Mimpi tentang fusi nuklir telah lama dikejar oleh para ilmuwan terkemuka dunia. Bayangkan saja, mereplikasi cara kerja bintang di Bumi akan memberikan energi bersih yang tak terbatas. Meskipun sejarah panjang percobaan dan beberapa terobosan telah terjadi, mimpi ini belum sepenuhnya terwujud. Bahkan, kemungkinan besar kita masih bertahun-tahun lagi dari melihat pembangkit listrik fusi di planet ini.
Melakukan proses fusi di luar angkasa mungkin terdengar seperti menambahkan lapisan kompleksitas pada teknologi yang sudah rumit. Namun, secara teoritis, ini bisa terjadi lebih cepat daripada di Bumi. Selain itu, fusi nuklir di luar angkasa berpotensi membantu pesawat ruang angkasa mencapai kecepatan hingga 805.000 kilometer per jam. Kecepatan ini melampaui rekor objek tercepat yang pernah dibuat, yaitu Parker Solar Probe milik NASA, yang mencapai puncak kecepatan 692.000 kilometer per jam.
Dengan dukungan dana dari UK Space Agency, startup asal Inggris, Pulsar Fusion, telah memperkenalkan Sunbird, sebuah konsep roket luar angkasa yang dirancang untuk bertemu dengan pesawat ruang angkasa di orbit, menempel padanya, dan membawanya ke tujuan dengan kecepatan tinggi menggunakan fusi nuklir.
“Melakukan fusi di Bumi itu sangat tidak alami,” kata Richard Dinan, pendiri dan CEO Pulsar. “Fusi tidak ingin bekerja di atmosfer. Ruang angkasa adalah tempat yang jauh lebih logis dan masuk akal untuk melakukan fusi, karena di sanalah fusi seharusnya terjadi.”
Saat ini, Sunbird masih dalam tahap awal konstruksi dan memiliki tantangan rekayasa yang luar biasa untuk diatasi. Namun, Pulsar menyatakan harapan untuk mencapai fusi di orbit untuk pertama kalinya pada tahun 2027. Jika roket ini beroperasi, suatu hari nanti Sunbird bisa memangkas waktu perjalanan misi potensial ke Mars hingga setengahnya.
Hanya Beberapa Gram Bahan Bakar
Fusi nuklir berbeda dari fisi nuklir, yang menjadi dasar pembangkit listrik tenaga nuklir saat ini. Fisi bekerja dengan membelah unsur-unsur berat radioaktif, seperti uranium, menjadi unsur-unsur yang lebih ringan menggunakan neutron. Energi yang sangat besar yang dilepaskan dalam proses ini digunakan untuk menghasilkan listrik.
Fusi melakukan kebalikannya: menggabungkan unsur-unsur sangat ringan seperti hidrogen menjadi unsur-unsur yang lebih berat, menggunakan suhu dan tekanan tinggi. “Matahari dan bintang-bintang adalah reaktor fusi,” kata Dinan. “Mereka adalah ‘pemasak’ unsur – memasak hidrogen menjadi helium – dan kemudian saat mereka mati, mereka menciptakan unsur-unsur berat yang membentuk segalanya. Alam semesta sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium, dan segala sesuatu yang lain dimasak di dalam bintang oleh fusi.”
Fusi sangat dicari karena melepaskan energi empat kali lebih banyak daripada fisi, dan empat juta kali lebih banyak daripada bahan bakar fosil. Tetapi tidak seperti fisi, fusi tidak memerlukan bahan radioaktif berbahaya. Reaktor fusi akan menggunakan deuterium dan tritium, atom hidrogen berat yang memiliki neutron ekstra. Reaktor ini akan bekerja dengan sejumlah kecil bahan bakar dan tidak menghasilkan limbah berbahaya.
Namun, fusi membutuhkan banyak energi untuk memulai, karena kondisi yang mirip dengan inti bintang harus diciptakan, yaitu suhu dan tekanan yang sangat tinggi, bersama dengan penahanan yang efektif untuk menjaga reaksi tetap berjalan. Tantangan di Bumi adalah menciptakan lebih banyak energi dari fusi daripada yang dimasukkan untuk memulai, tetapi sejauh ini kita hampir tidak mencapai titik impas.
Fusi di Luar Angkasa: Bukan untuk Menghasilkan Energi
Jika pembangkit listrik bukan tujuannya, segalanya menjadi kurang rumit. Tujuan utamanya hanyalah menciptakan kecepatan buang yang lebih tinggi.
Reaksi yang menghasilkan tenaga fusi nuklir terjadi di dalam plasma, yaitu gas panas yang bermuatan listrik. Sama seperti reaktor yang diusulkan di Bumi, Sunbird akan menggunakan magnet yang kuat untuk memanaskan plasma dan menciptakan kondisi agar bahan bakar (dalam hitungan gram) saling bertabrakan dan menyatu. Namun, sementara reaktor di Bumi berbentuk lingkaran untuk mencegah partikel keluar, reaktor pada Sunbird akan berbentuk linier karena partikel yang keluar akan mendorong pesawat ruang angkasa.
Terakhir, Sunbird tidak akan menghasilkan neutron dari reaksi fusi, yang digunakan reaktor di Bumi untuk menghasilkan panas. Sunbird akan menggunakan jenis bahan bakar yang lebih mahal yang disebut helium-3 untuk membuat proton, yang dapat digunakan sebagai “buangan nuklir” untuk memberikan propulsi.
Proses Sunbird akan mahal dan tidak cocok untuk produksi energi di Bumi. Namun, karena tujuannya bukan untuk menghasilkan energi, prosesnya bisa tidak efisien dan mahal, tetapi tetap berharga karena akan menghemat biaya bahan bakar, mengurangi berat pesawat ruang angkasa, dan membawanya ke tujuan lebih cepat.
Memangkas Waktu Perjalanan
Sunbird akan beroperasi mirip dengan sepeda kota di stasiun pengisian. Sunbird akan diluncurkan ke luar angkasa, dan akan ada stasiun pengisian daya di mana mereka bisa menunggu dan kemudian bertemu dengan pesawat ruang angkasa yang akan didorong. Mesin pembakaran yang tidak efisien dimatikan, dan fusi nuklir digunakan untuk sebagian besar perjalanan. Idealnya, akan ada stasiun di dekat Mars, dan stasiun di orbit rendah Bumi, dan Sunbird akan bolak-balik.
Beberapa komponen akan menjalani demonstrasi orbit tahun ini. “Komponen tersebut pada dasarnya adalah papan sirkuit yang naik untuk diuji, untuk memastikan komponen tersebut bekerja. Tidak terlalu menarik, karena tidak ada fusi, tetapi kami harus melakukannya,” kata Dinan. “Kemudian, pada tahun 2027, kami akan mengirim sebagian kecil Sunbird ke orbit, hanya untuk memeriksa apakah fisika bekerja seperti yang diasumsikan oleh komputer. Itulah demonstrasi pertama kami di orbit, di mana kami berharap untuk melakukan fusi di luar angkasa. Kami berharap Pulsar akan menjadi perusahaan pertama yang benar-benar mencapai hal itu.”
Prototipe itu akan menelan biaya sekitar 70 juta dolar AS. Prototipe tersebut tidak akan menjadi Sunbird yang lengkap, melainkan “eksperimen fusi linier” untuk membuktikan konsep tersebut. Sunbird fungsional pertama akan siap empat hingga lima tahun kemudian, asalkan pendanaan yang diperlukan diamankan.
Awalnya, Sunbird akan ditawarkan untuk mengantar satelit di orbit, tetapi potensi sebenarnya akan muncul dalam misi antarplanet. Perusahaan mengilustrasikan beberapa contoh misi yang bisa diwujudkan oleh Sunbird, seperti mengirimkan hingga 2.000 kilogram kargo ke Mars dalam waktu kurang dari enam bulan, menyebarkan probe ke Jupiter atau Saturnus dalam dua hingga empat tahun (Europa Clipper NASA, yang diluncurkan pada tahun 2024 menuju salah satu bulan Jupiter, akan tiba setelah 5,5 tahun), dan misi penambangan asteroid yang akan menyelesaikan perjalanan pulang pergi ke asteroid dekat Bumi dalam satu hingga dua tahun, bukan tiga tahun.
Perusahaan lain juga mengerjakan mesin fusi nuklir untuk propulsi ruang angkasa, termasuk Helicity Space yang berbasis di Pasadena, yang menerima investasi dari raksasa kedirgantaraan Lockheed Martin pada tahun 2024. General Atomics yang berbasis di San Diego dan NASA sedang mengerjakan jenis reaktor nuklir lain (berdasarkan fisi, bukan fusi) yang rencananya akan diuji di luar angkasa pada tahun 2027. Reaktor ini juga dimaksudkan sebagai sistem propulsi yang lebih efisien untuk misi berawak ke Mars dibandingkan dengan opsi saat ini.
Potensi Besar Fusi untuk Propulsi Pesawat Ruang Angkasa
Menurut Aaron Knoll, seorang dosen senior di bidang propulsi plasma untuk pesawat ruang angkasa di Imperial College London, yang tidak terlibat dengan Pulsar Fusion, ada potensi besar untuk memanfaatkan tenaga fusi untuk propulsi pesawat ruang angkasa. “Meskipun kita masih beberapa tahun lagi dari menjadikan energi fusi sebagai teknologi yang layak untuk pembangkit listrik di Bumi, kita tidak perlu menunggu untuk mulai menggunakan sumber tenaga ini untuk propulsi pesawat ruang angkasa,” katanya.
Alasannya adalah bahwa untuk menghasilkan tenaga di Bumi, jumlah energi yang dihasilkan harus lebih besar daripada energi yang dimasukkan. Tetapi ketika menggunakan tenaga fusi pada pesawat ruang angkasa untuk menghasilkan daya dorong, setiap energi yang dihasilkan berguna, bahkan jika itu kurang dari energi yang disuplai. Semua energi gabungan itu, yang berasal dari pasokan tenaga eksternal dan reaksi fusi bersama-sama, akan bertindak untuk meningkatkan daya dorong dan efisiensi sistem propulsi.
Namun, ada kendala teknis yang signifikan dalam mewujudkan teknologi fusi di luar angkasa. “Desain reaktor fusi saat ini di Bumi adalah sistem yang besar dan berat, membutuhkan infrastruktur peralatan pendukung, seperti penyimpanan energi, pasokan tenaga, sistem pengiriman gas, magnet, dan peralatan pemompaan vakum,” katanya. “Memperkecil sistem ini dan membuatnya ringan adalah tantangan rekayasa yang cukup besar.”
Bhuvana Srinivasan, seorang profesor Aeronautika & Astronautika di University of Washington, yang juga tidak terlibat dengan Pulsar, setuju bahwa propulsi fusi nuklir memegang janji yang besar untuk penerbangan luar angkasa: “Ini akan sangat bermanfaat bahkan untuk perjalanan ke Bulan, karena ini dapat menyediakan sarana untuk menyebarkan seluruh pangkalan bulan dengan awak dalam satu misi. Jika berhasil, ini akan mengungguli teknologi propulsi yang ada bukan hanya secara bertahap tetapi secara dramatis,” katanya. Namun, dia juga menunjukkan kesulitan dalam membuatnya ringkas dan ringan, tantangan rekayasa tambahan yang kurang menjadi pertimbangan untuk energi terestrial.
Membuka propulsi fusi, menurut Srinivasan, tidak hanya akan memungkinkan manusia untuk melakukan perjalanan lebih jauh di luar angkasa, tetapi juga menjadi pengubah permainan untuk misi tanpa awak, misalnya untuk mengumpulkan sumber daya seperti helium-3, bahan bakar fusi yang langka di Bumi dan harus dibuat secara artifisial, tetapi mungkin berlimpah di Bulan: “Jika kita dapat membangun pangkalan bulan yang dapat menjadi titik peluncuran untuk eksplorasi ruang angkasa yang dalam, memiliki akses ke cadangan helium-3 potensial dapat sangat berharga,” katanya.
“Eksplorasi planet, bulan, dan tata surya yang lebih jauh sangat penting bagi sifat ingin tahu dan eksplorasi kita sebagai manusia, sementara juga berpotensi mengarah pada manfaat finansial dan sosial yang besar dengan cara yang mungkin belum kita sadari.”