Inovasi Pelapis Jendela Berbasis Fotonik untuk Efisiensi Energi Dengan Pemanfaatan Quantum Annealing

Pernahkah Anda bayangkan penggunaan pelapis jendela dapat menurunkan penggunaan energi rumah tangga secara signifikan? Kelompok peneliti dari Universitas Notre Dame mengembangkan material filter cahaya matahari yang dapat mendinginkan ruangan 5,4°C hingga 7,2°C dibandingkan jendela kaca biasa, sehingga dapat menghemat energi untuk pendingin ruangan.

blank

Pernahkah Anda bayangkan penggunaan pelapis jendela dapat menurunkan penggunaan energi rumah tangga secara signifikan? Kelompok peneliti dari Universitas Notre Dame mengembangkan material filter cahaya matahari yang dapat mendinginkan ruangan 5,4°C hingga 7,2°C dibandingkan jendela kaca biasa, sehingga dapat menghemat energi untuk pendingin ruangan.

Visibilitas prototype lapisan pelapis jendela
Visibilitas prototype lapisan pelapis jendela

Dalam era modern yang dipenuhi dengan tantangan terkait perubahan iklim dan peningkatan kesadaran akan pentingnya penghematan energi, inovasi dalam bidang sains dan teknologi menjadi semakin penting. Salah satu aspek yang terus berkembang adalah pengembangan material pintar yang dapat meningkatkan efisiensi energi dalam bangunan. Salah satu terobosan terbaru yang menjanjikan adalah pengembangan pelapis jendela berbasis fotonik yang mampu memblokir sinar ultraviolet (UV) dan inframerah sambil tetap mempertahankan transparansi terhadap cahaya tampak.

Material Cerdas Fotonik

Struktur PDMS dan PML material pelapis jendela
Struktur PDMS dan PML material pelapis jendela

Untuk mengembangkan material yang sesuai, peneliti menggunakan struktur yang disebut Planar Multilayered (PML). Struktur tersebut terdiri dari susunan lapisan tipis dengan indeks bias yang khas, memungkinkan transmisi dan refleksi cahaya secara selektif tergantung pada panjang gelombangnya. Dengan menggunakan PML, filter spektrum dapat dirancang untuk menghalau panas dengan merefleksikan sinar UV dan inframerah, sementara masih membiarkan cahaya tampak masuk. Penggunaan lapisan tipis polydimethylsiloxane (PDMS) pada permukaan PML berperan sebagai lapisan pendingin radiasi dengan memancarkan radiasi termal melalui atmosfer, yang menghasilkan penurunan suhu yang signifikan di dalam ruangan. Integrasi antara radiasi pendingin PDMS dan filter spektral PML ini telah menghasilkan peningkatan yang signifikan dalam penghematan energi. Dengan demikian, pelapis jendela ini tidak hanya dapat mengurangi beban pendinginan ruangan, tetapi juga dapat menghemat energi secara keseluruhan.

Pada stuktur PML digunakan silica substrate dengan 4 material dielektrik dengan indeks bias yang berbeda, memungkinkan perbedaan respon optik. 4 material dielektrik tersebut diantaranya SiO2, Si3N4, Al2O3, dan TiO2 yang masing2 diwakili vector biner. Kelebihan dari material ini dibandingkan pelapis tahan panas lainnya adalah kemampuan mempertahankan visibilitas sepanjang hari. Ketika temperature lingkungan cenderung tinggi di siang hari, sudut datang cahaya matahari vertical terhadap jendela sangat tinggi. Filter spectral umumnya di desain untuk cahaya datang dengan sudut kecil, menyebabkan berkurangnya visibilitas seiring kenaikan sudut datang Cahaya. Desain baru ini mempertimbangkan perubahan sudut datang cahaya terhadap jendela sekaligus mempertahankan seletivitas spectral untuk memantulkan ultraviolet (UV) dan inframerah meski temperature sekitar juga tinggi. Hal ini bertujuan menjaga temperature dalam ruang rendah sepanjang hari.

Baca juga: Chip Silikon-Fotonik Terbaru: Membuka Pintu Menuju Komputasi Kecerdasan Buatan dengan Kecepatan Cahaya (warstek.com)

Quantum Computing Sebagai Solusi Permasalahan Kompleks

Sistematika quantum annealing
Sistematika quantum annealing

Penggunaan pelapis jendela berbasis fotonik ini diharapkan dapat menjadi salah satu langkah penting dalam mendukung upaya untuk membangun bangunan yang lebih berkelanjutan dan hemat energi. Namun, pengembangan pelapis jendela berbasis fotonik juga menghadapi berbagai tantangan teknis. Salah satu tantangan utama adalah lebarnya pita frekuensi optik untuk cahaya matahari, yang mencakup rentang panjang gelombang yang luas (300 nm -2.500 nm) dan properti optic material sangat sensitif terhadap perubahan desain struktur. Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti menggunakan pendekatan inovatif yang melibatkan algoritma quantum-computing-assisted active learning. Melalui pendekatan ini, para peneliti dapat menentukan struktur optimal untuk mencapai sifat-sifat kompleks yang dibutuhkan.

Filter spektral yang ideal memiliki efisiensi transmisi cahaya tampak dan nol transmisi ultraviolet (UV) dan inframerah. Selain itu, emisi yang tinggi dari inframerah dengan rentang panjang gelombang yang luas (LWIR) harus dicapai untuk efek pendinginan radiasi, yang dapat diwujudkan dengan film PDMS tipis di bagian atas filter spektral. Berdasarkan quantum annealing, stuktur optimal untuk material filter terdiri dari PML dengan ketebalan 2mikron dan PDMS 41 mikron

Uji coba lapangan menunjukkan bahwa penggunaan pelapis jendela ini dapat menghasilkan penghematan energi pendinginan yang mencapai hingga 97,5 MJ/m² per tahun. Penggunaan struktur fotonik ini tidak hanya meningkatkan efisiensi energi secara signifikan tetapi juga menawarkan solusi yang praktis dan terskala untuk aplikasi di dunia nyata. Dengan terus mengembangkan pendekatan inovatif dan menggunakan teknologi seperti quantum annealing dan machine learning, kita dapat mencapai kemajuan yang lebih lanjut dalam pengembangan material cerdas untuk masa depan yang lebih hijau.

Referensi : “Wide-angle spectral filter for energy-saving windows designed by quantum annealing-enhanced active learning” by Seongmin Kim, Serang Jung, Alexandria Bobbitt, Eungkyu Lee and Tengfei Luo, 4 March 2024, Cell Reports Physical Science. DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101847

Tinggalkan Komentar

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *