Siapa bilang penelitian ilmiah itu membosankan dan jauh dari kehidupan sehari-hari? Mari kita selami dunia instrumentasi aerosol, sebuah bidang riset yang tidak hanya krusial untuk masa depan kita, tetapi juga menawarkan tantangan unik dan kepuasan luar biasa bagi para peneliti yang berani mandiri. Bayangkan, dengan riset ini, kita bisa memahami udara yang kita hirup, melindungi kesehatan, bahkan mengoptimalkan berbagai proses industri!
Mengapa Riset Instrumentasi Aerosol Ini Begitu Penting dan Menarik?
Udara di sekitar kita penuh dengan partikel-partikel kecil, yang sering kita sebut aerosol. Mulai dari debu, asap kendaraan, polutan industri, hingga bakteri/virus di udara, semuanya adalah aerosol. Partikel-partikel ini memiliki dampak besar pada kesehatan manusia, iklim global, dan berbagai aplikasi teknologi. Inilah mengapa kemampuan untuk menghasilkan, mengontrol, dan mengukur partikel-partikel ini menjadi sangat vital.
Riset yang kita bicarakan ini tidak hanya tentang teori, tetapi juga tentang solusi konkret yang mengubah cara kita berinteraksi dengan lingkungan. Bayangkan, kita bisa membuat masker yang jauh lebih efektif, sistem filtrasi udara yang lebih canggih di gedung-gedung atau kendaraan, bahkan memantau kualitas udara secara real-time dengan perangkat yang terjangkau. Ini bukan sekadar impian, ini adalah tujuan riset yang nyata!
Tingkat Kesulitan dan Keunikan Riset Ini: Sebuah Tantangan yang Menggiurkan
Membangun instrumentasi aerosol bukanlah pekerjaan mudah. Ini adalah arena bermain bagi mereka yang menyukai tantangan dan ingin berpikir di luar kotak. Salah satu kesulitan utama adalah sifat partikel aerosol itu sendiri: ukurannya yang sangat kecil (seringkali dalam skala nanometer) membuatnya sulit untuk ditangani dan diukur secara presisi. Kita tidak hanya berurusan dengan satu jenis partikel, tetapi berbagai ukuran, bentuk, dan komposisi, masing-masing dengan karakteristik uniknya sendiri.
Dalam bidang aerosol, riset ini termasuk dalam kategori kesulitan menengah. Artinya, ini bukan riset yang terlalu sederhana, tetapi juga tidak membutuhkan infrastruktur super mahal atau tim raksasa. Ini adalah lahan subur bagi para peneliti di Indonesia, terutama bagi mereka yang benar-benar memiliki semangat “ngoprek” – yaitu, suka membongkar, memahami, dan memodifikasi perangkat hingga berfungsi sesuai keinginan. Dengan ketekunan dan kreativitas, hasil luar biasa bisa dicapai.
Keunikan riset ini terletak pada kompleksitasnya yang multidisiplin. Kita tidak hanya perlu menguasai fisika aerosol, tetapi juga instrumentasi, elektronika, pemrograman, mekanika fluida, bahkan material. Contohnya, saat kita berusaha menetralkan partikel yang sangat bermuatan tinggi dari elektrospray, kita harus memahami perilaku ion positif dan negatif, serta bagaimana mereka berinteraksi dengan partikel untuk mengurangi muatan tanpa menghasilkan partikel baru yang tidak diinginkan. Ini seperti menari di antara berbagai disiplin ilmu, memastikan setiap langkah selaras untuk mencapai tujuan akhir.
Belum lagi tantangan dalam membangun alat ukur yang presisi. Saat kita mengembangkan Digital Pulse Analyzer (DPA) untuk Optical Particle Counter (OPC), kita harus memastikan bahwa alat kita tidak hanya bisa mendeteksi pulsa kecil dari partikel, tetapi juga membedakannya dari noise dan lonjakan tegangan yang mengganggu. Ini membutuhkan pemahaman mendalam tentang sinyal, kemampuan filtrasi digital, dan algoritma cerdas yang bisa memilah informasi relevan dari “sampah” data.
Pentingnya Kemandirian dalam Membangun Instrumentasi Aerosol
Di sinilah letak inti motivasi dan kekuatan riset ini: kemandirian dalam membangun instrumentasi. Instrumentasi aerosol komersial yang canggih seringkali sangat mahal dan sulit diakses, terutama di negara-negara dengan regulasi ketat terhadap bahan radioaktif yang sering digunakan dalam penetralisir aerosol. Bayangkan, satu alat bisa berharga ratusan juta hingga miliaran rupiah!
Kemandirian dalam membangun instrumentasi berarti kita tidak lagi terikat pada batasan finansial atau regulasi eksternal. Kita bisa merancang, membangun, dan mengoptimalkan sistem kita sendiri, seringkali dengan biaya yang jauh lebih rendah. Ini bukan hanya tentang penghematan, tetapi tentang kebebasan berinovasi.
Contoh nyata adalah pengembangan charger/neutralizer aerosol bipolar berbasis lucutan korona, yang berfungsi sebagai alternatif aman dan efektif pengganti sumber radioaktif. Atau, pengembangan sistem uji filter udara pribadi (PAFT) yang menggunakan sensor PM berbiaya rendah, memungkinkan siapa pun untuk menguji kualitas filter secara mandiri. Ini semua adalah bukti bahwa dengan kemandirian, kita bisa mendemokratisasi ilmu pengetahuan, membuatnya lebih mudah diakses dan relevan bagi lebih banyak orang.
Membangun instrumen sendiri juga memberikan pemahaman yang tak tertandingi tentang cara kerja setiap komponen, memungkinkan kita untuk melakukan troubleshooting dan adaptasi yang tidak mungkin dilakukan dengan perangkat “kotak hitam” komersial. Ini adalah perjalanan yang penuh dengan coba-coba, kegagalan, dan akhirnya, penemuan.
Perangkat Instrumentasi Aerosol Penting Penunjang Penelitian
Keberhasilan riset ini tidak lepas dari pengembangan dan pemanfaatan berbagai perangkat instrumentasi aerosol penting, beberapa di antaranya dibangun atau dimodifikasi secara mandiri:
- Long DMA (Differential Mobility Analyzer): Perangkat ini menjadi tulang punggung dalam mengukur distribusi mobilitas partikel, memisahkan partikel berdasarkan ukuran dan muatannya. Digunakan dalam sistem SMPS untuk mendapatkan distribusi ukuran yang presisi.
- FCE (Faraday Cup Electrometer) dengan Electrometer Resolusi 1 fA: Untuk mengukur konsentrasi ion dan partikel bermuatan dengan sangat sensitif, FCE digunakan bersama dengan elektrometer beresolusi tinggi hingga 1 femtoampere (fA). Resolusi ini krusial untuk mendeteksi arus yang sangat kecil yang dihasilkan oleh ion atau partikel bermuatan tunggal.
- Ion Counter: Perangkat ini secara spesifik dirancang untuk mengukur konsentrasi ion positif dan negatif yang dihasilkan oleh charger aerosol, memastikan keseimbangan ion yang tepat untuk netralisasi partikel.
- mini-cyDMA (Miniature Cylindrical Differential Mobility Analyzer): Sebuah versi ringkas dari DMA, mini-cyDMA memungkinkan pengukuran distribusi mobilitas ion dan partikel berukuran nanometer secara efisien.
- SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer): Sistem ini, yang mengintegrasikan DMA dan Condensation Particle Counter (CPC) atau FCE, sangat penting untuk mendapatkan distribusi ukuran partikel yang sangat akurat, bahkan hingga skala nanometer.
- Aerosol Generator: Berbagai jenis aerosol generator digunakan untuk menghasilkan partikel uji. Salah satunya adalah Elektrospray Aerosol Generator (EAG) yang dimanfaatkan untuk menghasilkan nanopartikel dengan muatan tinggi. Selain itu, atomisasi PSL (Polystyrene Latex) dan NaCl menggunakan jet atomizer juga menjadi metode standar untuk menghasilkan partikel uji.
Diskusi Hasil Utama Penelitian
Kelima artikel yang dibahas berikut ini menyajikan serangkaian hasil utama yang signifikan dalam pengembangan instrumentasi aerosol:
- Pembangunan Charger/Neutralizer Aerosol Bipolar Berbiaya Rendah dan Fleksibel (Saputra et al., 2022). Hasil utama dari penelitian ini adalah pengembangan charger/neutralizer MHM yang menggunakan modul ionizer komersial. Charger/neutralizer ini mampu mengatur produksi ion positif dan negatif secara independen melalui modulasi pulsa, dengan konsentrasi ion yang bergantung pada laju aliran udara. Charger/neutralizer MHM menghasilkan konsentrasi partikel baru yang lebih rendah dibandingkan dengan SMAC, menunjukkan pengurangan sputtering. Efisiensi charging intrinsik dan ekstrinsik mencapai masing-masing hingga 19% dan 41% pada 100 nm, dan cenderung meningkat seiring dengan peningkatan ukuran partikel. Charger/neutralizer MHM terbukti menjadi alternatif yang layak untuk charger/neutralizer aerosol berbasis radioaktif.
- Netralisasi Partikel Elektrospray yang Efisien dengan Dual NCD (Mustika et al., 2021). Penelitian ini berhasil mengembangkan dan mengoptimalkan lucutan korona jarum ganda (NCD) sebagai sumber ion bipolar untuk menetralkan partikel elektrospray (ES) yang sangat bermuatan. NCD ganda menghasilkan ion bipolar yang stabil dengan konsentrasi ion positif dan negatif yang seimbang. Partikel Polystyrene Latex (PSL) elektrospray (ES-PSL) bermuatan tinggi dengan ukuran lebih dari 100 nm berhasil dinetralkan. Lebih dari 80% partikel yang keluar dari generator aerosol elektrospray (EAG) ditemukan bermuatan positif. Tingkat transmisi EAG meningkat secara signifikan saat NCD ganda diaktifkan, membuktikan efektivitasnya dalam mengurangi deposisi partikel.
- Optimalisasi Throughput Partikel Bermuatan Tunggal dari EAG (Munir et al., 2022). Hasil utama dari studi ini adalah optimalisasi diameter lubang dan laju aliran udara pembawa untuk memaksimalkan produksi partikel elektrospray bermuatan tunggal. Ditemukan bahwa diameter lubang 10 mm dan laju aliran udara pembawa 1 L/menit memberikan throughput partikel bermuatan tunggal tertinggi. NTCC terbukti secara signifikan mengurangi partikel elektrospray bermuatan ganda hingga di bawah 10 muatan elementer. NTCC juga menunjukkan kinerja yang lebih unggul dibandingkan SMAC dalam mengurangi partikel bermuatan ganda.
- Pengembangan Digital Pulse Analyzer yang Serbaguna (Saputra et al., 2020). Penelitian ini berhasil mengembangkan Digital Pulse Analyzer (DPA) berbiaya rendah yang mampu secara serentak mengukur distribusi tinggi pulsa (PHD), distribusi lebar pulsa (PWD), dan distribusi waktu interval (ITD) dari sinyal Optical Particle Counter (OPC). Algoritma baru berbasis area pulsa terbukti efektif dalam membedakan partikel dari noise. DPA dapat mendeteksi sinyal OPC dengan lebar pulsa minimum 10 µs dan tinggi pulsa dalam rentang 20 mV hingga 1 V. Rentang pengukuran diameter partikel adalah 0,2-1 µm.
- Sistem Uji Filter Udara Pribadi yang Terjangkau dan Akurat (Hapidin et al., 2020). Hasil utama dari penelitian ini adalah pengembangan Personal Air Filter Test (PAFT) berbiaya rendah untuk mengukur penurunan tekanan filter, efisiensi, dan faktor kualitas filtrasi. Sensor PM yang digunakan terbukti memiliki respons linier terhadap konsentrasi jumlah partikel. Efisiensi filter yang diukur oleh PAFT menunjukkan kesesuaian yang baik (kesalahan rata-rata sekitar 2,5%) dengan instrumen referensi untuk partikel berukuran 216, 234, dan 303 nm. Namun, kinerja PAFT kurang optimal untuk partikel berukuran di bawah 163 nm. Sistem ini memiliki potensi besar untuk pemantauan kualitas filter real-time dan kontrol kualitas produk.
Daftar Referensi (untuk mempelajari lebih lanjut):
- C Saputra, AI Kamil, MM Munir*, A Waris and Novitrian, “The performance of an electrical ionizer as a bipolar aerosol charger for charging ultrafine particles”, Aerosol Science and Technology, Vol 56 (2022) 117-133 https://doi.org/10.1080/02786826.2021.1976719
- WS Mustika, DA Hapidin, C Saputra and MM Munir*, “Dual Needle Corona Discharge to Generate Stable Bipolar Ion for Neutralizing Electrosprayed Nanoparticles”, Advanced Powder Technology, Vol 32 (2021) 166-174, https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.11.026
- MM Munir*, WS Mustika, C Saputra, M Adrian, A Suhendi, “Optimizing Singly-Charged Electrosprayed Particle Throughput of an Electrospray Aerosol Generator Utilizing a Corona-based Charger”, Aerosol Science and Technology, Vol 56 (2022) 281-294 https://doi.org/10.1080/02786826.2021.2016596
- C Saputra, MM Munir*, A Waris, “Digital pulse analyzer for simultaneous measurement of pulse height, pulse width, and interval time on an optical particle counter”, Meas. Sci. Technol., Vol 31, (2020) 065901 https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab7167
- DA Hapidin, MM Munir*, Suprijadi, K Khairurrijal, “Development of a new personal air filter test system using a low-cost particulate matter (PM) sensor”, Aerosol Science and Technology, Vol 54, (2020) 203-216. https://doi.org/10.1080/02786826.2019.1678734