Gambar: Ilustrasi IKAROS, wahana antariksa pertama yang menguji konsep propulsi layar surya. (Wikimedia). [1]
Pernahkah anda mendengar tentang Layar surya (Solar sail)?
Layar Surya (Solar sail) adalah salah satu metode propulsi wahana antariksa yang menggunakan tekanan radiasi dari Matahari sebagai tenaga pendorong pada permukaan layar yang luas.
Tekanan radiasi adalah tekanan mekanis yang diberikan pada suatu permukaan karena adanya perpindahan gaya antara objek (layar) dan medan elektromagnetik (cahaya dan radiasi matahari). Tekanan ini mencakup gaya yang diberikan dengan cara apapun, baik dari gelombang radiasi yang dipantulkan layar maupun yang diserap dan dipancarkan kembali, misalnya melalui radiasi benda hitam (radiasi yang dipancarkan oleh benda yang panas).
Propulsi layar surya dapat diibaratkan dengan perahu layar. Cahaya yang mendorong layar surya serupa dengan angin yang mendorong layar perahu bergerak ke depan. Kelebihan dari konsep propulsi ini adalah wahana dapat dioperasikan dengan biaya relatif rendah, tidak perlu membawa bahan bakar, mampu mencapai kecepatan sangat tinggi, dan masa pakai yang panjang.
Gambar: Diagram sederhana yang menunjukkan bagaimana aliran foton (cahaya) menghasilkan gaya dorong pada layar. (Wikimedia). [2]
Diagram di atas menjelaskan bagaimana tekanan radiasi bekerja. Panah biru menunjukkan momentum awal (incident momentum), yakni cahaya matahari yang menerpa permukaan layar (garis hitam). Cahaya matahari dipantulkan oleh layar yang berupa cermin datar (flat reflector) sehingga menghasilkan momentum/gaya dorong yang ditunjukkan oleh panah biru ke bawah (reflected momentum). Panah merah ke bawah menunjukkan arah perubahan momentum (momentum change), yakni perubahan arah radiasi matahari akibat dipantulkan oleh layar. Sementara panah merah ke atas menunjukkan arah gaya reaksi (reaction force), yakni gaya dorong yang ditimbulkan oleh perubahan momentum radiasi.
Efek tekanan radiasi matahari pertama kali diamati oleh Johannes Kepler pada awal abad ke-17. Ia mengamati bahwa ekor komet selalu mengarah menjauhi Matahari dan menyimpulkan bahwa Matahari-lah yang menyebabkan efek tersebut. Konstantin Tsiolkovsky adalah orang pertama yang mengusulkan penggunaan tekanan sinar matahari untuk mendorong pesawat ruang angkasa, ia menyarankan untuk "menggunakan cermin besar yang terbuat dari lembaran sangat tipis untuk memanfaatkan tekanan sinar matahari guna mencapai kecepatan kosmik.”
Gambar: Komet Hale-Bopp pada April 1997. Efek tekanan radiasi dan angin matahari terlihat jelas pada ekor debu (putih) dan gas (biru). Pemanasan matahari menyebabkan gas dan butiran debu dilepaskan dari inti komet. Tekanan radiasi dan angin matahari mendorong debu dan gas menjauh dari arah Matahari. Gas membentuk ekor yang umumnya lurus, sementara partikel debu yang bergerak lebih lambat menciptakan ekor yang lebih lebar dan melengkung. (Wikimedia). [3]
Bahan yang paling umum digunakan dalam desain layar surya adalah lembaran polimer (plastik) yang diberi lapisan tipis aluminium dengan ketebalan hanya beberapa mikrometer. Polimer memiliki struktur yang kuat dan fleksibel, sedangkan lapisan aluminium berfungsi sebagai pemantul/reflektor. Bahan tersebut dapat menahan panas dari lintasan yang dekat dengan Matahari dan masih cukup kuat. Sisi yang dilapisi aluminium akan berada di sisi yang menghadap Matahari.
Desain paling efisien untuk layar yang dirakit di Bumi adalah berbentuk persegi. Layar akan dilipat ke dalam empat tiang, dimana masing-masing tiang akan menyangga satu dari keempat sudut layar. Saat peluncuran, layar dalam keadaan terlipat bersama dengan wahana. Baru setibanya di luar angkasa, wahana antariksa akan melebarkan keempat tiang penyangga dan membentangkan layar, menghadapkannya ke arah Matahari. Struktur wahana akan berada di tengah-tengah layar persegi untuk meratakan distribusi berat dan memastikan penerbangan stabil.
Gambar: Ilustrasi pengembangan layar surya oleh wahana antariksa NASA Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). Diluncurkan pada 23 April 2024, layar suryanya berbentuk persegi dengan ukuran 9×9 meter. (Wikimedia).
Pesawat luar angkasa pertama yang menggunakan teknologi ini adalah IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), wahana antariksa milik Jepang yang diluncurkan pada tahun 2010. IKAROS memiliki layar selebar 14×14 meter (luas 196 m²), terbuat dari lembaran polimida yang dilapisi dengan aluminium yang diuapkan setebal 7,5 mikrometer. Total massa layar adalah 2 kg (belum termasuk panel, tambatan, dan penyangga).
Gambar: Replika IKAROS, dengan skala 1:64. (Wikimedia). [4]
IKAROS diluncurkan pada tanggal 20 Mei 2010. Dalam jangka waktu 3 tahun yakni pada Agustus 2013, akselerasi dari layar surya IKAROS berhasil mempercepat pesawat hingga mencapai kecepatan 400 m/detik atau sekitar 1.440 km/jam.
Gaya yang dihasilkan oleh tekanan radiasi sebenarnya sangat kecil. Sebagai contoh, gaya yang diberikan tekanan radiasi pada layar selebar 800×800 meter adalah sekitar 5 Newton pada jarak Bumi – Matahari. Setara dengan gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat benda bermassa 5 kg sejauh 1 meter per detiknya. Dengan demikian layar surya merupakan sistem propulsi daya dorong rendah.
Akan tetapi layar surya adalah sistem propulsi jangka panjang. Wahana dengan propulsi layar surya tidak memerlukan bahan bakar. Daya dorongnya bersumber dari Matahari dan diberikan terus-menerus, sehingga seiring berjalannya waktu, kecepatan terus meningkat. Dalam beberapa tahun, pesawat akan mencapai kecepatan yang cukup untuk memulai perjalanan antar bintang. Beberapa ilmuwan mengusulkan untuk menggunakan tambahan energi dari sinar laser yang berkali-kali lipat lebih kuat dari sinar matahari.
Baca juga: Alcubierre Warp Drive: Konsep Kendaraan Yang Dapat Bergerak Melebihi Kecepatan Cahaya
Perlu diingat bahwa layar surya (solar sail) berbeda dengan layar listrik (electric sail). Sementara layar surya menggunakan dorongan dari tekanan radiasi yang dihasilkan oleh cahaya matahari, layar listrik menggunakan dorongan dari angin matahari (solar wind), yaitu aliran partikel bermuatan (plasma, yang tersusun dari proton dan elektron berenergi tinggi) yang dilepaskan oleh lapisan atmosfer terluar Matahari. Layar listrik tidak menggunakan layar fisik, melainkan menggunakan sejumlah kabel tipis untuk menciptakan “layar virtual”, berupa medan listrik yang akan membelokkan proton dari angin surya dan mengekstraksi momentumnya.
Gambar: Ilustrasi prinsip kerja layar listrik. (Wikimedia). [5]
Demikian penjelasan singkat mengenai metode propulsi layar surya (solar sail).
Semoga bermanfaat!
[1]: Andrzej Mirecki, IKAROS solar sail, CC BY-SA 3.0
[2]: Jerry Wright, Sail-Force1, CC BY-SA 3.0
[3]: E. Kolmhofer, H. Raab;
Johannes-Kepler-Observatory, Linz, Austria (http://www.sternwarte.at), Comet Hale-Bopp 1995O1, CC BY-SA 3.0
[4]: Pavel Hrdlička,
Wikipedia, IKAROS IAC 2010, CC BY-SA 3.0
[5]: Space Travel Blog / ESTCube / UT Tartu
Observatory / Mario F. Palos, Anna Maskava & Rute Marta Jansone, ESTCube solar wind infograph, CC BY 4.0
