Zarah Kecil yang Membantu Pembakaran Bahan Api Penerbangan Lestari

Penulis : Dr. Nurul Musfirah Mazlan

Pensyarah Pusat Pengajian Kejuruteraan Aeroangkasa,
Kampus Kejuruteraan Tuanku Syed Sirajuddin,  Universiti Sains Malaysia

Pengangkutan merupakan sektor yang menjadi nadi utama dalam pembangunan ekonomi sesebuah negara. Di Malaysia, sektor pengangkutan udara merupakan penyumbang utama kepada pertumbuhan ekonomi melalui sektor pelancongan, perdagangan antarabangsa dan pelaburan asing, di samping mengukuhkan kedudukan negara sebagai hab penerbangan serantau. Justeru, kecekapan sistem pengangkutan udara adalah penting turut bagi meningkatkan daya saing ekonomi negara di peringkat global.

Umum mengetahui bahawa industri penerbangan bergantung sepenuhnya kepada bahan api berasaskan fosil seperti Jet-A dan Jet-A1. Pembakaran bahan api fosil menghasilkan pelbagai gas beracun dan pelepasan gas rumah hijau antaranya karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO₂), nitrogen oksida (NOx), asap dan jelaga. Natijahnya, dalam usaha menjadikan negara sebagai hab penerbangan serantau, sektor penerbangan secara tidak langsung menyumbang kepada pelepasan gas rumah hijau yang tinggi dan penggunaan bahan api fosil turut menyumbang kepada penyusutan sumber tidak boleh diperbaharui ini.

Sehubungan itu, penggunaan bahan api penerbangan lestari (Sustainable Aviation Fuel, SAF) dilihat sebagai salah satu pendekatan utama bagi mengurangkan kebergantungan terhadap bahan api fosil seterusnya mengurangkan penghasilan gas beracun. SAF merupakan bahan api hidrokarbon sintetik atau bio yang dihasilkan melalui teknologi seperti Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA), Fischer–Tropsch (FT) dan Alcohol-To-Jet (ATJ). Jatropha, Camelia, dan minyak masak terpakai adalah merupakan antara sumber yang digunakan dalam penghasilan SAF.

Kajian mendapati penghasilan NOx dan jelaga yang dihasilkan melalui SAF adalah 75.9% dan 50.3% lebih rendah berbanding Jet-A [1]. Namun demikian, SAF yang dihasilkan mempunyai ketumpatan tenaga yang lemah seterusnya mengurangkan kecekapan proses pembakaran. Bagi mengatasi isu ini, ASTM D7566 iaitu sebuah piawaian antarabangsa menetapkan bahawa penggunaan bahan api penerbangan lestari (SAF) di dalam enjin kapal terbang hanya dibenarkan secara “drop-in”, iaitu dicampur dengan bahan api Jet-A pada kadar tidak melebihi 50% tanpa memerlukan pengubahsuaian enjin. Oleh hal yang demikian, penambahbaikan sifat kimia SAF adalah penting bagi meningkatkan kadar peratusan penggunaan SAF dalam enjin pesawat, seterusnya membantu industri ini dalam memenuhi sasaran global untuk mencapai pelepasan karbon sifar bersih menjelang tahun 2050.

Zarah bersaiz Nano Membantu Pembakaran Bahan Api Lestari (SAF)

Zarah bersaiz nano (nanopartikel) merupakan teknologi baru yang menjadi semakin relevan dan membuka ruang kepada penerokaan ilmu baharu. Nanopartikel ditakrifkan sebagai zarah bersaiz antara 1 hingga 100 nanometer yang mempunyai nisbah luas permukaan kepada isipadu yang tinggi. Nanopartikel dihasilkan daripada pelbagai jenis bahan, termasuk karbon, logam, oksida logam dan sebatian organik. Nanopartikel wujud dalam pelbagai bentuk antaranya sfera, tiub, gentian dan kepingan. Sifat unik nanopartikel, yang berbeza daripada bahan pukal, terhasil daripada saiznya yang sangat kecil, nisbah luas permukaan kepada isipadu yang tinggi, serta keupayaan untuk mengubah suai ciri fizik dan kimianya. Lazimnya nanopartikel wujud dalam sifar dimensi (0D), satu dimensi (1D), dua dimensi (2D) dan tiga dimensi (3D).

Teknologi nanopartikel dalam bidang komunikasi, elektronik, biologi dan perubatan telah menjadi titik tolak kepada kajian mengenai potensi zarah ini dalam menambahbaik ciri SAF seterusnya meningkatkan kecekapan proses pembakaran oleh enjin kapal terbang. Penggunaan nanopartikel seperti aluminium oksida (Al₂O₃) dan magnesium oksida (MgO), sebagai bahan tambah dalam SAF dapat menambahbaik sifat kimia SAF serta prestasi enjin pesawat. Al₂O₃ dan MgO tergolong dalam kumpulan oksida logam, mempunyai kestabilan terma yang baik, kos yang relatif rendah serta mudah diperoleh. Penambahan nanopartikel ini berpotensi meningkatkan pemindahan haba dan mempercepatkan tindak balas kimia pembakaran.

Kestabilan Nanopartikel dalam SAF

Salah satu cabaran utama penggunaan nanopartikel sebagai bahan tambah dalam bahan api pesawat ialah kestabilannya dalam medium cecair. Nanopartikel cenderung untuk bergumpal dan mendap akibat daya tarikan yang wujud antara zarah. Keadaan ini boleh mengurangkan keberkesanan nanopartikel serta meningkatkan risiko penyumbatan sistem pembakaran enjin, khususnya pada penyuntik bahan api.

Kestabilan nanopartikel diukur secara visual, pengukuran kadar pemendapan dan pengukuran potensi zeta. Nilai zeta yang tinggi iaitu melebih ±60mV menunjukkan daya tolakan elektrostatik yang kuat antara zarah, sekali gus menandakan kestabilan suspensi yang lebih baik. Manakala nilai zeta lebih rendah daripada ±30mV menunjukkan keadaan sampel yang tidak stabil kerana berlakunya mendapan dan gumpalan.

Walaubagaimanapun, kestabilan nanopartikel dalam SAF mampu ditingkatkan melalui bahan surfaktan seperti sorbitan monooleat (SPAN 80). Kajian menunjukkan bahawa Al₂O₃ dan MgO menunjukkan ciri-ciri tidak stabil selepas 5 jam pemerhatian. Namun begitu nanopartikel Al₂O₃ mengambil masa lebih lama untuk mendap berbanding MgO menunjukkan kestabilan Al₂O₃ yang lebih baik di dalam SAF.

Kesan terhadap Sifat Bahan Api dan Prestasi Enjin Pesawat

Nanopartikel didapati mempengaruhi beberapa sifat penting SAF seperti nisbah hidrogen kepada karbon (H/C), nilai haba pembakaran dan ketumpatan. Peningkatan nisbah H/C menyumbang kepada nilai haba pembakaran yang lebih tinggi, sekali gus meningkatkan potensi penghasilan daya tujahan. Walaupun ketumpatan SAF menurun dan berada sedikit rendah di bawah julat piawaian ASTM D7566, peningkatan nilai haba pembakaran dapat mengimbangi kesan tersebut dan menyumbang kepada kecekapan enjin yang lebih baik. Al₂O₃ menunjukkan prestasi yang lebih baik berbanding MgO dengan peningkatan daya tujahan sebanyak 4.4% berbanding daya tujahan yang dihasilkan oleh Jet-A. Peningkatan ini adalah kesan daripada peningkatan nilai haba pembakaran (LHV) sebanyak 5.5%.

Implikasi terhadap Alam Sekitar dan Industri Penerbangan

SAF yang ditambah nanopartikel berpotensi meningkatkan prestasi enjin serta mengurangkan impak alam sekitar melalui peningkatan kecekapan pembakaran dan pengurangan pelepasan karbon dioksida per unit daya tujahan, sekali gus menyokong usaha penyahkarbonan sektor penerbangan menjelang 2050. Di samping itu, penggunaan SAF yang dihasilkan daripada minyak masak terpakai menyokong konsep kitaran ekonomi dan pengurusan sisa yang lebih mampan. Penggabungan teknologi nanopartikel dengan SAF boleh meningkatkan kebolehlaksanaan SAF untuk digunakan pada kadar campuran yang lebih tinggi, sekali gus mengurangkan kebergantungan terhadap bahan api fosil.

Cabaran

Terdapat beberapa cabaran yang masih perlu ditangani sebelum aplikasi berskala besar dapat direalisasikan. Antaranya isu kestabilan jangka panjang nanopartikel dalam bahan api semasa penyimpanan dan operasi sebenar pesawat. Proses penggumpalan nanopartikel dalam medium cecair boleh mengurangkan keberkesanannya serta menimbulkan risiko terhadap sistem bahan api dan komponen enjin [5].

Selain itu, kesan nanopartikel terhadap komponen sistem pembakaran masih belum difahami sepenuhnya. Oleh itu, kajian lanjut secara eksperimen, termasuk ujian enjin sebenar dan analisis kesan haus serta kakisan, amat diperlukan. Pemilihan surfaktan yang lebih berkesan dan mesra alam juga merupakan satu lagi bidang penyelidikan penting bagi memastikan kestabilan suspensi nanopartikel dalam jangka masa panjang.

Secara keseluruhannya, pengintegrasian nanopartikel ke dalam bahan api penerbangan lestari merupakan satu pendekatan inovatif yang berpotensi meningkatkan prestasi enjin dan menyokong kelestarian alam sekitar. Penambahan nanopartikel seperti Al₂O₃ dan MgO didapati mampu meningkatkan nilai haba pembakaran, daya tujahan dan kecekapan penggunaan bahan api. Namun begitu cabaran-cabaran seperti ketumpatan dan kestabilan bahan api perlu dititikberatkan. Penyelidikan dan pembangunan teknologi yang berterusan dalam bidang ini terutamanya dalam mengatasi isu kestabilan jangka panjang dan keserasian dengan komponen enjin masih memerlukan kajian lanjut. Tidak dinafikan penggunaan nanopartikel sebagai bahan tambah dalam SAF berpotensi menjadi salah satu penyelesaian strategik dalam usaha industri penerbangan mencapai operasi yang lebih cekap, lestari dan rendah karbon pada masa hadapan. Pendekatan ini berpotensi menyokong usaha industri penerbangan ke arah operasi yang lebih mampan dan mesra alam.

Kredit foto utama-sugar-asia

Rujukan

1. Joanne Zi Fen Lim and Nurul Musfirah Mazlan (2022). Analysing NOx and soot formations of an annular chamber with various types of biofuels. Vol. 9, No. 6. 537-551. https://doi.org/10.12989/aas.2022.9.6.537.
2. Farooq MA, Aquib M, Farooq A, Haleem Khan D, Joelle Maviah MB, Sied Filli M, Kesse S, Boakye-Yiadom KO, Mavlyanova R, Parveen A, Wang B (2019). Recent progress in nanotechnology-based novel drug delivery systems in designing of cisplatin for cancer therapy: an overview. Artif Cells Nanomed Biotechnol. 2019. 47(1):1674-1692. doi: 10.1080/21691401.
3. Yasmin Wadzer, Ahmad Hazim Zainuddin, Muhammad Ridzuan Abdul Halim, Nurul Musfirah Mazlan (2026). Impact of nanoparticles as an additive to biojet fuel on turbine aviation engine: A performance study. Fuel, 405, 136585. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.136585
4. Ferr˜ao IAS, Mendes MAA, Moita ASOH, Silva ARR (2022). The addition of particles to an alternative jet fuel. Fuels 3(2):184–206. https://doi.org/10.3390/ fuels3020012.
5. Vollath D. (2022). Nanoparticles for energetic applications-formation and aggregation. FirePhysChem. 2(4):357–66. https://doi.org/10.1016/j.fpc.2022.06.004

Biodata Penulis

Dr. Nurul Musfirah Mazlan, merupakan pensyarah di Pusat Pengajian Kejuruteraan Aeroangkasa, Universiti Sains Malaysia  yang aktif dalam penyelidikan berkaitan bahan api lestari dan kesannya terhadap prestasi enjin pesawat.