7.1. Pandangan Kuno Mengenai Kosmos
Sejak dahulu kala manusia sadar bahwa tanpa matahari kehidupan di dunia menjadi suatu kemustahilan. Tiga ribu tahun yang lalu dalam zaman Mesir Purba misalnya, Firaun Akhnaton menyuruh membuat gambar dirinya sebagai hiasan dinding di makamnya (Gambar 7.1).
Gambar 7.1. Firaun Akhnaton dan istrinya Nefertiti sedang mempersembahkan sesajian yang kemudian dibalas oleh Dewa Matahari Aten, dengan mengirimkan melalui sinar-sinar tangannya, makanan berupa buah-buahan ke bumi. Perhatikan juga pohon teratai dan buahnya yang dapat dijadikan makanan di bagian kanan-bawah gambar (Repro.: Science, Colin A. Ronan).
Dalam gambar itu Akhnaton dan permaisurinya dilukiskan sedang menengadahkan kedua belah telapak tangan mereka untuk menangkap kiriman buah dari matahari melalui sinarnya yang di ujungnya berbentuk tangan yang menggenggam buah-buahan. Naluri Akhnaton bahwa matahari adalah sumber energi yang sangat penting untuk kehidupan manusia memang benar. Itulah sebabnya matahari dianggapnya sebagai Dewa Mahatunggal yang dinamakannya Aten, menggantikan lingkup kekuasaan Dewi Langit Nut, Dewa Udara Syu, dan Dewa Bumi Qeb seperti yang lazimnya diterima dalam pandangan mengenai alam-raya bangsa Mesir Kuno (Gambar 7.2).
Gambar 7.2. Citra bangsa Mesir-Kuno tentang alam-raya. Dewi Langit Nut ditopang oleh Dewa Udara Syu membuat suatu cungkup yang melindungi Dewa Bumi Qeb yang sedang berbaring miring pada salah satu sisinya (Repro.: Science, Colin A. Ronan).
Kalau para firaun sebelum Akhnaton mengikuti pandangan para pendeta bahwa bumi tempat mereka berpijak adalah tubuh Dewa Bumi Qeb yang dipayungi oleh Dewi Langit Nut yang ditopang oleh Dewa Udara Syu agar tidak mengimpit bumi, maka Firaun Akhnaton pikirannya maju selangkah dan menganggap bahwa semua hal yang berkenaan dengan kehidupan diatur oleh suatu Sumber Tenaga Tunggal yang memberikan makanan
kepada semua makhluk di bumi. Sumber itu menurut perkiraannya ialah matahari dan oleh karena itu ia mencoba mengajari rakyatnya untuk menyembah hanya satu dewa yaitu Dewa Matahari.
Perkiraan Akhnatun memang mengagumkan dan sangat maju bagi zamannya sehingga ia dianggap firaun murtad oleh bangsanya. Akan tetapi cara kerja sinar surya tentu saja tidak langsung seperti itu, melainkan melalui suatu kejadian yang mengubah energi surya menjadi energi kimia melalui suatu proses yang dinamakan fotosintesis. Pada zamannya tentu ia tidak dapat memahami hal itu semua karena ilmu kimia belum ditemukan dan bahkan apa saja yang diketahui orang Mesir pada ketika itu belum lagi boleh dianggap ilmu.
7.2. Fotosintesis
Dalam peristiwa fotosintesis, klorofil dalam tumbuhan hijau mengikat energi surya yang sebenarnya adalah energi elektromagnetik melalui pembentukan karbohidrat dari karbondioksida dan air. Karbohidrat ini menjadi dasar pembentukan bahan organik lainnya, yang kemudian dapat dimanfaatkan manusia. Akan tetapi juga bahan organik ini dapat berubah menjadi bahan organik fosil dan tersimpan beribu-ribu tahun lamanya serta berubah menjadi minyak bumi, gas alam, dan batubara. Ketiga jenis bahan organik fosil ini dihasilkan tumbuhan hijau dan hewan yang hidup dari tumbuhan hijau itu secara langsung atau tak langsung berjuta-juta tahun yang lalu dan sekarang juga menjadi sumber energi yang diperebutkan oleh manusia di dunia ini.*
Energi kimia yang diikat tumbuhan hijau melalui fotosintesis dalam bentuk karbohidrat itu adalah sumber energi kehidupan makhluk hidup seperti manusia dan hewan. Akan tetapi energi kimia yang tersimpan sebagai hasil fotosintesis dalam bentuk bahan bakar fosil sampai saat ini adalah penggerak utama berbagai bentuk kerja yang dilakukan di bumi ini.
Minyak bumi yang diubah menjadi bensin, minyak tanah, dan minyak diesel misalnya digunakan sebagai bahan bakar penggerak kendaraan bermotor di darat, laut, maupun udara. Minyak diesel juga dapat digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Tenaga listrik ini dapat dijadikan penggerak mesin-mesin industri dan mesin-mesin peralatan perkantoran dan rumahtangga. Semuanya ini tidak langsung berasal dari energi surya.
Selain itu hasil fotosintesis yang telah dikonsumsi hewan dan manusia akan selalu bersisa dan masih mengandung energi yang belum terbakar. Kumpulan bahan organik yang tersisa seperti ini dapat digunakan membangkitkan energi melalui pembentukan gas-bio yang dapat dijadikan pengganti bahan bakar.
7.3. Energi Surya Sebagai Sumber Energi Mekanik
Matahari juga dapat menghasilkan energi untuk kepentingan manusia melalui perubahan bentuk energi elektro-magnetiknya menjadi energi fisik yang bersifat mekanik.
Hal itu dapat terjadi karena panas matahari dapat menggerakkan massa udara dan air.
Pergerakan massa udara terjadi dengan munculnya angin. Angin muncul karena di permukaan bumi terjadi perbedaan tekanan udara. Seperti kita ketahui hal itu terjadi karena daratan pada siang hari menjadi lebih cepat panas daripada perairan dan pada malam hari lebih cepat mendingin daripada perairan. Perbedaan suhu di atas dua macam permukaan bumi ini menimbulkan perbedaan tekanan udara yang menimbulkan angin sebagai gerakan udara. Energi kinetik angin ini dapat ditampung melalui baling-baling yang dihubungkan ke suatu generator listrik untuk membangkitkan listrik. Dapat pula baling-baling itu menimbulkan energi mekanik seperti misalnya pada kincir angin yang memompa air atau menggiling gandum.
Hal yang sama juga dapat terjadi di lautan dan perpindahan massa air karena perpindahan massa udara di permukaannya menimbulkan gelombang yang mengandung energi kinetik. Sekarang ini telah diciptakan turbin-turbin yang dapat menyadap energi
gelombang menjadi energi listrik. Dengan demikian energi surya pun telah dapat disadap melalui perubahan menjadi energi kinetik berupa arus gelombang laut.
Sinar matahari juga bekerja menguapkan air dari permukaan bumi yang kemudian dikumpulkan menjadi awan. Awan ini dibawa angin naik menuju puncak gunung dan dalam proses pengangkutan itu mengalami pendinginan dan pengembunan. Terjadilah hujan. Dengan demikian sebagian air dari laut dipindahkan ke pegunungan sehingga energi surya itu telah berubah menjadi energi potensial melalui air yang mengalir kembali ke laut dan sebelum sampai di laut ditampung dahulu di danau-danau buatan yang telah dilengkapi dengan turbin penggerak air. Turbin ini kemudian membangkitkan energi listrik.
Hal seperti itu kita lihat misalnya di Jatiluhur, Asahan, Karang Kates, dan Cirata.
7.4. Energi Panas Matahari
Energi elektromagnetik matahari dapat pula diubah menjadi energi termal. Hal itu misalnya terjadi dengan usaha-usaha pengeringan hasil panen langsung di bawah sinar matahari atau di dalam kotak-kotak hitam yang disuruh menyerap energi surya untuk membangkitkan panas. Energi panas yang dapat dibangkitkan oleh matahari ini juga dapat memanaskan permukaan lautan sehingga lapisan air laut di atas menjadi lebih panas daripada lapisan di bawahnya. Dengan perkataan lain, ada suatu gradien termal antara lapisan air laut di permukaan dengan lapisan air di bagian dalam laut. Lapisan air laut yang panas itu dapat dipakai untuk menguapkan suatu cairan yang mudah menguap, misalnya amoniak. Sewaktu menguap amoniak ini disalurkan melalui suatu turbin untuk menggerakkan turbin itu. Setelah selesai menggerakkan turbin itu uap ammoniak itu dicairkan kembali melalui pendinginan dengan air laut dingin yang dipompakan ke permukaan laut dari bagian laut yang dalam.
Turbin yang digerakkan oleh adanya gradien termal antara lapisan air laut di permukaan dan di kedalaman menjadi perantara mengubah energi surya yang telah disimpan sebagai gradien termal di dalam air laut menjadi energi listrik. Karena pengubahan energi termal lautan memerlukan perbedaan suhu kira-kira 20oC, penyadapan energi termal lautan ini hanya dapat dilakukan di sekitar katulistiwa, termasuk di wilayah Nusantara ini.
7.5. Energi Geotermal atau Energi Panas Bumi
Selain melalui energi surya, kita dapat pula menyadap energi dari dalam bumi. Energi geotermal ini membangkitkan panas yang memanaskan air dan batuan di dalam tubuh bumi. Air yang panas ini kemudian dapat menimbulkan mataair panas yang energinya dapat disadap melalui pembangkit listrik tenaga uap. Salah satu negara yang banyak menggunakan energi termal seperti ini adalah Selandia Baru. Kita pun sudah mulai merintis penggunaannya. Salah satu tempat yang memberi harapan adalah daerah sekitar Gunung Salak.
7.6. Energi Gravitasi
Adanya dua massa yang besar akan menimbulkan saling tarik-menarik. Energi gravitasi seperti ini menimbulkan peristiwa pasang-surut yang adalah suatu gerakan massa air. Gerakan massa air ini adalah energi mekanik kinetik dan potensial yang dapat diubah melalui suatu turbin menjadi energi listrik. Usaha pertama mengubah energi gelombang pasang-surut ini telah dilakukan di Perancis pada tahun-tahun enampuluhan. Pembangkit listrik tenaga gelombang pasang di St. Malo, Perancis ini menghasilkan listrik 500 MW setahunnya. Tentu saja muncul persoalan pelestarian lingkungan hidup, karena pembangkit listrik itu dibangun di sekitar muara sungai tempat bertelur dan menetasnya berbagai jenis makhluk hidup. Hal ini adalah suatu contoh masalah terganggunya kesetimbangan ling- kungan karena masuknya suatu teknologi baru.
7.7. Energi Nuklear
Bentuk energi lain yang dapat dimanfaatkan ialah energi nuklear atau energi inti yang berasal dari energi yang terkandung dalam atom itu sendiri. Kita tahu bahwa suatu atom tersusun atas suatu inti yang dikitari oleh elektron-elektron bermuatan negatif. Inti itu terjadi atas perpaduan erat proton-proton bermuatan positif dengan neutron-neutron yang tidak bermuatan. Muatan negatif elektron suatu atom biasa diimbangi oleh muatan positif intinya sehingga atom itu sendiri bersifat netral. Sewaktu inti terbentuk dari dari kedua jenis zarah pembentuk inti atau nukleon ini, haruslah sebagian kecil sekali dari massanya dihilangkan, yaitu di sekitar beberapa peroktiliun (10-27) gram, yang diubah menjadi energi.
Energi ini setara dengan jumlah energi yang diperlukan untuk mengikat nukleon-nukleon itu menjadi satu dalam bentuk inti, dan disebut energi pengikat. Energi pengikat nukleon ini terkecil untuk atom yang ringan dan meningkat dengan bertambahnya ukuran inti.
Besarnya energi pengikat ini meningkat sampai mencapai ukuran inti besi yang mengandung 56 zarrah di dalam intinya.
Setelah itu energi pengikat itu menurun lagi perlahan-lahan untuk atom-atom yang lebih berat. Demikianlah energi pengikat zarrah-zarrah di dalam inti Uranium 235 lebih rendah daripada energi pengikat unsur-unsur lain yang lebih ringan seperti besi dan timah.
Kalau suatu nukleus berat seperti Uranium 235 dipisah, akan terjadi dua buah inti baru yang lebih kecil, akan tetapi yang masing-masing mempunyai energi pengikat yang lebih besar daripada energi pengikat atom uranium yang semula. Oleh karena itu harus terjadi pengubahan sedikit massa menjadi energi. Energi yang dilepaskan inilah yang dimanfaatkan sebagai energi nuklear. Usaha pertama menghasilkan energi nuklear melalui pemecahan atom secara terkendali dilakukan oleh ahli fisika Italia bernama Enrico Fermi di Universitas Chicago pada tanggal 2 Desember 1941.
Prinsip pembangkitan energi nulear itu adalah melalui pemboman atom Uranium 235 dengan neutron. Pemboman ini mengubah atom Uranium 235 menjadi Uranium 236 yang tidak stabil. Uranium 236 ini memecahdiri menjadi atom-atom yang intinya lebih kecil.
Dalam proses ini dilepaskan pula neutron yang tiba gilirannya membom atom Uranium 235 lainnya. Terjadilah reaksi berantai dan muncullah sejumlah besar energi. Reaksi berantai inilah yang telah berhasil dikendalikan oleh Enrico Fermi. Penemuannya inilah kemudian yang menjadi dasar pembuatan reaktor nuklear. Salah satu kegunaan reaktor nuklear ini adalah untuk membangkitkan tenaga listrik. Salah satu pembangkit listrik tenaga nuklear yang terkenal ialah PLTN Three Miles Island di Harrisburg, Pennsylvania, yang pada tahun 1979 menimbulkan musibah karena mengalami kebocoran sehingga mencemarkan atmosfer dengan limbah radioaktif. Akan tetapi bagaimanapun juga berbahayanya penggunaan tenaga nuklear ini, pada akhirnya kalau manusia sesudah kekurangan sumber energi, ia akan menggunakannya juga. Yang diusahakannya sudah tentu ialah agar semua proses pembangkitan tenaga nuklear ini diperbaiki sehingga lebih aman.
Karena sebelum mencapai ukuran inti besi 56 energi pengikat suatu atom meningkat dengan bertambah besarnya nukleus, maka selain dari pemecahan atom juga dapat dihasilkan energi dari pemaduan dua atom menjadi satu atom. Hal itu misalnya dapat dilakukan apabila dua atom Hidrogen dipadukan dan diubah bentuknya menjadi inti Helium. Pemaduan atom-atom Deuterium atau atom Deuterium dengan isotop hidrogen yang lebih berat lagi, yaitu Tritium, dapat pula menghasilkan energi karena pembentukan inti yang lebih besar dengan energi pengikat yang lebih besar daripada inti-inti penyusunnya.
7.8. Sumber Energi Utama Berubah dengan Tingkat Peradaban
Dalam peradaban manusia primitif hanya ada satu sumber energi yang digunakannya untuk keperluan hidupnya, apakah itu sumber energi untuk makan, untuk memasak, untuk bekerja, ataukah untuk bepergian. Untuk makan, sumber energi yang dipakainya berupa
karbohidrat yang dihasilkan oleh tumbuhan. Selain itu ia juga memerlukan protein dalam susunan makanannya. Protein itu sebagian besar dihasilkan oleh hewan, yang pada gilirannya memerlukan energi untuk tumbuh dan berkembangbiak. Energi untuk keperluan ini diambil oleh hewan dari tumbuhan atau hewan lain sebagai makanannya. Untuk bekerja di ladang misalnya, manusia menggunakan tenaganya secara langsung. Kalaupun ia sudah mendapat alatbantu seperti bajak, tenaga penarik bajak itu ialah hewan juga yang mengambil energinya dari tumbuhan pula. Demikian pula halnya kalau manusia bepergian.
Kendaraan yang digunakannya ialah hewan-tunggang atau kereta yang ditarik hewan.
Dengan meningkatnya peradaban manusia ia mampu menciptakan alatbantu yang menggunakan sumber energi yang bukan berasal dari energi matahari, misalnya kincir air, kincir angin, dan perahu layar. Makin meningkat lagi peradabannya, energi dari sumber yang lain pula dapat digunakannya, dan makin sedikit saja ia menggunakan energi matahari secara langsung untuk keperluan kehidupannya selain untuk keperluan pangan.
Hal itu memang merupakan suatu keharusan, karena sementara itu populasi manusia yang menghuni bumi ini meningkat dengan pesat, yang juga berarti bahwa keperluan bahan makanan pun meningkat berlipat ganda.
Karena itulah telah diuraikan suatu ringkasan tentang berbagai sumber energi yang dapat dimanfaatkan manusia. Sumber energi yang sangat penting bagi manusia karena menyangkut sumber makanan ialah energi matahari yang melalui fotosintesis menghasilkan energi kimia untuk sumber energi kehidupan manusia. Oleh karena itu peristiwa fotosintesis ini akan kita telaah lebih lanjut, juga dalam hubungannya dengan berbagai faktor alam yang dapat mempengaruhinya agar dapat berlangsung dengan lebih efisien menghasilkan hasil pertanian yang tidak dapat digantikan peranannya oleh produk-produk yang dibuat menggunakan bentuk energi lainnya.
Namunpun demikian, banyak sekali bentuk energi lainnya itu yang sifatnya tidak terbarukan dan pada suatu ketika akan habis. Ada pula bentuk energi lainnya itu yang sifatnya mencemarkan lingkungan hidup, seperti misalnya energi yang berasal dari minyak bumi dan energi nuklear. Karena itu persoalan pemanfaatan berbagai jenis energi oleh manusia untuk keperluan menunjang kehidupannya adalah masalah yang sangat penting dibahas berdasar berbagai pandangan dan pertimbangan. Karena itulah apabila kita berbicara mengenai pemanfaatan energi surya untuk kepentingan hidup manusia, kita tidak dapat melepaskan diri dari permasalahan penggunaan bentuk energi lainnya sebagai sumber energi pengganti maupun sebagai sumber energi yang dapat digantikan oleh energi hasil panenan dari sinar surya, bergantung pada pilihan mana yang lebih menguntungkan bagi manusia. Di dalam bab-bab berikut ini, walaupun kita akan berbicara mengenai produksi pertanian, kita tidak dapat melepaskan diri dari permasalahan pemanfaatan energi secara menyeluruh.
8. FOTOSINTESIS DAN ENERGI UNTUK KEHIDUPAN