Memanfaatkan Energi Manusia: Tinjauan Global Sistem Tenaga Panas Tubuh

Di dunia yang semakin berfokus pada sumber energi berkelanjutan dan terbarukan, teknologi inovatif muncul untuk memanfaatkan sumber daya yang tidak konvensional. Salah satu bidang yang mendapatkan perhatian adalah tenaga panas tubuh, yang juga dikenal sebagai pemanenan energi manusia. Bidang ini mengeksplorasi potensi mengubah energi termal yang terus-menerus dipancarkan oleh tubuh manusia menjadi tenaga listrik yang dapat digunakan. Artikel ini memberikan tinjauan komprehensif tentang sistem tenaga panas tubuh, mengkaji teknologi yang mendasarinya, aplikasi saat ini, tantangan, dan prospek masa depan dari perspektif global.

Apa itu Tenaga Panas Tubuh?

Tenaga panas tubuh merujuk pada proses menangkap dan mengubah energi termal yang dihasilkan oleh tubuh manusia menjadi listrik. Tubuh manusia rata-rata menghasilkan panas dalam jumlah yang signifikan, sekitar 100 watt saat istirahat, terutama melalui proses metabolisme. Panas ini terus-menerus dilepaskan ke lingkungan sekitar, mewakili sumber energi yang siap tersedia, meskipun tingkatnya rendah.

Teknologi yang paling umum digunakan untuk pembangkitan tenaga panas tubuh adalah generator termoelektrik (TEG). TEG adalah perangkat solid-state yang mengubah panas secara langsung menjadi listrik berdasarkan efek Seebeck. Efek ini menyatakan bahwa ketika ada perbedaan suhu di antara dua konduktor listrik atau semikonduktor yang berbeda, perbedaan tegangan akan tercipta di antara keduanya. Dengan menempatkan TEG yang bersentuhan dengan tubuh manusia dan membiarkan sisi lainnya terpapar ke lingkungan yang lebih dingin, gradien suhu akan terbentuk, sehingga menghasilkan listrik.

Cara Kerja Generator Termoelektrik

TEG terdiri dari banyak termokopel kecil yang terhubung secara elektrik dalam seri dan secara termal secara paralel. Setiap termokopel terdiri dari dua bahan semikonduktor yang berbeda, biasanya paduan bismut telurida (Bi₂Te₃). Bahan-bahan ini dipilih karena koefisien Seebeck dan konduktivitas listriknya yang tinggi, serta konduktivitas termal yang rendah, untuk memaksimalkan efisiensi perangkat.

Ketika satu sisi TEG dipanaskan (misalnya, oleh kontak dengan tubuh manusia) dan sisi lainnya didinginkan (misalnya, oleh paparan udara sekitar), elektron dan lubang (pembawa muatan dalam semikonduktor) bermigrasi dari sisi panas ke sisi dingin. Pergerakan pembawa muatan ini menciptakan perbedaan tegangan di setiap termokopel. Koneksi seri dari beberapa termokopel memperkuat tegangan ini, menghasilkan output listrik yang dapat digunakan.

Efisiensi TEG ditentukan oleh perbedaan suhu di seluruh perangkat dan sifat material semikonduktor. Figure of merit (ZT) adalah parameter tanpa dimensi yang mengkarakterisasi kinerja bahan termoelektrik. Nilai ZT yang lebih tinggi menunjukkan kinerja termoelektrik yang lebih baik. Meskipun kemajuan signifikan telah dibuat dalam penelitian bahan termoelektrik, efisiensi TEG tetap relatif rendah, biasanya dalam kisaran 5-10%.

Aplikasi Sistem Tenaga Panas Tubuh

Sistem tenaga panas tubuh memiliki berbagai potensi aplikasi, terutama dalam elektronik wearable, perangkat medis, dan penginderaan jarak jauh. Berikut adalah beberapa area utama di mana teknologi ini sedang dieksplorasi:

Elektronik Wearable

Salah satu aplikasi yang paling menjanjikan dari tenaga panas tubuh adalah untuk memberi daya pada elektronik wearable. Perangkat seperti jam tangan pintar, pelacak kebugaran, dan sensor memerlukan daya terus-menerus, seringkali mengandalkan baterai yang perlu diisi ulang atau diganti secara teratur. TEG bertenaga panas tubuh dapat menyediakan sumber daya yang berkelanjutan dan berkesinambungan untuk perangkat ini, menghilangkan kebutuhan akan baterai atau pengisian daya yang sering.

Contoh:

Jam Tangan Pintar: Para peneliti sedang mengembangkan jam tangan pintar terintegrasi TEG yang dapat memanen energi dari panas tubuh untuk memberi daya pada perangkat, memperpanjang masa pakai baterai atau bahkan menghilangkan kebutuhan akan baterai sama sekali.
Pelacak Kebugaran: Pelacak kebugaran bertenaga panas tubuh dapat terus memantau tanda-tanda vital seperti detak jantung, suhu tubuh, dan tingkat aktivitas tanpa memerlukan pengisian daya yang sering.
Pakaian Pintar: TEG dapat diintegrasikan ke dalam pakaian untuk memberi daya pada sensor dan komponen elektronik lainnya, memungkinkan pemantauan kesehatan berkelanjutan dan umpan balik yang dipersonalisasi. Perusahaan seperti Q-Symphony sedang menjajaki integrasi ini.

Perangkat Medis

Tenaga panas tubuh juga dapat digunakan untuk memberi daya pada perangkat medis, terutama perangkat implan seperti alat pacu jantung dan monitor glukosa. Mengganti baterai pada perangkat implan memerlukan pembedahan, yang menimbulkan risiko bagi pasien. TEG bertenaga panas tubuh dapat menyediakan sumber daya yang tahan lama dan andal untuk perangkat ini, mengurangi kebutuhan penggantian baterai dan meningkatkan hasil pasien.

Contoh:

Alat Pacu Jantung: Para peneliti sedang berupaya mengembangkan alat pacu jantung berdaya mandiri yang memanen energi dari panas tubuh untuk mengatur ritme jantung.
Monitor Glukosa: Monitor glukosa bertenaga panas tubuh dapat terus melacak kadar gula darah tanpa memerlukan sumber daya eksternal.
Sistem Pengiriman Obat: TEG dapat memberi daya pada pompa mikro dan komponen lain dari sistem pengiriman obat implan, memungkinkan pelepasan obat yang tepat dan terkontrol.

Penginderaan Jarak Jauh

Tenaga panas tubuh dapat digunakan untuk memberi daya pada sensor jarak jauh dalam berbagai aplikasi, seperti pemantauan lingkungan, pemantauan industri, dan sistem keamanan. Sensor-sensor ini sering beroperasi di lokasi terpencil atau sulit dijangkau di mana penggantian baterai tidak praktis. TEG bertenaga panas tubuh dapat menyediakan sumber daya yang andal dan berkelanjutan untuk sensor-sensor ini, memungkinkan pengumpulan dan pemantauan data secara terus-menerus.

Contoh:

Pemantauan Lingkungan: Sensor bertenaga panas tubuh dapat ditempatkan di daerah terpencil untuk memantau suhu, kelembaban, dan parameter lingkungan lainnya.
Pemantauan Industri: TEG dapat memberi daya pada sensor yang memantau kondisi mesin dan peralatan di lingkungan industri, memungkinkan pemeliharaan prediktif dan mencegah kegagalan peralatan.
Sistem Keamanan: Sensor bertenaga panas tubuh dapat digunakan dalam sistem keamanan untuk mendeteksi penyusup dan memantau aktivitas di area terlarang.

Aplikasi Lainnya

Selain aplikasi yang disebutkan di atas, sistem tenaga panas tubuh juga sedang dieksplorasi untuk:

Perangkat Internet of Things (IoT): Memberi daya pada perangkat IoT kecil berdaya rendah yang semakin meresap di berbagai industri dan aplikasi.
Daya Darurat: Menyediakan daya cadangan dalam situasi darurat, seperti bencana alam atau pemadaman listrik.
Aplikasi Militer: Memberi daya pada elektronik dan sensor yang dikenakan tentara untuk komunikasi, navigasi, dan kesadaran situasional.

Tantangan dan Keterbatasan

Meskipun ada potensi manfaat dari tenaga panas tubuh, beberapa tantangan dan keterbatasan perlu diatasi sebelum teknologi ini dapat diadopsi secara luas:

Efisiensi Rendah

Efisiensi TEG relatif rendah, biasanya dalam kisaran 5-10%. Ini berarti hanya sebagian kecil dari energi panas yang diubah menjadi listrik. Meningkatkan efisiensi TEG sangat penting untuk meningkatkan output daya dan membuat sistem tenaga panas tubuh lebih praktis.

Perbedaan Suhu

Jumlah daya yang dihasilkan oleh TEG sebanding dengan perbedaan suhu antara sisi panas dan dingin. Mempertahankan perbedaan suhu yang signifikan bisa menjadi tantangan, terutama di lingkungan dengan suhu sekitar yang tinggi atau ketika perangkat tertutup oleh pakaian. Manajemen panas dan isolasi yang efektif sangat penting untuk memaksimalkan perbedaan suhu dan output daya.

Biaya Material

Bahan yang digunakan dalam TEG, seperti paduan bismut telurida, bisa mahal. Mengurangi biaya bahan-bahan ini penting untuk membuat sistem tenaga panas tubuh lebih terjangkau dan dapat diakses. Penelitian difokuskan pada pengembangan bahan termoelektrik baru yang lebih melimpah dan lebih murah.

Ukuran dan Berat Perangkat

TEG bisa relatif besar dan berat, yang dapat menjadi batasan untuk aplikasi wearable. Miniaturisasi TEG dan mengurangi beratnya penting untuk membuatnya lebih nyaman dan praktis untuk penggunaan sehari-hari. Teknik mikrofabrikasi baru sedang dikembangkan untuk membuat TEG yang lebih kecil dan lebih ringan.

Resistansi Kontak

Resistansi kontak antara TEG dan tubuh manusia dapat mengurangi efisiensi perpindahan panas. Memastikan kontak termal yang baik antara perangkat dan kulit sangat penting untuk memaksimalkan output daya. Ini dapat dicapai melalui penggunaan bahan antarmuka termal dan desain perangkat yang dioptimalkan.

Daya Tahan dan Keandalan

TEG harus tahan lama dan andal untuk menahan kerasnya penggunaan sehari-hari. Mereka harus mampu menoleransi stres mekanis, fluktuasi suhu, dan paparan kelembaban serta keringat. Enkapsulasi dan pengemasan yang tepat sangat penting untuk melindungi TEG dan memastikan kinerjanya dalam jangka panjang.

Upaya Penelitian dan Pengembangan Global

Upaya penelitian dan pengembangan yang signifikan sedang berlangsung di seluruh dunia untuk mengatasi tantangan dan keterbatasan sistem tenaga panas tubuh dan membuka potensi penuhnya. Upaya-upaya ini difokuskan pada:

Meningkatkan Material Termoelektrik

Para peneliti sedang mengeksplorasi bahan termoelektrik baru dengan nilai ZT yang lebih tinggi. Ini termasuk pengembangan paduan baru, nanostruktur, dan bahan komposit. Sebagai contoh, para ilmuwan di Northwestern University di Amerika Serikat telah mengembangkan bahan termoelektrik fleksibel yang dapat diintegrasikan ke dalam pakaian. Di Eropa, European Thermoelectric Society (ETS) mengoordinasikan upaya penelitian di beberapa negara.

Mengoptimalkan Desain Perangkat

Para peneliti mengoptimalkan desain TEG untuk memaksimalkan perpindahan panas dan meminimalkan kehilangan termal. Ini termasuk penggunaan heat sink canggih, sistem pendingin mikrofluida, dan arsitektur perangkat baru. Peneliti di Universitas Tokyo di Jepang telah mengembangkan mikro-TEG yang dapat diintegrasikan ke dalam sensor wearable. Lebih lanjut, berbagai tim peneliti di Korea Selatan sedang mengerjakan desain TEG fleksibel untuk aplikasi wearable.

Mengembangkan Aplikasi Baru

Para peneliti sedang mengeksplorasi aplikasi baru untuk sistem tenaga panas tubuh di berbagai bidang, seperti perawatan kesehatan, pemantauan lingkungan, dan otomasi industri. Ini termasuk pengembangan perangkat medis berdaya mandiri, sensor nirkabel, dan perangkat IoT. Contohnya termasuk proyek yang didanai oleh Komisi Eropa di bawah program Horizon 2020, yang berfokus pada pemanenan energi untuk perangkat wearable dalam perawatan kesehatan.

Mengurangi Biaya

Para peneliti sedang berupaya mengurangi biaya TEG dengan menggunakan bahan yang lebih melimpah dan lebih murah serta mengembangkan proses manufaktur yang lebih efisien. Ini termasuk penggunaan teknik manufaktur aditif, seperti pencetakan 3D, untuk membuat TEG dengan geometri kompleks dan kinerja yang dioptimalkan. Di Tiongkok, pemerintah berinvestasi besar-besaran dalam penelitian bahan termoelektrik untuk mengurangi ketergantungan pada bahan impor.

Prospek Masa Depan

Masa depan sistem tenaga panas tubuh terlihat menjanjikan, dengan potensi pertumbuhan dan inovasi yang signifikan. Seiring dengan terus membaiknya bahan termoelektrik dan teknologi perangkat, tenaga panas tubuh diharapkan memainkan peran yang semakin penting dalam memberi daya pada elektronik wearable, perangkat medis, dan aplikasi lainnya. Ukuran dan biaya elektronik yang semakin menurun dikombinasikan dengan meningkatnya permintaan akan perangkat berdaya mandiri akan semakin mendorong adopsi sistem tenaga panas tubuh.

Tren utama yang perlu diperhatikan:

Material Termoelektrik Canggih: Pengembangan berkelanjutan bahan termoelektrik berkinerja tinggi dengan nilai ZT yang lebih baik dan biaya yang lebih rendah.

TEG yang Fleksibel dan Dapat Diregangkan: Pengembangan TEG yang dapat menyesuaikan dengan bentuk tubuh manusia dan menahan stres mekanis.

Integrasi dengan Perangkat Wearable: Integrasi yang mulus dari TEG ke dalam pakaian, aksesori, dan perangkat wearable lainnya.

Perangkat Medis Berdaya Mandiri: Pengembangan perangkat medis implan dan wearable yang ditenagai oleh panas tubuh, mengurangi kebutuhan akan penggantian baterai.

Aplikasi IoT: Penerapan skala luas sensor dan perangkat bertenaga panas tubuh dalam aplikasi IoT.

Kesimpulan

Sistem tenaga panas tubuh merupakan teknologi yang menjanjikan untuk memanfaatkan energi termal yang dihasilkan oleh tubuh manusia dan mengubahnya menjadi listrik yang dapat digunakan. Meskipun tantangan signifikan masih ada, upaya penelitian dan pengembangan yang sedang berlangsung membuka jalan bagi adopsi teknologi ini yang lebih luas dalam berbagai aplikasi. Seiring dengan terus membaiknya bahan termoelektrik dan teknologi perangkat, tenaga panas tubuh memiliki potensi untuk memainkan peran penting di masa depan energi berkelanjutan dan elektronik wearable, dengan implikasi global tentang cara kita memberi daya pada perangkat kita dan memantau kesehatan kita.