Roket Masa Depan Tak Lagi Andalkan Bahan Bakar Kimia, Apa Penggantinya?

Sejarah roket berbahan bakar cair dimulai pada 16 Maret 1926 ketika Robert Goddard meluncurkan roket berbahan bakar cair pertamanya di Auburn, Massachusetts. Roket tersebut hanya mencapai ketinggian sekitar 12,5 meter.

Meski terlihat sederhana, eksperimen tersebut menjadi salah satu fondasi penting bagi perkembangan teknologi penerbangan antariksa. Sejak perlombaan antariksa dimulai pada 1957, roket kimia telah digunakan dalam lebih dari 7.000 peluncuran secara global.

Masalahnya, roket kimia harus membawa sebagian besar sumber energinya sendiri. Sebagai gambaran, Falcon 9 memiliki massa sekitar 549.054 kilogram saat peluncuran, dengan sekitar 395.700 kilogram di antaranya merupakan bahan bakar.

Artinya, sebagian besar massa awal kendaraan digunakan untuk menghasilkan dorongan yang memungkinkan kendaraan membawa muatan ke luar angkasa.

Kinerja roket umumnya salah satunya diukur melalui impuls spesifik. Semakin tinggi nilainya, semakin efisien roket dalam menggunakan propelan untuk menghasilkan perubahan kecepatan.

Roket kimia konvensional memiliki impuls spesifik yang tidak jauh di atas 500 detik. Untuk perjalanan antariksa jarak jauh, keterbatasan tersebut menjadi persoalan besar karena semakin banyak bahan bakar yang dibutuhkan untuk meningkatkan kecepatan.

Situasi tersebut menghasilkan sebuah paradoks. Untuk membawa lebih banyak bahan bakar, kendaraan harus menjadi lebih berat. Namun, semakin berat kendaraan, semakin banyak pula energi yang diperlukan untuk mempercepatnya.

Karena itu, teknologi propulsi masa depan harus menemukan cara menghasilkan perubahan kecepatan besar tanpa harus membawa bahan bakar dalam jumlah yang sangat besar.

Salah satu alternatif yang sudah digunakan dalam misi luar angkasa adalah pendorong listrik, termasuk pendorong ion dan Hall-effect.

Sistem ini menggunakan energi listrik dan medan listrik atau magnet untuk mempercepat partikel gas seperti xenon atau kripton hingga kecepatan sangat tinggi. Partikel tersebut dapat mencapai kecepatan sekitar 140.000 kilometer per jam.

Keunggulannya terletak pada efisiensi. Pendorong listrik membutuhkan propelan jauh lebih sedikit dibandingkan roket kimia untuk menghasilkan perubahan kecepatan tertentu.

Namun, ada kelemahan besar: daya dorongnya sangat kecil. Dorongannya dapat dianalogikan hanya sebesar gaya gravitasi yang dihasilkan selembar kertas yang diletakkan di atas telapak tangan.

Karena itu, pendorong listrik lebih cocok untuk “maraton” daripada “lari cepat”. Sistem ini efektif ketika wahana memiliki waktu berbulan-bulan atau bertahun-tahun untuk terus mempercepat, tetapi tidak ideal untuk kebutuhan lepas landas atau akselerasi cepat.

Pilihan lain yang sedang dikembangkan adalah propulsi nuklir. Konsep ini memanfaatkan energi nuklir untuk menghasilkan panas yang kemudian digunakan untuk meningkatkan performa propelan.

Propulsi termal nuklir berpotensi memiliki impuls spesifik sekitar dua kali lebih tinggi dibandingkan sistem kimia tertentu. Peningkatan efisiensi tersebut dapat membantu memperpendek perjalanan antariksa.

Bagi misi berawak menuju Mars, pengurangan waktu perjalanan memiliki arti penting. Astronot tidak hanya menghadapi persoalan konsumsi bahan bakar, tetapi juga paparan radiasi luar angkasa selama perjalanan.

NASA menargetkan pengiriman manusia ke Mars pada dekade 2030-an. Salah satu tantangan yang perlu diperhitungkan adalah paparan radiasi selama perjalanan yang berlangsung berbulan-bulan.

Semakin cepat manusia dapat mencapai tujuan, semakin kecil pula durasi mereka berada dalam lingkungan luar angkasa yang berbahaya.

Masa depan propulsi juga tidak selalu berarti menemukan bahan bakar baru. Salah satu pendekatan justru mencoba mengurangi atau menghilangkan kebutuhan membawa propelan.

Layar surya merupakan salah satu contohnya. Teknologi ini menggunakan momentum foton dari Matahari untuk memberikan dorongan kepada wahana.

NASA telah mengembangkan sistem layar surya dengan lengan sepanjang sekitar 7 meter yang mampu membentangkan layar berukuran 9 × 9 meter. Konsep generasi berikutnya dapat menggunakan layar dengan luas hingga sekitar 2.000 meter persegi.

Teknologi ini menarik karena wahana tidak perlu membawa bahan bakar dalam jumlah besar untuk terus memperoleh dorongan dari cahaya Matahari.

Konsep lain adalah space tether atau kabel antariksa. Sistem ini dapat memanfaatkan interaksi dengan medan magnet planet untuk membantu mengubah atau mempertahankan orbit.

Ada pula gagasan space elevator. Salah satu konsep yang pernah diusulkan perusahaan Jepang Obayashi menggunakan kabel sepanjang sekitar 96.000 kilometer berbasis tabung nano karbon.

Jika material dan teknologi pembangunannya berhasil dikembangkan, sistem seperti ini secara teoritis dapat mengangkut manusia dan barang ke luar angkasa tanpa menggunakan roket konvensional untuk setiap perjalanan.

Masalah terbesar muncul ketika manusia ingin mencapai sistem bintang lain. Proxima Centauri, salah satu sistem bintang terdekat, berjarak sekitar 4,25 tahun cahaya dari Bumi.

Dengan kecepatan sekitar 56.000 kilometer per jam seperti yang pernah dicapai wahana Deep Space 1, perjalanan menuju sana secara teoritis dapat memakan waktu hingga sekitar 81.000 tahun.

Jelas, manusia membutuhkan pendekatan yang berbeda.

Salah satu gagasan yang menarik adalah beamed propulsion, yaitu menggunakan pancaran energi dari sumber yang berada di Bumi atau orbit untuk mendorong wahana. Laser atau pancaran elektron dapat diarahkan menuju layar khusus sehingga wahana memperoleh energi dan momentum tanpa harus membawa seluruh sumber energinya.

Perhitungan yang dipublikasikan dalam Acta Astronautica pada 2024 menunjukkan bahwa wahana seukuran Voyager secara konseptual dapat didorong hingga sekitar 10 persen kecepatan cahaya menggunakan pancaran elektron.

Jika dapat diwujudkan, perjalanan antarbintang yang sebelumnya membutuhkan ribuan tahun dapat dipangkas menjadi puluhan tahun.

Berbagai konsep propulsi futuristik sering dikaitkan dengan mesin warp yang memungkinkan perjalanan lebih cepat daripada cahaya. Namun, konsep tersebut masih menghadapi persoalan fisika dan kebutuhan energi yang sangat besar.

Sebaliknya, propulsi berbasis pancaran energi tidak mengharuskan manusia memanipulasi ruang-waktu. Tantangannya memang tetap sangat besar, tetapi secara prinsip lebih dekat dengan teknologi fisika yang sudah dikenal.

Hal ini menunjukkan bahwa masa depan eksplorasi antariksa mungkin tidak bergantung pada satu teknologi ajaib. Perubahan besar justru dapat muncul dari kombinasi beberapa sistem propulsi yang masing-masing memiliki fungsi berbeda.

Roket kimia telah membawa manusia memasuki era antariksa, tetapi keterbatasan efisiensi membuatnya kurang ideal untuk perjalanan luar angkasa yang semakin jauh. Pendorong listrik menawarkan efisiensi tinggi, sementara propulsi nuklir berpotensi memberikan daya dan kecepatan yang lebih sesuai untuk misi berawak.

Di sisi lain, layar surya, kabel antariksa, dan sistem pancaran energi menawarkan paradigma berbeda: wahana tidak harus membawa seluruh sumber energinya sendiri.

Perjalanan menuju Mars yang lebih cepat hingga misi antarbintang bukan lagi sekadar persoalan membuat roket lebih besar. Tantangan sebenarnya adalah menemukan cara baru untuk menghasilkan dorongan dengan lebih efisien.

Manusia mungkin tidak suka diberi tahu bahwa ada batasan. Justru dari batasan itulah inovasi propulsi antariksa terus berkembang.

FAQ

1. Mengapa roket kimia dianggap kurang efisien untuk perjalanan jauh? Karena roket kimia membutuhkan propelan dalam jumlah besar dan memiliki keterbatasan impuls spesifik sehingga kurang ideal untuk perjalanan antariksa jarak sangat jauh.
2. Apa keunggulan pendorong ion? Pendorong ion sangat efisien dalam penggunaan propelan dan mampu mempercepat partikel hingga kecepatan sangat tinggi, tetapi menghasilkan daya dorong yang kecil.
3. Apa manfaat propulsi nuklir untuk perjalanan ke Mars? Propulsi nuklir berpotensi meningkatkan efisiensi dan memperpendek waktu perjalanan, sehingga dapat membantu mengurangi durasi paparan astronot terhadap radiasi luar angkasa.
4. Bagaimana layar surya dapat menggerakkan wahana? Layar surya memanfaatkan momentum foton dari Matahari untuk memberikan dorongan secara terus-menerus tanpa harus membakar propelan konvensional.
5. Apakah manusia bisa mencapai bintang lain dalam waktu puluhan tahun? Secara teoritis teknologi pancaran energi dapat memungkinkan kecepatan sangat tinggi, tetapi sistem tersebut masih berada pada tahap pengembangan dan menghadapi tantangan teknis yang besar.