Perbandingan Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG) dan Sel Surya

Mulyanto; Muhamad Ilyas; Budiono

10210070; 10210086; 10210105

I. Radioisotope thermoelectric Generator (RTG)

Radioisotope thermoelectric generator (RTG) adalah sumber bahan bakar atau pendorong utama

untuk satelit luar angkasa dan misi luar angkasa lainnya. Prinsip utamanya adalah dengan memanfaatkan

peluruhan radioaktif. Unsur radioaktif yang sering digunakan sebagai bahan bakar adalah plutonium-238.

Waktu paruh plutonium-238 adalah sekitar 87 tahun, hal ini membuat plutonium-238 cocok digunakan

sebagai bahan bakar RTG karena rasio tenaga yang dihasilkan dengan umurnya seimbang. Banyak unsur

radioaktif yang memiliki waktu paruh lebih lama akan tetapi umur paruh yang lama menyebabkan tenaga

yang dihasilkan kurang untuk misi luar angkasa yang jauh untuk pengambilan data. Panas yang dihasilkan

dari peluruhan akan diubah menjadi listrik menggunakan thermocouples, yang diterapkan dengan

memanfaatkan efek seebeck. Oleh karena itu untuk mengetahui prinsip utama RTG, dibutuhkan

pemahaman prinsip peluruhan radioaktif dan efek Seebeck.

Gambar 1. Radioisotope Thermoelectric Generator.

A. Peluruhan radioaktif

peluruhan radioaktif terjadi saat isotope yang tidak stabil secara spontan mengeluarkan partikel

dan berubah menjadi nuklida yang berbeda. Emisi tersebut menghasilkan panas untuk menghasilkan

listrik. Bahan bakar yang cocok untuk RTG adalah plutonium-238 karena mempunyai beberapa

keunggulan sebagai berikut: waktu paruh lama, mudah menyerap radiasi, rasio power terhadap massa

yang bagus. Selama peluruhan, partikel alpha dikeluarkan dari inti sehingga menghasilkan panas yang

digunakan untuk menghasilkan listrik.

Gambar 2. Nucleus memancarkan partikel alpha.

B. Efek Seebeck

Efek Seebeck ditemukan oleh seorang fisikawan dari Jerman bernama Thomas Johann Seebeck

pada tahun 1821. Pada percobaannya didapatkan fenomena arus listrik dihasilkan oleh dua metal yang

berbeda yang mempunyai temperature yang berbeda. Efek ini merupakan basis dari penggunaan

thermocouple.

Gambar 3. Thermocouple menunjukkan efek Seebeck.

Setelah peluruhan plutonium-238, panas dari peluruhan akan digunakan untuk menghasilkan listrik

menggunakan thermocouple. Panas ini digunakan untuk membuat perbedaan temperature pada

sambungan metal dalam thermocouple.

Dengan menggunakan koefisien Seebeck, atau dengan mengukur induced voltage yang

berhubungan dengan gradient temperature, dapat diturunkan persamaan untuk produksi tegangan melalui

dua metal ;

( ( ) ( ))

dengan T1 dan T2 adalah temperature dari dua metal, dan SA dan SB adalah koefisien Seebeck.

II. Sel Surya

Sel surya adalah alat yang dapat mengkonversi cahaya menjadi listrik. Pada sel surya digunakan

semikonduktor sebagai bagian utamanya. Pada semikonduktor terjadi penyerapan cahaya untuk

mengeksitasi electron menuju pita konduksi, kemudian electron diusahakan agar tidak berekombinasi

kembali dengan hole yang ada di pita konduksi sehingga dapat menghasilkan arus listrik.

Sel surya dapat dianalogikan sebagai divais dengan dua terminal atau sambungan, dimana saat kondisi

gelap atau tidak cukup cahaya berfungsi seperti dioda, dan saat disinari dengan cahaya matahari dapat

menghasilkan tegangan. Ketika disinari, umumnya satu sel surya komersial menghasilkan tegangan dc

sebesar 0,5 sampai 1 volt, dan arus short-circuit dalam skala milliampere per cm2. Besar tegangan dan

arus ini tidak cukup untuk berbagai aplikasi, sehingga umumnya sejumlah sel surya disusun secara seri

membentuk modul surya. Satu modul surya biasanya terdiri dari 28-36 sel surya, dan total menghasilkan

tegangan DC sebesar 12 V dalam kondisi penyinaran standar.

Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara

semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat

elektron sebagai penyusun dasar. Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan

negatif) sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur

atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan

atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom

boron, sedangkan untuk mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor.

Gambar 4. Sel surya.

Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole)

bisa diekstrak oleh material kontak untuk menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n

terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga

membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada semikonduktor

tipe-p. Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana ketika cahaya

matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor

menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak

menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.

III. Perbandingan RTG dan Sel Surya

Teknologi RTG sudah banyak digunakan sebagai sumber energi dan bahan bakar pesawat luar

angkasa, hal ini karena energi yang dihasilkan RTG ini cukup menjanjikan. Sumbaer energi untuk benda-

benda yang diluncurkan ke luar angkasa seperti satelit, pesawat ruang angkasa, dan hal lainnya umumnya

adalah sel surya dan RTG. Keduanya memiliki fungsi sama yaitu menghasilkan energi, akan tetapi

masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Lingkungan luar angkasa untuk daerah yang berbeda

keadaannya bisa sangat berbeda, misalnya posisi planet di tata surya menentukan tingkat intensitas sinar

matahari dan juga temperatur. Secara umum kelebihan dan kekurangan sel surya dan RTG mencakup

beberapa aspek, yaitu: aspek keselamatan, aspek kelayakan, aspek lingkungan luar angkasa, aspek massa,

dan aspek ukuran.

Sebagai perbandingan, diambil beberapa eksplorasi dan misi luar angkasa yaitu satelit

komunikasi, eksperimen di permukaan bulan, pendaratan di Mars, dan misi ke planet Neptunus. Satelit

digunakan untuk mengirim dan menerima informasi, misalnya satelit Viking I dan Viking II yang

diluncurkan NASA ke orbit planet Mars pada tahun 1975. Tujuan keilmuan utama pada proses

peluncuran satelit ini adalah untuk mendapatkan gambar resolusi tinggi dari permukaan mars,

mengkarakterisasi struktur dan komposit dari atmosfir dan permukaan, serta mencari bukti kehidupan di

mars. Satelit yang mengorbit menggunakan sel surya dan pendaratan menggunakan RTG.

Gambar 5. Viking Orbiter releasing the lander

Eksperimen di permukaan bulan telah dilakukan pada misi Apollo, paket eksperimen ini

dinamakan Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) yang berisi instrumen kelimuan yang

diletakan oleh para astronot pada situs pendaratan dari masing-masing misi Apollo dimulai dari Apollo

11, sumber energi yang digunakan untuk paket instrumen tersebut adalah RTG.

Gambar 6. ALSEP Apollo 16

Teknologi RTG juga digunakan dalam misi Mars Science Laboratory, RTG digunakan untuk

power sistem penghasil listrik yang dibutuhkan untuk mengoperasikan rover dan instrumen-instrumen

lainnya. Orbit neptunus merupakan salah satu misi NASA lainnya, misi tersebut juga direncanakan untuk

eksplorasi Triton, satelit terbesar Neptunus. Meskipun NASA berencana untuk menggunakan tenaga

listrik sel surya daya tinggi, tapi panel surya tidak mungkin karena letak Neptunus yang relatif jauh dari

Matahari.

Gambar 7. Mars Science Laboratory Curiosity Rover

A. Aspek Keselamatan

Keselamatan merupakan aspek yang selalu menjadi pertimbangan utama karena menyangkut

kehidupan makhluk hidup, terutama manusia. Dalam hal ini ulasan aspek keselamatan untuk semua misi

akan dibahas sekaligus karena pada dasarnya faktor keselamatan dalam penggunaan teknologi lebih

karena instrumen-instrummen, bahan-bahan yang digunakan untuk membuat teknologi tersebut, serta

perlengkapan keselamatan yang disediakan untuk mengantisipasi kemungkinan terburuk yang bisa terjadi.

Aspek keselamatan untuk RTG dibandingkan dengan Solar Cell ditentukan oleh karakteristik

material penyusunnya. Untuk Sel Surya material yang digunakan sudah dapat dibuat dengan aman

sedangkan untuk RTG membutuhkan bahan yang cukup sulit dari tinjauan keselamatan apabila untuk

digunakan dalam skala besar serta membutuhkan perizinan yang sangat ketat. Jelaslah bahwa RTG

mengandung resiko terdapatnya kontaminasi radioaktif. Jika ruang dimana tempat bahan radioaktif yang

digunakan pada RTG bocor maka material radioaktif dapat keluar ke lingkungan.

Dalam eksplorasi ke planet mars atau ke luar angkasa masalah utama terdapat pada pesawat luar

angkasa saat peluncuran, material berbahaya dapat lepas diatmosfer. Plutonium-238 yang digunakan pada

RTGs misalnya, mempunyai waktu paro 87.74 tahun jika dibandingkan dengan waktu paruh plutonium-

239 yang digunakan dalam reaktor dan senjata nuklir yang mempunyai waktu paruh 24.110 tahun maka

untuk RTG tersebut 275 kali lebih radioaktif . misalnya 3.6 kg plutonium-238 mempunyai jumlah

peluruhan radioaktif per detik yang sama dengan 1 ton plutonium-239. Oleh karena itu bahan plutonium

yang digunakan dalam misi luar angkasa sangat membutuhkan regulasi yang sangat ketat terkait

keselamatan pekerja dan kebocoran kelingkungan dan jumlah peluruhan radioaktif per detik yang besar.

Radiasi alpha yang dihasilkan dapat berbahaya apabila masuk dalam tubuh manusia .

Pada dua dekade terakhir NASA telah meluncurkan paling tidak tiga misi yang menggunakan

RTG, yaitu Cassini, Mars Science Laboratory, dan New Horizons. NASA bahkan telah mempublikasikan

kemungkinan dampak lingkungan yang juga berisi perkiraan angka kematian kanker laten pada skenario

terjadinya kasus terburuk.Faktor-fakor keselamatan telah dibangun untuk melindungi pesawat dan

awaknya dari bahaya. Untuk menjaga keselamatan masyarakat dunia, seperti halnya perlindungan

pesawat, RTG beberapa kali diuji coba sebelum digunakan. Pemeriksaan dan analisis teliti dilakukan,

selain itu juga briefing keselamatan dan training termasuk cara pengoperasian dan perawatan RTG.

Semua orang yang bekerja dengan RTG telah dilatih dengan baik, sebelum peluncuran bahkan dilakukan

persetujuan dengan dilakukan check out sistem terlebih dahulu oleh Interagency Nuclear Safety Review

Panel (INSRP). grup ini terdiri dari orang-orang bagian akademisi, industri, pemerintahan, dan spesialis

lingkungan untuk meyakinkan semua paket sistem operasi RTG aman. Di luar itu semua, RTG juga telah

dirancang dan sukses melewati beberapa kali crash test.

B. Aspek Kelayakan

Seperti halnya teknologi sel surya, teknologi RTG juga sekarang ini sudah jauh berkembang dari

prototipe awal. Perhatian utama selain keselamatan adalah aspek kelayakan, karena tentu saja penggunaan

teknologi bukan hanya memperhatikan faktor keuntungan, tapi juga faktor-faktor lain sebagai dampak

penggunaan teknologi tersebut. Penggunaan sel surya secara umum tidak berdampak buruk terhadap

lingkungan, karena menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi dan tidak adanya limbah yang

bisa mencemari lingkungan. Sebagaimana namanya, sel surya ini efektif jika intensitas sinar mataharinya

cukup besar.

Perbandingan utama yang sangat mencolok antara RTG dan sel surya adalah apabila

menggunakan satelit bertenaga surya atau powersats maka keuntungan yang didapat adalah kenyataan

bahwa pengumpulan energy tenaga surya tidak dipengaruhi oleh siklus hari siang dan malam dari

matahari dan efekdari gerhana orbital sangatlah kecil. Di permukaan bumi, panel surya hanya dapat

mengumpulkan energi dari matahari maksimal 9 jam per hari angka ini dapat lebih rendah ketika ada

awan menutupi. Satelit bertenaga surya yang berada dalam luar angkasa dapat mengumpulkan energy

matahari selama 24 jam per hari sehingga energy yang dihasilkan 5 kali lebih besar dari sel surya yang

berada pada permukaan bumi.

Penggunaan sel surya di bumi masih cukup efektif, tentu saja termasuk penggunaannya untuk

sumber energi satelit komunikasi bumi dan eksplorasi bulan. Akan tetapi untuk daerah yang jauh dari

matahari penggunaannya tidak efektif karena intensitas sinar mataharinya juga sangat rendah, misalnya

untuk planet mars yang jaraknya dari matahari lebih jauh daripada bumi ke matahari. Apalagi untuk

planet-planet yang lebih jauh seperti Neptunus dan orbit-orbit satelitnya, meskipun sel surya ini dapat

diluncurkan tetapi percuma saja jika tidak bisa digunakan.

RTG sangat berbeda dengan sel surya, karena RTG tidak dipengaruhi jarak dari matahari. Konsen

utama RTG mengenai kelayakan adalah sistem keamanannya, model RTG terbaru adalah Multi-Mission

Radioisotop Thermoelectric Generator (MMRTG). Ini berdasarkan tipe RTG yang telah diluncurkan

sebelumnya pada pendaratan dua Viking dan pesawat luar angkasa Pioner 10 dan 11 (SNAP-19 RTG).

RTG ini didesain untuk digunakan pada ruang hampa ataupun pada atmosfer planet. Kelebihan energi

panas dari sebuah MMRTG dapat digunakan sebagai sumber penghangat untuk menjaga suhu operasi

pesawat luar angkasa dan instrumen-instrumennya pada lingkungan yang dingin.RTG itu sendiri memiliki

banyak lapisan dari material pelindung untuk melindungi komponen pesawat luar angkasa lain dari level

temperatur tinggi dan output radiasi. Sebuah tameng panas aeroshell berisi karbon yang berikatan dengan

serat karbon dan cakram, komponen-komponen ini memiliki kulit grafit yang berisi butir-butir bahan

bakar dan instrumen-instrumen internal RTG yang lainnya.

Karena bahan bakar disimpan dalam unit independen, masing-masing bahan bakar tersebut

memiliki tameng panas masing-masing, sehingga kesempatan untuk pelepasan bahan bakar menjadi

minimum. Lapisan-lapisan dari meterial pelindung, dinamakan kapsul iridium dan balok grafik

berkekuatan tinggi, membantu mencegah kebocoran bahan bakar. Bagian luar grafit sebagai pelindung

struktur, termal, dan situasi pusat tumbukan. Lapisan iridium membantu isi butiran bahan bakar pada

saat terjadi kerusakan atau hal-hal lain yang bersifat merusak. Grafit dan iridium merupakan resistan

panas yang terbaik, menjadikan keduanya pilihan ideal sebagai pelindung dari lingkungan panas yang

sangat tinggi.

Perkembangan teknologi membuat sel surya dan RTG keduanya semakin layak dan baik untuk

digunakan daripada versi-versi sebelumnya, walaupun demikian hanya karena layak pakai bukan berarti

cukup efektif karena ada faktor-faktor lain yang bisa mengubah efektifitas sumber energi tersebut.

Terutama di luar angkasa yang kondisinya bervariasi sesuai posisi dan keadaan sistem di sekitarnya.

C. Aspek Lingkungan Luar Angkasa

NASA mengklasifikasikan sampah luar angkasa ke dalam dua grup yaitu partikel alami

(meteorid) dan partikel buatan (buatan manusia). Sampah buatan paling banyak ditemulan di sekitar orbit

Bumi, karena itu disebut sampah orbital. NASA kemudian mendefinisikan sampah orbital sebagai objek

buatan manusia apapun pada orbit sekitar Bumi yang tidak memiliki fungsi berguna lagi. Ini termasuk

pesawat luar angkasa yang tidak berfungsi, peluncuran pesawat yang ditinggalkan, misi yang

berhubungan dengan sampah, serta kepingan-kepingan sampah. Sekarang ini, NASA dan Depertement of

Defence (DOD) mengamati sampah luar angkasa paling kecil berukuran 5cm. NASA memperkirakan ada

lebih dari 500000 kepinngan sampah yang lebih besar dari kelereng dan bahkan sampai 20000 kepingan

yang lebih besar dari softball melayang di atmosfir Bumi.

Sampah luar angkasa mendapat perhatian penting karena ini bisa menimbulkan kecelakaan

seperti bertabrakan dengan satelit luar angkasa yang masih berfungsi ataupun bertabrakan dengan pesawat

luar angkasa yang sedang meluncur. Aspek lingkungan luar angkasa yang akan dibahas disini adalah

lingkungan atmosfir dan tempat landasan ketika mendarat di planet yang akan dieksplorasi. Secara umum

penggunaan sel surya dan RTG keduanya juga beresiko menimbulkan sampah, hanya saja untuk kedua

hal ini faktor ukuran juga bisa dipertimbangkan. Instrumen-instrumen yang menggunakan sel surya relatif

lebih besar dibandingkan instrumen-instrumen yang menggunakan RTG, hal ini karena sel surya terdiri

dari lebih banyak komponen seperti panel surya dan yang lainnya yang dalam hal ukuran juga lebih besar.

Perbandingan paling jelas adalah pada satelit, sel surya dapat menimbulkan sampah luar angkasa

lebih banyak daripada RTG karena pertama ukurannya yang lebih besar, serta yang kedua adalah daya

tahannya ataupun waktu hidupnya lebih pendek daripada RTG. Analoginya adalah RTG dengan ukuran

yang lebih kecil bisa memberikan energi dalam rentang waktu yang lebih lama dibanding sel surya yang

ukurannya juga lebih besar, sehingga sampah yang dihasilkan RTG tidak lebih banyak daripada sampah

yang dihasilkan sel surya. Begitu juga untuk instrumen-instrumen yang digunakan untuk eksplorasi,

perbandingannya akan hampir mirip dengan masalah satelit. Sampah berukuran besar ataupun kecil,

selama keduanya masih dapat menghasilkan sampah maka tetap saja perlu perhatian khusus karena

walaupun kecil dalam waktu yang lama tetap akan jadi menumpuk.

D. Aspek Massa dan Ukuran

Jika ditanya manakah yang lebih baik digunakan antara RTG dan solar maka jawabannya dapat

kita dapatkan darin hasil investigasi di Mars Science Laboratory Environmental Impact Statement. Dari

hasil investigasi tersebut didapatkan hasil bahwa solar array akan membatasi MSL beroperasi antara 5N

dan 20N dan untuk satuMarsTahunhanya tepat sekitar 15N sementara RTGakan mampu beroperasi

setidaknya untuk satu tahun mars sampai 60S ke 60N dimana saja. Berikut adalah perbandingan data

antara RTG dan Solar saat misi ke mars dengan alternative satu adalah menggunakan radioisotope power

sebagai sumber tenaga utama sedangkan alternative dua menggunakan tenaga surya

Tabel 1. Data perbandingan antara RTG dan Solar saat misi ke mars.

Dari data diatas terlihat bahwa Rover bertenaga RTG akan mampu mencapai semua target

dengan kemampuan operasional lebih baik dibandingkan dengan menggunakan tenaga surya, termasuk

mendarat di lokasi yang berpotensi menjadi bahan penelitian di mars misalnya antara 60 dan 60

Selatan Lintang Utara dan mampu beroperasi setidaknya satu tahun Mars. Sedangkan untuk alternative 2

untuk melakukan penelitian atau eksplorasi di Mars akan dibatasi oleh kemampuan dari solar array untuk

menghasilkan listrik yang akan digunakan rover bertahan hidup dilingkungan yang panas dan ekstrim.

Pada lokasi tertentu misalnya pada lintang antara 60 Selatan dan 5 Utara dan antara 20 Lintang Utara

dan 60 Utara rover bertenaga surya tidak akan mampu bekerja secara optimal dikarenakan tenaga yang

tidak akan cukup.

Tabel 2. Perbandingan RTG dan sel surya dalam kasus Casinni saat eksplorasi ke saturnus.

Dari data diatas terlihat bahwa RTG mempunyai kelebihan dibandingkan dengan solar panels dari

ukuran jelas lebih kecil sehingga memudahkan dalam proses transfer dari bumi ke tempat tujuan dan

massa yang lebih ringan dibandingkan panel surya namun RTG mempunyai kekurangan dalam persepsi

public yang masih memperdebatkan dampak-dampak yang dihasilkan dari radiasi bahan bakar. Berikut

ini adalah data karakteristik kemampuan RTG pada kasus Cassini

Tabel 3. Karakteristik performance RTG pada Cassini.