Biosolar

Klorofil Bayam, Sumber Biosolar Sel Masa Depan

by: Dece Elisabeth Sahertian

Pengantar

Dengan populasi yang semakin meningkat di bumi, permintaan energi menjadi masalah yang paling penting. Energi Kebanyakan disediakan dengan pembakaran bahan bakar fosil, tetapi penggunaan bahan bakar fosil menghasilkan konsentrasi CO₂ di atmosfer meningkat yang menyebabkan pemanasan global. Matahari adalah sumber energi yang bersih dan berkelanjutan, bebas karbon yang memasok energi sepuluh ribu kali. Solar sel fotovoltaik mampu secara langsung mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik, yang adalah sumber energi masa depan yang bersih dan terbarukan. Peneliti Amerika serikat telah membuat sel-sel elektik yang didukung oleh protein yang berasal dari kloroplas daun bayam. Kompleks protein tanaman bayam yang disebut fotosistem I (PSI) berfungsi sebagai sirkuit elektrik yang mampu menghasilkan arus yang sangat kecil (10-20 nm lebarnya) dari sinar matahari. Biosolar sel merupakan suatu metode pemberdayaan tanaman untuk mengambil energi matahari (sinar matahari) dan mengubahnya menjadi bentuk yang mudah menyimpan energi sehingga dapat mengembangkan teknologi komersial yang layak. Tinjauan ini menjelaskan mengenai klorofil bayam dijadikan sebagai sumber biosolar sel masa depan. Tulisan ini akan menjabarkan beberapa hal antara lain tanaman bayam, fotosintesis-klorofil, biosolar sel (Dye-Sensitized Solar Cell), mekanisme klorofil bayam sebagai sumber biosolar sel dan aplikasi dalam teknologi.

Tanaman bayam

Sudah banyak yang tahu kalau bayam merupakan sayuran yang memiliki kandungan nutrisi yang tinggi oleh karena itu bayam ditempatkan pada jajaran king of vegetables. Sehebat apakah kekuatan bayam hingga tokoh kartun Popeye menggunakan bayam sebagai sumber kekuatannya? Bayam mengandung sedikit kalori tetapi kaya akan kandungan vitamin A, vitamin C dan mineral terutama zat besi. Sebagai sayuran yang berdaun hijau dan memiliki banyak klorofil dan pigmen tanaman lainnya. Di beberapa Negara berkembang, bayam dipromosikan sebagai sumber protein nabati, karena dapat berfungsi ganda bagi pemenuhan kebutuhan gizi maupun pelayanan kesehatan masyakat (Rukmana, 1994).

Fotosintesis-Klorofil 

Istilah klorofil berasal dari bahasa Yunani yaitu Chloros artinya hijau dan phyllos artinya daun. Istilah ini diperkenalkan tahun 1818 dimana pigmen tersebut diekstrak dari tumbuhan dengan menggunakan pelarut organik. Hans Fischer peneliti klorofil yang memperoleh nobel prize winner pada tahun 1915 berasal dari Technishe Hochschule, Munich Germany. Klorofil adalah pigmen pemberi warna hijau pada tumbuhan, alga dan bakteri fotosintetik. Senyawa ini yang berperan dalam proses fotosintesis tumbuhan dengan menyerap dan mengubah tenaga cahaya menjadi tenaga kimia. Dalam proses fotosintesis, terdapat 3 fungsi utama dari klorofil yaitu memanfaatkan energi matahari, memicu fiksasi CO₂ menjadi karbohidrat dan menyediakan dasar energetik bagi ekosistem secara keseluruhan. Dan karbohidrat yang dihasilkan fotosintesis melalui proses anabolisme diubah menjadi protein, lemak, asam nukleat dan molekul organik lainnya. 

Klorofil menyerap cahaya berupa radiasi elektromagnetik pada spektrum kasat mata (Visible). Misalnya, cahaya matahari mengandung semua warna spektrum kasat mata dari merah sampai violet, tetapi seluruh panjang gelombang unsurnya tidak diserap dengan baik secara merata oleh klorofil. Klorofil dapat menampung energi cahaya yang diserap oleh pigmen cahaya atau pigmen lainnya melalui fotosintesis, sehingga klorofil disebut sebagai pigmen pusat reaksi fotosintesis. Dalam proses fotosintesis tumbuhan hanya dapat memanfaatkan sinar dengan panjang gelombang antara 400-700 nm. 

Suplai energi dari sinar matahari yang diterima oleh bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 3 x 10²⁴ joule pertahun. Sekitar 10¹⁷ kkal energi bebas dimanfaatkan oleh tumbuhan dengan memanfaatkan energi dari sinar matahari. Jumlah ini 10 kali lebih besar dibandingkan semua energi bahan bakar fosil yang digunakan oleh manusia diseluruh dunia. Bahan bakar fosil (batubara, minyak bumi dan gas alam) merupakan produk fotosintesis yang terjadi  jutaan tahun lalu.

Molekul klorofil membantu tanaman memperoleh energi dari cahaya matahari. Ketika molekul menyerap foton, salah satu elektron dari molekul yang berada pada keadaan dasar akan dinaikkan ke suatu orbital yang memiliki energi potensial lebih tinggi. Hal ini terjadi karena energi cahaya yang diserap akan menggerakkan elektron sehingga elektron bergerak ke tingkat energi yang lebih tinggi. Satu-satunya foton yang diserap adalah foton yang memiliki energi yang besarnya sama dengan selisih energi antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi dan selisih energi ini berbeda dari satu atom atau molekul dengan atom atau molekul lain. Dengan demikian, suatu molekul tertentu hanya menyerap foton yang sesuai dengan panjang gelombang tertentu, karena itulah setiap pigmen memiliki spektrum absorbsi yang unik.

Energi foton yang diserap akan diubah menjadi energi potensial elektron yang dinaikan dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Tetapi keadaan eksitasi berlangsung itu singkat dan elektron-elektron kembali ke keadaan tingkat energi semula. Secara umum, apabila molekul pigmen menyerap cahaya maka elektron tereksitasinya akan kembali ke tingkat energi dasarnya dalam per sekian detik dengan melepaskan energi berlebihnya sebagainya panas. Sebagian pigmen termasuk klorofil, selain memancarkan panas juga memancarkan cahaya setelah menyerap foton. Pasca pijar ini disebut fluorosensi atau mengeluarkan spektrum warna dan juga melepas panas.

Klorofil adalah pigmen utama dalam fotosintesis, lebih banyak menyerap cahaya biru dan merah, dimana pigmen asesoris seperti karotenoid dan fikobilin dapat meningkatkan penyerapan spectrum hijau-biru dan kuning. Di alam, karotenoid juga berperan sebagai molekul transfer energi untuk klorofil dan mencegah degradasi untuk menghentikan energi, dan berperan sebagai fotoproteksi. Hal menarik lainnya yang ditemukan di alam adalah penimbunan klorofil pada membrane tilakoid untuk meningkatkan penyerapan cahaya. Penimbunan yang sama seperti pada membrane tilakoid diaplikasikan pada struktur mesoporus DSSC. Sifat atraktif pada pigmen fotosintetik diaplikasikan seperti sensitizer pada solar sel (Nygren, 2010).

Biosolar Sel (Dye-Sensitized Solar Cell)

 

Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC) merupakan terobosan baru dalam solar cell dengan biaya yang relatif lebih murah dibandingkan dengan sel surya konvensional (silikon). DSSC merupakan sel surya fotoelektrokimia sehingga menggunakan elektrolit sebagai medium transport muatan. DSSC dapat diterapkan dengan menggunakan daun tanaman karena klorofil dalam daun menyerap energi matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia (gula); sel surya memerlukan energi matahari dan mengkonversikannya menjadi energi listrik (Grätzel, 2003).

Para ilmuwan telah lama mengamati bahwa fotosintesis merupakan proses yang sangat efisien dalam pemanenan sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi kimia. Setiap foton diserap oleh mekanisme fotosintesis yang memiliki probabilitas hampir 100% dalam konversi menjadi energi listrik. Pada tahun 1991, O'Regan dan Grätzell bersama-sama mengembangkan DSSC dengan menggunakan struktur nano TiO₂ sebagai substrat untuk pigmen menyerap cahaya dan untuk meningkatkan luas permukaan terkena sinar matahari. Sementara Grätzell sendiri telah mengembangkan DSSC dengan efisiensi tinggi yaitu 10,4%, perkembangan teknologi sensitisasi dari produk alami organik telah menarik banyak peneliti untuk mempelajari karena tersedia di alam, variasi dan dengan jumlah yang besar. Dalam tahun terakhir, beberapa peneliti telah mengembangkan menggunakan produk alami organik termasuk klorofil porfirin untuk berbagai aplikasi seperti sensor, katalis, sel surya, dan optoelektronik (Supriyanto, dkk. 2007).

Keuntungan menggunakan DSSC adalah penggantian dye Ru (ruthenium) dalam DSSC dengan protein pemanen cahaya yang ramah lingkungan, penggunaan nanofiber dan kawat nano untuk memperluas permukaan area pada lapisan semikonduktor yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi alat dan penggunaan teknik metalisasi dengan biaya yang rendah dan efektif (Renugopalakrishnan, dkk. 2009).

Para ilmuwan DSSC tidak bisa menggunakan protein fotosintesis langsung karena tidak ada cara untuk menjaga protein tetap berfungsi dalalm lingkungannya. Saat ini telah dirancang, peptida sintetik surfaktan oleh Shuguang Zhang yang telah memungkinkan kita untuk menjaga membran protein termasuk fotosistem I aktif dan 'hidup’ untuk waktu yang lama. Untuk mempertahankan protein tersebut tetap hidup di pusat fotosintesis (fotosistem I dan pusat-pusat reaksi) yang kering dan berupa chip datar yang terhubung ke sirkuit mikroelektronik yang didukung oleh sinar matahari yang dikonversi menjadi energi listrik oleh protein. Ekstrak tanaman dipakai untuk menghasilkan energi listrik yang dapat menyebar pada permukaan dan ditutupi secara transparan sebagai lapisan pelindung. energi listrik fotosintetik memiliki keuntungan menarik yang berpotensi dan sangat rendah biaya. Tanaman menggunakan matahari untuk membuat protein yang dapat kita gunakan untuk memanen tenaga surya untuk kebutuhan manusia (Renugopalakrishnan, dkk. 2009).

 Listen

Read phonetically

Dictionary

Mekanisme Klorofil Bayam Sebagai Sumber Biosolar Sel (DSSC)

Langkah awal untuk mengetahui kehebatan ekstrak bayam (klorofil porfirin) adalah daun bayam yang akan digunakan sebagai sumber biosolar dicuci dengan air suling dan dikeringkan  kemudian diekstrak dengan aseton. Klorofil mentah dipisahkan menggunakan flash kromatografi pada silika gel menggunakan heksana/aseton campuran sebagai eluen. Klorofil yang mengandung eluen yang dikumpulkan sesuai dengan warnanya. Dipisahkan produk dikarakterisasi dengan UV-Vis Spektrofotometer 1601 PC. Tanggapan foto saat klorofil dimurnikan dengan dan tanpa radiasi UV-Vis diukur menggunakan konduktivitas meter. Potensi bias diberikan kepada sepasang elektroda terendam dalam larutan aseton dari klorofil dalam suatu cuvette. Sebuah tipe 6517A Keithley digunakan sebagai sumber bias potensial untuk elektroda. Larutan klorofil dalam aseton adalah memancarkan menggunakan lampu halogen dengan daya 100 watt dan intensitas 180 lux. Hasil membuktikan bahwa bayam mempunyai kemampuan sebagai biosolar sel (Supriyanto, dkk. 2007).

Semua DSSC dibangun menggunakan ZnO sebagai bahan semikonduktor. Sebelumnya percobaan sehubungan dengan untuk sintesis nanosize ZnO telah dilakukan. secara komersial klorofil dan fotopigmen tersedia diekstraksi dari bayam digunakan sebagai sensitizer. ZnO memiliki celah pita lebar sebesar 3,3 eV pada temperatur ruang, yang membuatnya sensitif terhadap penyerapan hanya dalam rentang UV. Kebanyakan ZnO memiliki karakteristik tipe-n. Anorganik lainnya reseptor elektron yang telah digunakan sebelumnya di DSSC meliputi,  ZnO, TiO₂, SnO₂ dan CdSe.  Ada berbagai cara untuk mensintesis  ZnO. Dengan memilih metode dan mengubah konsentrasi, waktu dan suhu, adalah untuk mengontrol ukuran kristal akhir pada skala nano. Tiga metode yang digunakan dan produk yang disintesis diverifikasi dalam proyek ini. Dasar pertumbuhan kristal adalah suatu proses yang dikenal sebagai pematangan Ostwald. Pada titik awal, sebuah solusi hanya akan berisi partikel kecil, yang lebih larut dari partikel yang lebih besar karena lebih tinggi permukaan energi. Partikel-partikel kecil akan menjadi partikel yang lebih besar nukleasi, yang termodinamika disukai. Urutan atom dalam kristal mewakili keadaan energi yang lebih rendah dari permukaan, dan kristal yang lebih besar memiliki permukaan yang lebih kecil terhadap volume. 

Spinach power cell

SUMBER: Marc Baldo, MIT Research Lab; Nanoletter, Juni 2004 STAFF GLOBE GRAPHIC / Hwei WEN FOO

Gambar 1. Chip bayam dan mesin molekuler panen energi biosolar. foton
(baik dari matahari atau cahaya lainnya) dapat langsung dikonversi menjadi energi listrik menggunakan kombinasi dari sistem fotosintesis tumbuhan hijau alami dan semikonduktor bahan karbon C60 dan elektroda berbahan-emas dan perak.

Konsep Dye Sensitized Solar Cell dapat dijabarkan pada gambar 2.  Lapisan tipis (10 mm) yang saling terhubung, mesoporus  (2-50 nm) bahan semikonduktor, seperti ZnO atau TiO₂. Cahaya memasuki konstruksi melalui kaca dan molekul dye teradsorpsi pada atau terikat ke semikonduktor. Elektron diinjeksikan ke dalam pita konduksi dari logam oksida, di mana bergerak  secara acak  untuk mencapai anoda. Dye teroksidasi diregenerasi oleh spesies reduktif dalam elektrolit. Jika beban eksternal diterapkan, elektron akan mengalir dari anoda ke katoda untuk menutup rangkaian. Sel ini kemudian dikatakan bekerja pada jenis regeneratif, dengan tidak ada perubahan keseluruhan dalam lingkungan kimia. Keuntungan dari struktur mesopori, dibandingkan dengan permukaan datar untuk meningkatkan luas permukaan. Menggunakan kristal nanosized peningkatan volume rasio permukaan mencapai 1.000 kali. Hanya monolayer pertaman yang  akan memberikan injeksi elektron yang efisien ke dalam semikonduktor, sehingga penyerapan  cahaya lebih signifikan (Nygren, 2010).

 

Gambar 2. menunjukan desain dasar dari sebuah DSSC. Jarak antara dua elektroda kurang dari 20 µM dan ukuran logam kristal oksida  adalah sekitar 10-25 nm. Iodida teroksidasi untuk triiodida di anoda, dengan pengurangan yang terjadi pada katoda. Reaksi keseluruhan yang terjadi adalah: 3I^-→ I3^- + 2e^-(anoda) dan I3^- + 2e^- → 3I^-(katoda).

Aplikasi dalam Teknologi

Kekuatan bayam tidak hanya untuk Popeye, kekuatannya dapat diaplikasikan juga untuk komputer. Peneliti AS telah membuat sel-sel elektrik yang didukung oleh protein tanaman. Sel-sel surya berbasis biologis yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik, yang efisien dan murah untuk diproduksi. Chip bayam bahkan bisa digunakan untuk laptop, yang menyediakan sumber portabel energi hijau. Tim Baldo yang mengisolasi berbagai protein fotosintesis dari bayam dan menyisipkannya di antara dua lapisan materi Protein berasal dari kloroplas daun bayam, struktur yang kecil membantu tanaman mengkonversi cahaya menjadi energi. Sebagai hasil reaksi, elektron bergerak di sekitar dan menciptakan arus listrik. Tapi mengekstrak protein itu tidak mudah. Molekul-molekul yang halus dan cenderung untuk berhenti bekerja ketika dikeluarkan dari lingkungan alaminya. Jadi para peneliti mengawetkannya dengan mencampur dengan surfaktan peptida. Molekul-molekul pelindung muncul untuk membentuk pelindung di sekitar untuk memproduksi energi protein. Sel-sel prototipe menghasilkan energi sampai 21 hari, kemudian tidak mampu lagi. Sel-sel juga mengkonversi hanya sekitar 12% dari energi cahaya yang diserap menjadi energi listrik. Namun, para peneliti percaya bahwa  pasti mencapai efisiensi 20%, yang lebih baik dari nilai-nilai khas untuk sel silikon surya komersial (Ball, 2006).

Daftar Pustaka 

Ball, P. 2006. Solar cells turn over a new leaf. Nature News Article : Could laptops run on spinach? [online] available at: http://www.bioedonline.org/news/news.cfm?art=1034 [Accessed 20 june 2011].

Grätzel, M. 2003. Dye-sensitized solar cells.  Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. Lausanne, Switzerland. 4, pp, 145–153.

Nygren, K. 2010. Solar cells based on synthesized nanocrystalline ZnO thin films sensitized by chlorophyll a and photopigments isolated from spinach. Master’s Thesis. Linköping University. Swedia.       

Renugopalakrishnan, V. et al.  2009. Nanomaterials for Energy Conversion Applications. Nanomaterials for Energy Storage Applications. Pp. 155–178. America.

Rukmana, R., 1994. Bayam. Yogyakarta: Penerbit Kanisius.

Supriyanto, A. Kusminarto, Triyana, K, dan Roto., 2007. Optical and Electrical Characteristics of Chlorophyll-Porphyrin Isolated from Spinach and Spirulina Microalgae for Possible Use as Dye Sensitizer of Optoelectronic Devices. International Conference On Chemical Sciences (ICCS-2007): Innovation In Chemical Sciences For Better Life. Yogyakarta-Indonesia, 24-26 May 2007.

Zhang, S., 2005. Designing Novel Materials and Molecular Machines. Economic perspectives ejournal USA, October,  pp, 21-26.