Bagaimana Satelit bertahan di Termofer dan Tidak Meleleh

Beberapa hari yang lalu aku penasaran dengan pertanyaan sederhana. "Bagaimana mungkin mesosfer itu sangat dingin dan termosfer sangat panas?" Karena dalam pikiranku kalau semakin ke atas akan semakin dekat dengan matahari, artinya akan semakin panas. Tapi kenapa malah semakin dingin.

Pertanyaan ini berkembang dengan sangat menarik. Kenapa sangat menarik? Jadi gini, NASA menyebutkan bahwa temperatur di termosfer bisa mencapai 4500 fahrenheit atau setara dengan 2482.2 ^oC, bagaimanakah cara melakukan pengukuran temperatur ini? Termometer seperti apa yang mereka gunakan? Kalau di udara biasa (troposfer) mengukur temperatur bukanlah masalah besar, tapi bagaimana kalau kondisinya di ruang vakum luar angkasa, bagaimana bisa melakukan pengukuran?

Selanjutnya ada teman yang bertanya "Bagaimana mungkin satelit tidak meleleh di termosfer yang 2482.2 C? Bahan apa yang digunakan satelit?" Yah tau aja lah. Pertanyaan dari siapa ini.. XD

Pengukuran Temperatur

Selama ini mungkin pemahaman banyak orang mengenai temperatur ialah "Angka yang menunjukkan seberapa panas suatu benda atau area", dan temperatur ditunjukkan oleh alat yang bernama termometer.

Sekilas, pemahaman ini benar, tetapi apakah ini sudah sempurna dalam menjelaskan apa itu temperatur?

Dalam ilmu termodinamika temperatur didefinisikan sebagai kecenderungan suatu zat untuk mengalirkan energinya pada lingkungannya. Ketika dua zat bersentuhan maka salah satu zat yang memberikan energinya merupakan zat yang temperaturnya lebih tinggi. Jadi temperatur tidak akan terdeteksi ketika dua zat tidak bersentuhan dan tidak mengalirkan energi (panas). Itulah kenapa harus ada standard untuk pengukuran temperatur, ilmuwan menggunakan standard titik beku dan titik didih air sebagai standard untuk temperatur yang kemudian disempurnakan sebagai satuan Kelvin, yang mendefinisikan batas terendah dari temperatur.

Sederhananya, setiap kali kita mengukur panas tubuh dengan termometer, kita harus menyentuhkan termometer pada tubuh sehingga termometer akan menerima energi panas dari tubuh dan menunjukkan temperatur. Ini tidak akan terjadi tanpa kontak antara termometer dan tubuh.

Ketika kita menggunakan termometer untuk mengukur temperatur ruangan, maka terjadi kontak antara termometer dengan zat uap air dan udara di ruangan sehingga termometer akan menerima energi panas dan menunjukkan temperatur.

Jadi bagaimana jika termometer di bawa ke luar angkasa? Di luar angkasa hampir tidak ada zat karena keadaannya vacum. Karena kondisi ini, jika kita membawa termometer ke luar angkasa, tidak perduli apapun jenis termometer-nya, tidak akan bisa mengukur temperatur di luar angkasa. Kenapa? Karena termometer tidak akan menyentuh zat atau senyawa apapun.

Mengetahui hal ini, ilmuwan tidak menyerah. Hingga akhirnya mereka menemukan cara mengukur temperatur luar angkasa. Bagaimana caranya mengukur temperatur di mesosfer dan termosfer?

Ilmuwan menggunakan kerapatan atom untuk menentukan temperatur di mesosfer dan termosfer. Kerapatan atom ini dihitung sebagai densitas, cara mengukurnya ialah dengan menggunakan koefisien gesekan yang menghambat laju pesawat luar angkasa (spacecraft). Dengan cara ini ilmuwan dapat mengetahui densitas atom di luar angkasa.

Kemudian densitas atom dapat dikonversi menjadi temperatur dengan menggunakan salah satu cabang ilmu kimia fisika yaitu termodinamika.

Dengan jarak antar partikel yang sangat jauh, maka gas yang ada di ruangan vakum dapat kita asumsikan sebagai gas ideal. Dalam gas ideal berlaku persamaan:

P.V = N.K_bT

T = P.V/N.K_b

Data densitas merupakan jumlah atom persatuan volume. Jadi dari persamaan tersebut jika P tetap dan V ruang luar angkasa = tak hingga (tetap juga), maka peningkatan dan penurunan temperatur hanya akan dipengaruhi oleh N atau jumlah atom. Jika N meningkat maka T pasti akan menurun, sedangkan jika N menurun jumlahnya maka T akan meningkat.

Dari sini bisa kita gambarkan bagaimana terjadinya peningkatan dan penurunan temperatur yang ekstrim di mesosfer dan termosfer.

Kondisi di mesosfer ialah, kandungan gas dan atom jauh lebih rendah dibandingkan di udara normal bumi, sehingga jika kita gunakan persamaan di atas, seharusnya temperatur mesosfer akan lebih tingi dari di bumi. Namun P atau tekanan di mesosfer jauh lebih rendah dibandingkan di bumi, sehingga tekanan menurun maka temperatur akan menurun juga.

Sedangkan kondisi di termosfer ialah kandungan gas dan atom jauh lebih rendah dibandingkan di mesosfer sedangkan tekanannya kurang lebih sama. Jadi temperatur di termosfer jika dibandingkan dengan mesosfer akan meningkat lebih tinggi disebabkan karena penurunan jumlah atom di termosfer.

Secara termodinamika persamaan di atas dapat mewakili kondisi ruang vakum yang berisi gas ideal dengan catatan tidak ada energi yang keluar dan masuk ke dalam lingkungan. Tetapi karena kondisi di luar angkasa ada energi yang masuk dan keluar dari lingkungan dan sistem, maka kalkulasinya tidak akan sesederhana itu. Ilmuwan (bisa disebut NASA) harus melakukan kalkulasi jumlah energi yang masuk ke dalam sistem dan energi yang keluar dari sistem.

Perhitungan semacam ini bisa dilakukan dalam bidang termodinamika. Energi yang masuk merupakan energi dari gelombang radiasi matahari dan gelombang-gelombang kosmik lainnya. Sedangkan energi yang keluar dari sistem ialah berupa gelombang radiasi dari atom-atom di luar angkasa.

Temperatur Mesosfer

Ketinggian lapisan mesosfer ialah 50-100km dari permukaan bumi, pada lapisan ini temperatur sangat dingin mencapai -90 ^oC. Jika sebelumnya aku sudah menjelaskan pendekatan yang dilakukan para ilmuwan untuk menentukan temperatur di luar angkasa, dengan persamaan yang aku sebutkan di atas itu, masih tidak masuk akal jika temperatur di mesosfer ialah -90 ^oC.

Sangat rendahnya temperatur di mesosfer ini ternyata erat kaitannya dengan keberadaan beberapa molekul mayoritas pada lapisan ini. Salah satu molekul yang sangat besar jumlahnya di Mesosfer ialah Karbon Dioksida CO2.

Seperti yang sudah kalian ketahui bahwa gas CO2 merupakan collant agent yang sangat baik. CO2 dapat menurunkan temperatur secara instant karena senyawa ini dapat menyerap panas dan mengubah energinya menjadi radiasi foton. Sifat CO2 yang mampu menyerap panas dengan cepat inilah yang membuat gas CO2 digunakan dalam tabung pemadam kebakaran.

Di mesosfer senyawa CO2 akan menyerap radiasi matahari kemudian memancarkannya dalam bentuk radiasi foton ke bumi. Inilah yang menyebabkan ketika terjadi peningkatan CO2 di atmosfer, maka panas bumi akan meningkat yang kita kenal sebagai efek rumah kaca.

Temperatur Termosfer

Termosfer merupakan lapisan atmosfer pada ketinggian 100-200 km, sebaliknya dari lapisan mesosfer, disini temperatur sangat tinggi mencapai 2482.2 ^oC. Ada setidaknya tiga alasan kenapa temperatur di Termosfer sangat tinggi, pertama seperti yang telah aku sebutkan di atas bahwa tekanan P sangat rendah di luar angkasa ini. Kedua jumlah molekul N di lapisan ini sangat sedikit ini menyebabkan penurunan temperatur berdasarkan persamaan gas ideal yang telah kita bahas. Ketiga ialah adanya energi radiasi UV matahari dan radiasi kosmik lainnya yang tidak diserap oleh atom CO2.

Lalu jika temperatur termosfer benar-benar 2482.2 ^oC , bagaimana mungkin satelit bertahan di temperatur ini? Ini dikarenakan walaupun temperaturnya 2482.2 tetapi keadaanya di luar angkasa dingin sehingga satelit dapat bertahan.

Panas Tapi Dingin?

Ya! 2482.2 ^oC tetapi dingin. Bagaimana mungkin ini terjadi? Apa karena vakum? Yap!

Oke kalau aku jawab karena vakum, pasti bakalan pada bilang "Semua yang aneh dijawab karena vakum! Emangnya vakum itu sihirnya Harry Poter?" Hahaha.. Yaudah lahh.. Coba kita pelajari pelan-pelan.

Temperatur yang tunjukkan oleh angka 2482.2 ^oC merupakan definisi temperatur dalam skala mikro. Dimana ini ditetapkan dalam Hukum Termodinamika ke-Nol. Hukum Termodinamika ke-Nol mendefinisikan temperatur dimana molekul tidak lagi bergerak sebagai temperatur nol derajat. Temperatur nol derajat ini ketika dikonversi dalam satuan Celcius ialah -273 ^oC. Kemudian dijadikanlah ukuran temperatur dimana molekul tidak bergerak sama sekali ini sebagai satuan nol Kelvin (K), merujuk pada ilmuwan Lord Kelvin pendirinya.

Dalam pemahaman ini artinya adalah temperatur merupakan properti yang menunjukkan energi kinetik atom-atom gas yang saling bertumbukan dan menghasilkan panas. Artinya semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi pula pergerakan atom gas. Artinya 2482.2 ^oC merupakan angka yang menunjukkan kecepatan gerak dari atom gas, permasalahannya ialah gas ini tidak akan bertumbukan dengan gas lainnya sehingga tidak akan menghasilkan panas walaupun energi kinetik atomnya sudah besar. Jadi walaupun 2482.2 ^oC tetapi tidak akan langsung membakar satelit ataupun astronot yang melayang di angkasa.

Definisi di atas mungkin masih sulit di cerna. Maka dari itu aku akan coba ceritakan dengan contoh yang lebih manusiawi mengenai gerakan molekul, temperatur dan panas yang dihasilkan ini.

Contoh paling sederhananya ialah ketika di sauna. Ketika di sauna, temperatur pemanas pasti diatur standard tidak berubah. Sekarang jika di sauna tersebut kita menuangkan air 1 ember, kemudian air tersebut akan menguap memenuhi ruangan. Apakah cukup panas?

Kemudian coba tuangkan air 30 ember ke pemanas tersebut, sehingga 30 ember molekul air akan mendidih memenuhi ruangan. Sekarang apakah cukup panas?

Ya. 30 ember melekul air akan membuat sekujur tubuhmu melepuh karena panasnya. Lalu kenapa 1 ember air tidak panas? Karena jumlah molekul sedikit, maka pertukaran panas antara molekul air dengan tubuh kita relatif lebih sedikit.

Begitu pula yang terjadi di ruang vakum. Tidak banyak gas yang akan mengalirkan panas pada satelit atapun baju astronot. Kepadatan molekul di termosfer ialah sekitar 1.9x10¹⁰molekul/cm³, bandingkan dengan jumlah molekul di udara sektiar kita yaitu 3x10¹⁹molekul/cm³. Perbandingannya ialah 1:10⁹

Walaupun temperatur tingi pada termosfer tidak dapat mengalirkan panas karena tidak cukup molekul gas, tetapi satelit tetap perlu proteksi dari panas dalam bentuk radiasi.

Cara Rambat Panas dan Proteksi Satelit

Ada tiga cara rambat panas yang dikenal dalam ilmu fisika, yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi. Di dalam ruang vakum dimana tidak ada material gas apapun, cara rambat panas yang bisa terjadi hanyalah radiasi.

Di ruang vakum termosfer terdapat berbagai jenis radiasi kosmik dan radiasi matahari yang mampu menaikkan temperatur logam bahan baku satelit. Namun satelit juga dilengkapi dengan teknologi radiator termal yang mampu melepaskan energi panas tersebut dalam bentuk radiasi ke ruang hampa. Silahkan cari informasi selengkapnya di google tentang teknologi radiator ini dengan kata kunci "Space Thermal Radiator"

Jadi selain itu untuk mengontrol panas yang diterima oleh satelit dan spacecraft, digunakanlah bahan khusus yang mampu menerima panas dan merambatkannnya. Seperti bagian yang menghadap ke Matahari menggunakan bahan yang menyerap ultraviolet sehingga dapat menyerap panas maksimal, sedangkan bagian yang menghadap ke bumi mampu melepaskan panas. Silahkan baca tulisanku sebelumnya tentang Cara Kerja Satelit disini. Dan untuk mengendalikan temperatur di dalam satelit maka setiap satelit dilengkapi dengan radiator termal yang akan melepaskan energi panas sehingga satelit tidak rusak/meleleh.

Salah satu contoh material anti radiasi ialah pada termos air. Pada termos air panas, di bagian dalam tabungnya pasti berwarna mengilap ini mencegah energi panas untuk merambat melalui radiasi. Sedangkan pada termos air dingin di bagian luarnya akan dilapisi dengan lapisan mengilap untuk menghalau rambatan gelombang radiasi masuk.

So.. Human is clever, isn't it?

Penjelasanku memang tidak sampai sangat spesifik, hanya seperti pengantar dari penjelasan sebenarnya. Rumus yang aku pakai adalah pendekatan saja, bukan rumus sebenarnya, dari pendekatan semacam ini kita bisa melihat kemungkinan dibangunnya teknologi satelit dan pengukuran temperatur di termosfer dan mesosfer.

Hanya karena kita tidak cukup pintar untuk memahami sesuatu, bukan berarti semua manusia tidak bisa memahaminya.

Human is awesome creatures!

Sumber:

http://www.mystupidtheory.com/2016/09/bagaimana-satelit-bertahan-di-termosfer.html

http://helios.gsfc.nasa.gov/qa_sun.html#coronatemp
http://helios.gsfc.nasa.gov/qa_sp_ht.html
E. Doornbos, Thermospheric Density and Wind Determination from Satellite Dynamics,2012, Springer Theses, DOI: 10.1007/978-3-642-25129-0_2, Berlin Heidelberg
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper2.html
http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/atmospheric_structure.shtml
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/temper2.html
http://ifisc.uib-csic.es/raul/CURSOS/TERMO/Thermodynamic%20temperature.pdf