Reaksi Termonuklir sebagai Sumber Energi Matahari

Pendahuluan
Matahari yang setiap hari memancarkan sinarnya ke bumi dan juga ke planet-planet lain yang ada pada tatasurya kita, adalah sumber kehidupan bagi semua makhluk hidup yang ada di bumi ini. Pemancaran energi matahari yang sampai ke bumi telah berlangsung terus menerus sejak kurang lebih 5.000.000.000 tahun yang lalu dan akan terus berlangsung sampai waktu yang belum diketahui. Energi matahari yang seakan-akan tak akan habis tersebut, menarik untuk diamati karena sumber energi matahari tersebut ternyata berasal dari reaksi thermonuklir yang sangat dahsyat dan menghasilkan panas dalam orde jutaan derajat celcius. Oleh karena sumber energi matahari berasal dari reaksi thermonuklir, berarti energinya bisa berkurang dan pada akhirnya akan habis manakala reaktan yang terlibat dalam reaksi thermonuklir telah habis bereaksi. Apabila reaktan yang bereaksi telah habis, maka matahari akan padam dan ini berarti kematian bagi semua makhluk hidup yang ada di bumi ini. Tulisan ini akan membahas bagaimana reaksi thermonuklir bisa terjadi di matahari, berapa panas yang dihasilkannya dan kapan reaksi thermonuklir akan berhenti atau kapan matahari akan padam.

Suhu Matahari
Menurut para ahli astronomi modern yang mempelajari keberadaan bintang-bintang di jagat raya ini, matahari kita adalah salah satu bintang diantara 100.000.000 bintang yang ada pada suatu kelompok atau galaksi yang disebut dengan kelompok bintang "Milky Way". Matahari sebenarnya adalah suatu bintang yang besarnya termasuk rata-rata dibandingkan dengan ukuran bintang-bintang lainnya. Banyak bintang lainnya yang ukurannya jauh lebih besar dari pada ukuran matahari kita. Diameter matahari 1.400.000 kilometer yang berarti 100 kali diameter bumi. Gravitasi matahari lebih kuat dari pada gravitasi di bumi, yaitu 28 kali lebih kuat dari pada gravitasi bumi.

Cahaya bintangpun ada yang jauh lebih terang yang berarti suhunya juga jauh lebih panas dari pada suhu matahari kita. Matahari tampak sangat besar dibandingkan dengan bintang-bintang yang tersebar di jagat raya ini karena letaknya yang relatif sangat dekat dengan bumi, yaitu sekitar 150.000.000 kilometer. Bintang yang paling dekat dengan bumi adalah bintang Alpha Centauri yang jaraknya 40.000.000.000.000 kilometer dari bumi. Bagaimana kedudukan matahari terhadap bumi dan planet-planet lainnya dalam tata surya kita dapat dilihat pada Gambar 1. Matahari sebagai dapur nuklir menghasilkan panas yang sangat amat tinggi hasil dari reaksi thermonuklir yang terjadi di matahari. Suhu pada pusat matahari (pada inti) diperkirakan mencapai lebih dari 14.000.000 ºC, sedangkan suhu permukaannya relatif dingin, yaitu sekitar 5.000 - 6.000 ºC. Struktur matahari terdiri atas beberapa bagian, yaitu yang ada di pusat disebut "inti matahari", kemudian bagian antara inti matahari sampai dengan permukaan matahari disebut "photosphere". Pada permukaan terdapat bagian yang disebut dengan "sunspots" yang tampak lebih gelap, karena suhunya memang relatif lebih dingin dibandingkan dengan bagian lain. Sunspots bersuhu sekitar 4000 ºC, lebih dingin bila dibandingkan dengan suhu pada permukaan matahari, sehingga wajar bila tampak lebih gelap kalau dilihat dengan "coronagraph".

Atmosfer Matahari
Atmosfir matahari terletak di atas permukaan matahari yang sebagian besar berupa gas Hidrogen. Atmosfir matahari terdiri atas 2 bagian utama, yaitu "chromospher" dan "corona". Bagian chromosphere dapat mencapai ketebalan 12.000 kilometer dari permukaan matahari, sedangkan bagian corona tampak bagaikan mahkota berwarna putih yang melingkari matahari. Corona dapat mencapai ketinggian ratusan ribu bahkan dapat sampai jutaan kilometer dari permukaan matahari.

Suhu pada chromosphere dan pada corona sangat jauh berbeda. Chromosphere yang terletak pada permukaan matahari bersuhu kurang lebih 5.000 ºC, sedangkan suhu pada daerah corona dapat mencapai sekitar 10.000 - 100.000 ºC, atau bahkan dapat lebih tinggi lagi. Suhu corona yang jauh lebih panas dari pada suhu chromosphere, padahal letaknya lebih jauh dari inti matahari sempat menimbulkan pertanyaan diantara para ahli astronomi dan astrofisika. Suhu yang lebih tinggi pada bagian corona ternyata disebabkan karena adanya "kejutan gelombang yang sangat kuat" yang berasal dari gerakan turbulen photosphere yang memanaskan lapisan gas pada corona. Selain dari itu, pada permukaan chromosphere sering terjadi lidah api akibat letusan ataupun ledakan gas yang ada pada permukaan chromosphere. Letusan atau ledakan yang menimbulkan lidah api ini sering disebut dengan "prominence". Lidah api ini dapat mencapai ketinggian ratusan ribu kilometer dari permukaan chromosphere. Prominence ini dapat dilihat jelas pada saat terjadi gerhana matahari total.

Peristiwa lain yang terjadi pada permukaan chromosphere adalah timbulnya filament gas akibat gerakan gas chromosphere yang panas. Filament gas ini tampak pada permukaan chromosphere sebagai sel-sel kasar yang disebut "supergranulation". Peristiwa-peristiwa tersebut di atas terjadi silih berganti yang menyebebkan timbulnya "plage" dan "flare". Plage adalah keadaan matahari pada saat panas dan bercahaya terang. Sedangkan flare adalah semburan energi tinggi dari permukaan matahari, berupa radiasi partikel sub atomik. Radiasi partikel sub atomik ini dapat sampai ke atmosfir bumi dan memicu terjadinya reaksi inti yang merupakan sumber radiaasi kosmogenis.

Reaksi Thermonuklir
Sudah sejak lama orang memikirkan dari mana asal energi matahari yang begitu panas dan setiap hari dipancarkan ke bumi, namun sampai saat ini belum juga habis sumber energi tersebut. Sampai dengan pertengahan abad ke 19, pada saat orang belum mengenal reaksi nuklir, orang masih menganggap bahwa energi matahari berasal dari bola api besar yang sangat panas. Kalau benar bahwa matahari berasal dari bola api besar, lantas timbul pertanyaan apa yang menjadi bahan bakar bola api tersebut? Para ilmuwan pada saat itu belum bisa menjawab dengan tepat. Mungkinkah kayu, batubara, minyak atau bahan bakar lainnya yang terdapat di matahari yang dibakar berdasarkan reaksi kimia biasa sehingga timbul bola api besar tersebut? Kalau benar bahan-bahan tersebut dibakar untuk menghasilkan energi matahari, maka berdasarkan perhitungan reaksi kimia, energi yang dihasilkan hanya dapat bertahan beberapa ribu tahun saja. Setelah itu matahari akan padam. Padahal matahari telah memancarkan energinya sejak ratusan juta bahkan orde milyard tahun yang lalu. Dengan demikian maka anggapan bahwa sumber energi matahari tersebut berasal dari kayu, batubara, minyak atau bahan bakar lainnya adalah tidak benar. Para ahli astronomi dan juga astrofisika pada saat ini telah memperkirakan bahwa unsur-unsur kimia yang ada di bumi juga terdapat di matahari. Akan tetapi sebagian besar unsur kimia yang terdapat di matahari tersebut, sekitar 80% berupa gas Hidrogen. Sedangkan unsur kedua yang banyak terdapat di matahari adalah gas Helium, kurang lebih sebanyak 19 % dari seluruh massa matahari. Sisanya yang 1 % terdiri atas unsur-unsur Oksigen, Magnesium, Nitrogen, Silikon, Karbon, Belerang, Besi, Sodium, Kalsium, Nikel serta beberapa unsur lainnya. Unsur-unsur kimia tersebut bercampur menjadi satu dalam bentuk gas sub atomik yang terdiri atas inti atom, elektron, proton, neutron dan positron. Gas sub atomik tersebut memancarkan energi yang amat sangat panas yang disebut "plasma". Energi matahari dipancarkan ke bumi dalam berbagai macam bentuk gelombang elektromagnetis, mulai dari gelombang radio yang panjang maupun yang pendek, gelombang sinar infra merah, gelombang sinar tampak, gelombang sinar ultra ungu dan gelombang sinar -x. Secara visual yang dapat ditangkap oleh indera mata adalah sinar tampak, sedangkan sinar infra merah terasa sebagai panas. Bentuk gelombang elektromagnetis lainnya hanya dapat ditangkap dengan bantuan peralatan khusus, seperti detektor nuklir berikut piranti lainnya. Pada saat matahari mengalami plage yang mengeluarkan energi amat sangat panas, kemudian diikuti terjadinya flare yaitu semburan partikel sub atomik keluar dari matahari menuju ke ruang angkasa, maka pada sistem matahari diperkirakan telah terjadi suatu reaksi thermonuklir yang sangat dahsyat. Keadaan ini diduga pertama kali pada tahun 1939 oleh seorang ahli fisika Amerika keturunan Jerman bernama Hans Bethe. Menurut Bethe, energi matahari yang amat sangat panas tersebut disebabkan oleh karena terjadi reaksi fusi atau penggabungan inti ringan menjadi inti yang lebih berat. Reaksi thermonuklir yang berupa reaksi fusi tersebut adalah penggabungan 4 inti Hidrogen menjadi inti Helium, berdasarkan persamaan reaksi inti berikut ini:

(H1 + H1 -> H2 + Beta+ + v + 0,42 MeV) x 2
(H1 + H2 -> He3 + Gamma + 5,5 MeV) x 2
He3 + He3 -> He4 + 2H1 + 12,8 MeV
---------------------------------------- +
H1 -> He4 + 2Beta+ + 2Gamma + 2v + 24,64 MeV

Menurut Bethe, reaksi inti yang serupa reaksi fusi tersebut di atas, dapat menghasilkan energi panas yang amat sangat dahsyat. Selain dari itu, karena sebagian besar massa matahari tersebut tersusun oleh gas Hidrogen (80%) dan gas Helium (19%), maka masih ada kemungkinan terjadinya reaksi fusi lain berdasarkan reaksi rantai proton-proton sebagai berikut:

H1 + H1 -> H2 + Beta+ + v
H1 + H2 -> He3 + Gamma
He3 + He4 -> Be7 + Gamma
Be7 + Beta+ -> Li7 + Gamma + v
------------------------------------ +
Li7 + H1 -> He4 + He4

Terbentuknya gas Helium berdasarkan reaksi thermonuklir tersebut di atas juga menghasilkan energi yang amat sangat panas. Kemungkinan lain, gas Helium juga dapat terbentuk melalui reaksi nuklir berikut ini :

Be7 + H1 -> B8 + Gamma
B8 -> Be8 + Beta+ + v
Be8 -> He4 + He4

Walaupun reaksi inti tersebut di atas sudah dapat menghasilkan energi yang amat sangat panas, ternyata masih ada kemungkinan lain untuk terjadinya reaksi thermonuklir matahari yang menghasilkan energi yang jauh lebih dahsyat dan lebih panas lagi. Reaksi thermonuklir tersebut akan mengikuti reaksi inti rantai Karbon - Nitrogen sebagai berikut :

C12 + H1 -> N13 + Gamma
N13 -> C13 + Beta+ + v
C13 + H1 -> N14 + Gamma
N14 + H1 -> O15 + Gamma
O15 -> N15 + Beta+ + v
N15 + H1 -> C12 + He4

Reaksi ratai Karbon - Nitrogen tersebut di atas, menghasilkan panas yang jauh lebih panas dari pada reaksi rantai Proton - Proton maupun reaksi fusi Hidrogen menjadi Helium. Reaksi-reaksi thermonuklir tersebut di atas dapat terjadi di matahari dan juga di bintang-bintang yang tersebar di jagat raya ini. Reaksi thermonuklir sejauh ini dianggap sebagai sumber energi matahari maupun energi bintang. Bintang yang bersinar lebih terang dari pada matahari kita yang berarti pula bahwa suhunya jauh lebih panas, maka reaksi thermonuklir yang terjadi pada bintang tersebut pada umumnya akan mengikuti reaksi rantai Karbon - Nitrogen.

Kapan Matahari Akan Padam?
Pertanyaan kapan matahari akan padam adalah suatu pertanyaan yang sulit dijawab dengan pasti, apalagi kalau harus membuktikan kebenarannya. Namun sama halnya dengan keingintahuan manusia untuk mengetahui berapa umur bumi atau kapan terbentuknya bumi ini, maka para ahlipun berusaha dengan akalnya untuk memperkirakan kapan matahari akan padam. Seperti telah diterangkan di muka, bahwa matahari akan padam manakala reaksi thermonuklir di matahari telah berhenti. Apabila matahari padam, maka kehidupan di muka bumi akan berhenti. Secara empiris telah dapat dibuktikan bahwa ada bintang yang pada mulanya bersinar terang, akan tetapi kemudian sinarnya makin redup dan akhirnya padam. Keadaan ini telah direkam oleh teleskop angkasa luar hubble. Atas dasar ini maka dapat saja matahari pada suatu saat akan padam. Seorang fisikawan Jerman, Hermann von Helmholtz, pada tahun 1825 mengamati perkembangan matahari yang ternyata diameter matahari setiap tahunnya menyusut 85 m. Kalau pengamatan Helmholtz benar, maka berdasarkan perhitungan penyusutan diameter matahari, umur matahari hanya akan bertahan untuk waktu 20.000.000 sampai dengan 25.000.000 tahun sejak matahari mengalami penyusutan. Untuk kurun waktu itu, teori Helmholtz ini cukup memuaskan para ilmuwan, sebelum akhirnya digugurkan oleh teori reaksi thermonuklir yang masih bertahan sampai saat ini. Atas dasar teori thermonuklir sudah barang tentu teori Helmholtz menjadi tidak benar, karena dalam kenyataannya matahari telah bersinar sejak orde 5.000.000.000 tahun yang lalu atau bahkan lebih dari itu, suatu umur yang melebihi perkiraan Helmholtz. Reaksi thermonuklir yang dikemukakan oleh Hans Bethe seperti yang telah diuraikan di muka, sebenarnya mirip dengan reaksi kimia konvensional dalam arti bahwa reaksi masih dapat berlangsung selama masih tersedia unsur atau reaktan yang menyebabkan terjadinya proses reaksi thermonuklir tersebut. Pada reaksi thermonuklir yang terjadi di matahari, sebagai reaktan utama adalah gas Hidrogen. Para ahli astronomi dan astrofisika berpendapat bahwa dengan bertambahnya umur matahari, maka pemakaian Hidrogen untuk reaksi thermonuklir dalam rangka mendapatkan energi yang amat sangat panas makin bertambah. Pada peristiwa ini energi yang dihasilkan oleh reaksi thermonuklir juga bertambah, sehingga energi radiasi yang dipancarkan matahari juga bertambah. Hal ini berarti pula suhu atmosfir bumi akan naik dan bumi akan terasa makin panas.

Apabila pendapat para ahli astronomi dan astrofisika tersebut benar, yaitu dengan bertambahnya umur matahari akan membuat persediaan gas Hidrogen pada permukaan matahari berkurang, maka jelas bahwa cepat atau lambat matahari pada akhirnya akan padam. Berdasarkan teori ini energi radiasi matahari diperkirakan masih dapat bertahan untuk jangka waktu kurang lebih 10.000.000.000 tahun lagi, setelah itu matahari padam. Contohnya adanya bintang yang pada saat ini sedang dalam proses menuju ke keadaan padam, telah dapat direkam gambarnya oleh teleskop ruang angkasa Hublle. Hal ini secara empiris menunjukkan kemungkinan yang sama dapat terjadi pada matahari kita. Namu apa yang terjadi akan terjadi sebelum waku 10.000.000.000. tahun tersebut terjadi? Secara teori dalam perjalanan menuju waktu 10.000.000.000. tersebut, suhu atmosfir bumi akan naik terus karena energi radiasi yang datang dari matahari bertambah panas. Keadaan ini akan menyebabkan es yang ada di kutub utara dan selatan akan mencair yang mengakibatkan tenggelammnya beberapa daratan atau garis pantai akan bergeser ke arah daratan. Kota-kota yang berada di pantai akan tenggelam. Ini baru merupakan bencana awal bagi kehidupan manusia di muka bumi ini. Bencana berikutnya adalah menguapnya semua air yang ada di bumi ini, karena suhu atmosfir bumi makin panas yang pada akhirnya tidak ada lagi air di muka bumi ini. Bumi yang menjadin kering kerontang tanpa air sama sekali dan suhunya yang panas menyebabkan berakhirnya kehidupan di muka bumi ini. Keadaan ini aka terjadi menjelang waktu mendekati 10.000.000.000 tahun yang akan datang.

Pada saat matahari kehabisan reaktan gas Hidrogen, maka reaksi thermonuklir benar-benar akan berhenti dan ini berarti matahari padam. Matahari yang telah padam ini akan mengeci;l (menyusust) menjadi suatu planet kecil yang dingin membeku yang disebut "White dwarf" atau si kerdil putih yang bukan matahari lagi! Contoh bintang atau planet yang sudah menjadi "white dwarf" di jagat raya ini cukup banyak, salah satunya planet bintang yang pada saat ini sedang menuju kematian seperti yang direkam oleh teleskop ruang angkasa Hubble. Sekali lagi keadaan tersebut akan terjadi 10.000.000.000 tahun yang akan datang. Keterangan ini merupakan jawaban untuk pertanyaan kapan reaksi thermonuklir di matahari berhenti atau matahari padam.

Daftar Acuan :
1. Wisnu Arya Wardhana, 1996, radioekologi, Andi Offset, Yogyakarta.
2. Wisnu Arya Wardhana, 2000, Energi Via Satelite Sebuah gagasan untuk Abab 21, Majalah Energi Edisi No. 7, Yogyakarta.
3. Wisnu Arya Wardhana, 2000, Matahri sebagai Sumber Energi, bahan Ceramah Siaran Interaktif Khasanah Iptek, Radio Bikima, Yogyakarta
4. Kaplan, Irving, 1979, Nuclear Physiscs, Addison Wesle Inc, London>
5. The Sun , 1982, New Book Of Popular Science, Volume II, Grolier Inc, USA.
6. Glasstone, Samuel, 1971, Source Book on Atomic Energy, Van Nostrand, New Jersey.
http://www.elektroindonesia.com/elektro/ener31a.html