[caption caption="Penjelajahan Luar Angkasa New Horizons"][/caption]
Hingga tahun 2002 gambar Pluto masih berupa citra buram dari satelit luar angkasa Hubble yang didukung dengan pemrosesan citra oleh komputer. Pluto adalah satu-satunya planet yang belum memiliki gambar yang jelas. Hal ini mendorong para peneliti dan insinyur untuk melakukan penjelajahan luar angkasa; melihat Pluto lebih dekat. Wahana antariksa pada umumnya memanfaatkan sel surya untuk memenuhi kebutuhan energi mereka. Cahaya matahari dengan efek fotolistrik diubah menjadi listrik untuk mengoperasikan perlengkapan elektrik pada wahana antariksa. Namun, sel surya menjadi tak berdaya ketika penjelajahan luar angkasa menjauhi matahari dilakukan. Pada jarak 32.6 AU (4.89 miliar kilometer), jarak Pluto ke matahari, matahari tak ubahnya dengan bintang-bintang lain di galaksi. Tidak menghangatkan. Mungkin hanya tampak seperti bintang ufuk, Venus.
[caption caption="Perbandingan citra Pluto tahun 2002 dan 2015"]
Pada Januari 2006, wahana New Horizons diluncurkan oleh Atlas V dengan kecepatan awal ketika keluar dari bumi 16.26 km/detik. Wahana seberat 478 kg itu dibekali dengan 7 instrumen penelitian : 3 instrumen optik, 2 instrumen plasma, 1 sensor debu, dan 1 radiometer. Instrumen tersebut digunakan untuk menginvestigasi geologi, temperatur dan komposisi permukaan, tekanan dan suhu atmosfer, serta escape rate Pluto. Rata-rata tiap instrumen membutuhkan daya sebesar 10 watt. Sehingga New Horizons membutuhkan paling tidak 100 watt daya listrik. Tentu saja sel surya tidak dapat memenuhi kebutuhan energi untuk misi luar angkasa tersebut selama paling tidak 83220 jam. Belum lagi pemanas agar instrumen penelitian berada dalam suhu operasi yang dibutuhkan.
Secara umum terdapat tiga "energi" yang dimanfaatkan New Horizons untuk menjelajah luar angkasa : Gravity Assist (Gravitational Slingshot), Hydrazine Thruster, dan Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG).
Gravitational Assist : Mencuri dari Jupiter
Luar angkasa merupakan ruang hampa di mana hukum aeordinamik di bumi tidak berlaku. Benda yang melayang dengan kelajuan v akan tetap melaju dengan kelajuan v sepanjang waktu. Dalam kondisi ini gravitasi lah yang bermain-main dengan kelajuan benda; memperlambat atau mempercepat. Jika wahana luar angkasa melintasi lintasan dan keluar dari lintasan yang tepat pada saat yang tepat, wahana tersebut akan terlempar oleh gravitasi planet dengan kelajuan yang bertambah. Jika berada pada lintasan yang salah, membelakangi planet sumber gravitasi, justru kecepatan wahana tersebut akan berkurang drastis. Hal ini disebut gravitational slingshot. Gravitational slingshot ini dimanfaatkan untuk pergi dan pulang dari penjelajahan. Wahana tidak melintas pada lintasan yang lurus, tetapi lintasan yang melengkung. Gravitasi menarik dan memutar vektor kecepatan wahana, sehingga lintasan melengkung. Oleh karena hal ini, interaksi wahana dengan gravitasi planet dianggap sebagai fenomena tumbukan elastisitas sempurna, walaupun pada kenyataannya tidak ada tumbukan antara keduanya.
Elastisitas sempurna tersebut membawa konsekuensi jumlah momentum wahana dan planet, sebelum dan sesudah "tumbukan", sama. Wahana dapat melaju bahkan lebih dari dua kali kecepatan mula-mula. Analogi yang sering digunakan untuk menjelaskan penambahan kecepatan ini adalah bola tenis dan kereta api. Bayangkan Anda berdiri di pinggir rel kereta dan melemparkan bola tenis dengan kecepatan 30 km/jam berlawanan dengan kereta yang melaju dengan kecepatan 50 km/jam. Masinis akan menganggap bola mendekat dengan kecepatan 80 km/jam dan bola memantul kereta dengan kecepatan 80 km/jam. Menurut acuan pelempar bola yang diam bola terpantul dengan kecepatan 130 km/jam. Dengan asumsi bola memantul elastis sempurna, hal ini secara sederhana dijelaskan dengan persamaan berikut,
[caption caption="Persamaan elastisitas sempurna"]
dengan v sebagai kecepatan bola sebelum tumbukan , v' sebagai kecepatan bola setelah tumbukan, dan W sebagai kecepatan kereta. Dari persamaan (5) dapat dibuktikan bahwa kecepatan bola bertambah dua kali lipat kecepatan kereta.
[caption caption="Lintasan Pioner 10 dan 11 akibat slingshot"]
Desember 1973, wahana luar angkasa Pioneer 10 menghadapi kondisi yang hampir sama. Pioneer 10 menghadapi Jupiter untuk memperoleh gravitational assist. Pioneer 10 melaju dengan kecepatan 9.8 km/detik relatif terhadap matahari. Jupiter melaju dengan kecepatan 13.5 km/detik. Setelah terlempar dari Jupiter, Pioneer 10 bertambah cepat menjadi 22.4 km/detik. Berdasarkan fisika Newtonian, konservasi energi kinetik berlaku. Hukum II dan III Newton berlaku. Misalkan m menotasikan massa Pioneer 10 sebesar 260 kg dan M massa Jupiter sebesar 300 kali massa bumi yaitu 19,000,000,000,000,000,000,000,000,000 kg.
[caption caption="Mencuri dari Jupiter"]
Dari persamaan di atas, sesungguhnya akibat gravitational slingshot ini, kecepatan Jupiter berkurang sebesar 2.1 per triliun triliun kilometer per detik. Pioneer 10 benar-benar telah mencuri dari Jupiter. Tentu tidak hanya Jupiter, tapi juga planet lain.
Hydrazine Thruster : Sebuah Ledakan Spontan
[caption caption="16 Penggerak New Horizons"]
Walaupun telah memanfaatkan gravitasi untuk menjelajah antariksa, wahana luar angkasa masih memerlukan roket pendorong (thruster). Tidak untuk mempercepat, tapi untuk menempatkan wahana pada lintasan yang tepat. New Horizons sendiri dilengkapi dengan 16 thruster dengan kapasitas 76.84 kg hydrazine untuk membantu memposisikan pada lintasannya. Ya, thruster yang populer digunakan adalah hydrazine thuster. Hydrazine (N2H4) pertama kali digunakan sebagai bahan bakar roket pada perang dunia ke 2 oleh Jerman. Reaksi hydrazine menghasilkan gaya dorong yang sangat hebat atau dengan kata lain memiliki energy density yang tinggi. Hydrazine thruster mampu memberi gaya dorong hingga 4000 N.
[caption caption="1,1-dimethylhydrazine atau Unsymmetrical Dimethyl Hydrazine"]
Hydrazine kini tidak lagi digunakan, namun diganti dengan turunannya yaitu UDMH (1,1-dimethylhydrazine atau Unsymmetrical Dimethyl Hydrazine). Kelebihan UDMH adalah dalam hal penyimpanan. UDMH memiliki titik didih 63 derajat Celcius. Dengan keadaan ruang angkasa yang dingin, penyimpanan UDMH tentu akan mudah karena berada dalam kondisi cair; tidak memerlukan pengondisian temperatur yang rumit. Untuk menghasilkan ledakan UDMH biasa dicampur dengan nitrogen tetraoksida (N2O4). Ledakan akan spontan terjadi begitu keduanya bertemu tanpa memerlukan pemantik api maupun oksigen. Reaksi ini dalam dunia kimia disebut dengan hypergolic reaction. Reaksi ini merupakan reaksi eksotermis dan menghasilkan gas panas dengan reaksi kimia kira-kira seperti berikut,
[caption caption="Baju Pengaman Ketika Berurusan dengan Hydrazine"]
Walaupun begitu, Hydrazine maupun UDMH/N2O4 sangatlah beracun, mudah terbakar, mudah meledak, dan bersifat korosif. Penanganannya perlu sangat cermat dengan prosedur yang ketat. Gas dan uap air yang dihasilkan dari reaksi hypergolic pun dapat bereaksi menjadi asam. Harga hydrazine terbilang mahal, bukan karena nilai intrinsiknya, namun karena pengondisian cermat yang diperlukan. Namun, bila dibandingkan dengan nilai keseluruhan wahana antariksa, terbilang cukup "murah".
Radioisotope Thermoelectric Generator
[caption caption="Radioisotope Thermoelectric Generator"]
[caption caption="Diagram RTG pada Cassini Probe"]
Energi listrik New Horizons diperoleh dari generator termoelektrik radioisotop plutonium. Plutonium pada New Horizons seberat 11 kilogram, hampir setara dengan dua kali lebih berat bom atom Nagasaki (Fat Man 4.67 kg). Tidak seperti reaksi fisi pada bom atom, RTG menghasilkan listrik dari peluruhan radioaktif plutonium dioksida (PuO2) yang menghasilkan sangat banyak panas. Panas dari radiasi ditangkap oleh susunan termokopel yang mengonversi panas menjadi listrik.
Plutonium-238 memiliki waku paruh 87.7 tahun dengan energy density 0.54 watt per gram. RTG New Horizons menghasilkan daya sebesar 245 watt dengan disipasi 3.5 watt per tahun. Tidak seperti wahana antariksa lain, New Horizons hanya menggunakan RTG tanpa baterai maupun penyimpan energi apapun. Sebuah teknologi cemerlang yang sangat cocok digunakan dalam penjelajahan antariksa bertahun-tahun. Teknologi ini juga dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik ramah lingkungan di bumi menggantikan pembangkit listrik batu bara.
Referensi :
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/New_Horizons
[2] http://pluto.jhuapl.edu/Mission/Spacecraft/Systems-and-Components.php
[3] https://nurhidayatimajidah.wordpress.com/2010/11/02/tumbukan/
[4] http://www2.jpl.nasa.gov/basics/grav/primer.php
[5] http://www.webassign.net/question_assets/buelemphys1/chapter07/section07dash5.pdf
[6] James A. Van Allen,"Gravitational assist in celestial mechanics—a tutorial", Am. J. Phys. 71 ͑5͒, (2003)
[7] http://spectrum.ieee.org/aerospace/astrophysics/finding-the-source-of-the-pioneer-anomaly
[9] https://answers.yahoo.com/question/index?qid=20130319184933AArdvZG
[10] https://www.rocket.com/propulsion-systems/monopropellant-rockets
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrazine
[12] http://www.astronautix.com/props/hydazine.htm
[13] Stewart S. Bushman,"In–Space Performance of New Horizons’ Propulsion System", CPIAC Bulletin Vol.34 no.1 (2008)
[14] Makled A.E., Belal H.,"Modelling of Hydrazine Decomposition for Monopropellant Thrusters", Aerospace Science and Aviation Technology 13th (2009)
[15] https://www.youtube.com/watch?v=498pOIm8Qbc
[16] https://www.youtube.com/watch?v=bin_W1xVPfY
[18] https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator#238Pu
[19] http://pluto.jhuapl.edu/Mission/Spacecraft/Systems-and-Components.php
Author : Tirtadwipa Manunggal
Baca konten-konten menarik Kompasiana langsung dari smartphone kamu. Follow channel WhatsApp Kompasiana sekarang di sini: https://whatsapp.com/channel/0029VaYjYaL4Spk7WflFYJ2H
