukan sumber tegangan eksternal untuk melekat pada mesh. Petani dapat menjalankan perangkat portabel di tempat, menghilangkan kebutuhan untuk membeli dan mengirimkan pupuk dari produsen.
“Pendekatan ini secara signifikan mengurangi jejak karbon produksi amonia,” kata penulis utama penulis Xiaowei Song, seorang ilmuwan riset kimia di Stanford.
Dalam percobaan laboratorium, tim menunjukkan potensi lebih lanjut dengan mendaur ulang air melalui sistem penyemprotan, mencapai konsentrasi amonia yang cukup untuk membuahi tanaman yang ditanam di rumah kaca setelah hanya dua jam. Dengan memasukkan filter yang terbuat dari bahan batu mikro, pendekatan ini dapat menghasilkan cukup amonia untuk mendukung aplikasi pertanian yang lebih luas.
Masa depan tanpa bahan bakar fosil
Perangkat ini berjarak dua hingga tiga tahun dari siap pasar, menurut rekan penulis studi Chanbasha Basheer dari King Fahd University of Petroleum and Minerals. Sementara itu, para peneliti berencana untuk menggunakan sistem mesh yang semakin besar untuk menghasilkan lebih banyak amonia. “Ada banyak ruang untuk mengembangkan ini,” kata Basheer.
Pentingnya amonia melampaui pupuk. Sebagai pembawa energi bersih, ia dapat menyimpan dan mengangkut energi terbarukan lebih efisien daripada gas hidrogen karena kepadatan energinya yang lebih tinggi. Inovasi memposisikan amonia sebagai kunci dalam industri dekarbonisasi seperti pengiriman dan pembangkit listrik.
“Amonia hijau mewakili perbatasan baru dalam keberlanjutan,” kata Zare. “Metode ini, jika dapat ditingkatkan secara ekonomi, dapat secara drastis mengurangi ketergantungan kita pada bahan bakar fosil di berbagai sektor.”
Referensi: “Sintesis Amonia Onsite dari Air Uap dan Nitrogen di Udara” oleh Xiaowei Song, Chanbasha Basheer, Jinheng Xu dan Richard N. Zare, 13 Desember 2024, Kemajuan Sains.
Doi: 10.1126/sciadv.ads4443
Studi ini didanai oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara AS dan King Fahd University of Petroleum and Minerals.
