Kendaraan luar angkasa atau roket membutuhkan bobot material yang ringan sekaligus sangat kuat agar mampu mencapai titik tertinggi untuk riset di luar bumi.
Nah, jika bobot kendaraan roket lebih berat ketimbang bahan bakar, maka roket berisiko tidak bekerja secara optimal. Idealnya, agar berhasil masuk ke orbit, bobot muatan mesin roket dan perlengkapan lainnya hanya 9% dari total bobot. Sisanya diperuntukkan bagi bobot bahan bakar (91%).
Namun, dalam roket saat ini (berbobot sekitar 1,7 ton), pembagian beban bahan bakar dan lagi berat badan kendaraan mencapai 50:50. Kinerja roket tersebut sebenarnya bisa maksimal apabila bahan bakar lebih berat (70%) dibanding berat badan kendaraan (30%). Sebab, konstruksi roket bertingkat harus diarahkan untuk menjaga massa serendah mungkin.
Telah lama para ilmuwan mencari jenis material yang memiliki bobot yang sangat ringan tapi amat kuat. Salah satu pilihannya adalah komposit, yakni sekumpulan material berbeda dan terpisah yang dibentuk menjadi komponen tunggal, sehingga mampu mengurangi beban roket.
Riset terbaru kami menemukan penggunaan grafena oksida (GO) pada material komposit dapat mengurangi berat sekaligus menambah kekuatan komposit agar roket tidak retak saat meluncur ke luar angkasa. GO dapat diterapkan menjadi pengisi material komposit untuk melapisi bahan roket.
GO merupakan material yang berbentuk bubuk maupun cair, tergantung penggunaanya. Selain untuk roket, GO kerap digunakan dalam bioteknologi dan obat-obatan untuk pengobatan kanker, dan pengiriman obat.
GO yang berbasis grafena juga menjanjikan apabila diterapkan dalam perangkat elektronik, optik, kimia, penyimpanan energi, dan biologi.
Grafena oksida dalam komposit roket
Komposit terdiri dari komponen penyusun (berfungsi sebagai perekat atau pengikat) dan komponen pelindung serta pengisi (berfungsi sebagai penguat komponen penyusun).
Salah satu komponen yang menggunakan material jenis ini adalah hidung roket.
Saya menganalogikan komposit sebagai tembok dengan bahan penyusun yang terdiri dari pasir, batu kapur, besi, semen, dan air. Nah, GO diibaratkan seperti batu kapur yang menguatkan struktur tembok. Bedanya, dalam struktur roket, GO berfungsi untuk meningkatkan kekuatan struktur komposit.
Beberapa penelitian menunjukkan aplikasi material komposit dapat meningkatkan muatan sebesar 20 persen.
Sejak penemuan GO pada 2004, material ini telah menunjukkan sebagai material terkuat yang pernah dikenal atau diuji hingga saat ini.
Selama ini, hidung roket berbahan logam (baja). Komposit dengan GO berpotensi dipakai untuk menggantikan logam di hidung roket. Sebab, meski baja dan komposit dengan GO mempunyai ketebalan yang sama, komposit GO memiliki bobot 70 persen lebih ringan daripada baja.
Para peneliti dari berbagai disiplin ilmu telah menaruh perhatian dan minat besar pada grafena dan turunannya karena memiliki potensi aplikasi yang sangat luas. Grafena merupakan bahan yang paling serbaguna karena mengacu pada sifat fisik yang unik: tahan panas. Sifat ini muncul dari adanya muatan listrik.
Selain melapisi material roket, GO juga berpotensi diterapkan sebagai pelapis bahan bakar roket (bisa padat, bisa cair), sel surya, kabel untuk pesawat luar angkasa, sistem pendingin, antena dan aplikasi lain di industri penerbangan.
GO untuk mengoptimalkan kinerja roket
Struktur roket terdiri dari hidung (nosecone) berbentuk kerucut yang aerodinamis sehingga bisa mencegah perlambatan laju roket akibat udara. Lalu ada bagian utama yakni badan roket (berbentuk tabung) – berfungsi sebagai tempat bahan bakar dan penampung banyak perangkat elektronik untuk mengendalikan roket besar. Bagian terakhir adalah sayap guna menjaga keseimbangan dan ekor sebagai pusat gaya dorong.
Distribusi berat seluruh komponen roket sangat penting sebagai pusat gravitasi atau pusat masa pada roket. Ini merupakan titik suatu benda dapat seimbang sempurna yang akan berpengaruh terhadap stabilitas dan kontrol roket.
Roket yang stabil terbang dengan arah yang mulus dan seragam. Karena itu, semakin ringan dan kuat struktur yang digunakan, maka jangkauan terbangnya lebih jauh dan lebih hemat bahan bakar. Muatan pun bisa dibawa lebih banyak.
Saat terbang, roket memiliki kecepatan melebihi kecepatan suara. Kecepatan ini menyebabkan adanya gesekan antara udara dan gelombang kejut pada saat peluncuran. Akibatnya, roket mengalami pemanasan dengan suhu sesuai besarnya gaya dorong roket.
Berdasarkan simulasi, suhu yang terjadi di titik hidung roket mencapai lebih dari 250 derajat Celsius. Karena kecepatan roket yang tinggi dan tekanan yang kuat, bagian ini bisa retak sehingga misi roket bisa terganggu. Inilah mengapa komponen GO potensial dibutuhkan untuk mencegah keretakan tersebut.
Beberapa komponen struktur roket-roket Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) menggunakan material baja atau alumunium yang terlalu berat dan terlalu tebal. Pencarian material yang ringan dan kuat ini sangat penting karena tidak ada negara mana pun yang menjual sistem teknologi roket secara utuh. Selain itu, perkembangan teknologi roket memakan waktu lama karena itu kita harus mengembangkan secara mandiri.
Karena memiliki karakteristik yang lebih kuat dan lebih tipis dibanding logam, material komposit telah banyak digunakan pada teknologi roket di banyak negara. Badan Penerbangan dan Antariksa Amerika Serikat (NASA) menyatakan material komposit memainkan peran yang semakin besar dalam misi eksplorasi ruang angkasanya.
Roket yang mempunyai ukuran efisiensi (rasio) yang semakin tinggi, maka akan semakin efisien. Ukuran tersebut menunjukkan bahwa roket itu ringan dan karenanya berkinerja lebih baik.
Karena itu, teknologi nano material yang berkembang pesat saat ini – salah satunya terkait GO – bisa menjadi peluang bagi Indonesia untuk menyempurnakan struktur roket. LAPAN dapat mengambil peluang itu dalam pengembangan teknologi roket yang termasuk Program Prioritas Riset Nasional 2020-2024 dengan produknya adalah roket dua tingkat.