Oksigen Cair: Mungkinkah Manusia Bernapas di Dalam Air Seperti Ikan?

Arsitektur Geofisika dan Misteri Tekanan di Palung Mariana

Palung Mariana, yang terletak di bagian barat Samudra Pasifik, mewakili batas akhir dari eksplorasi fisik di Bumi. Sebagai bagian dari sistem subduksi Izu-Bonin-Mariana, palung ini terbentuk melalui proses geofisika di mana Lempeng Pasifik yang lebih tua dan lebih padat terdorong ke bawah Lempeng Mariana yang lebih muda. Kedalaman ekstrem di Challenger Deep, yang tercatat mencapai sekitar 10.994 meter, menciptakan lingkungan yang tidak hanya gelap total dan mendekati titik beku, tetapi juga memiliki tekanan hidrostatik yang menghancurkan. Di dasar palung, kolom air memberikan tekanan sebesar 1.086 bar, atau setara dengan 15.750 psi. Secara fisik, ini berarti setiap inci persegi permukaan di kedalaman tersebut menanggung beban sekitar delapan ton.

Pemahaman mengenai tekanan hidrostatik sangat penting dalam desain wahana laut dalam karena tekanan ini meningkat secara linear terhadap kedalaman. Setiap penurunan 10 meter, tekanan meningkat sekitar 1 atmosfer (1 bar). Pada zona hadal, yang mencakup kedalaman 6.000 hingga 11.000 meter, tekanan berkisar antara 600 hingga 1.100 atmosfer. Kondisi ini mempengaruhi sifat termofisika air dan perilaku material secara fundamental. Berikut adalah tabel yang merangkum data teknis hidrostatik pada berbagai kedalaman di Palung Mariana:

Meskipun lingkungan ini tampak mustahil bagi kehidupan, penelitian terbaru mengungkapkan bahwa parit-parit laut dalam bertindak sebagai penyerap karbon yang signifikan dalam siklus karbon global. Akumulasi materi karbon di poros parit menunjukkan peran penting zona hadal dalam mengatur iklim Bumi, memberikan dimensi baru pada urgensi eksplorasi laut dalam melampaui sekadar keingintahuan ilmiah.

Kegagalan Struktural dan Batas Material dalam Rekayasa Kaku

Selama lebih dari setengah abad, pendekatan manusia untuk mencapai dasar laut didasarkan pada prinsip “melawan” tekanan. Wahana seperti Bathyscaphe Trieste (1960) dan Deepsea Challenger (2012) menggunakan lambung tekanan (pressure hull) yang masif untuk melindungi operator manusia di dalam ruang berisi udara bertekanan satu atmosfer. Namun, desain kaku ini memiliki risiko inheren berupa implosi. Implosi terjadi ketika tekanan eksternal melampaui kekuatan struktural lambung, menyebabkan keruntuhan mendadak ke arah dalam. Proses ini berlangsung dalam hitungan milidetik, di mana kompresi udara di dalam lambung menghasilkan panas yang luar biasa, sering kali memicu fragmentasi total material.

Material tradisional seperti titanium dan baja berkekuatan tinggi dipilih karena rasio kekuatan terhadap beratnya yang baik, namun mereka tetap rentan terhadap kelelahan material (fatigue) dan korosi akibat salinitas tinggi. Penggunaan komposit serat karbon, seperti yang terlihat pada kasus wahana Titan, menunjukkan bahwa delaminasi dan cacat manufaktur sekecil apa pun dapat menyebabkan kegagalan katastropik di bawah beban siklik. Dalam lingkungan hadal, kegagalan material sering kali dimulai dari titik konsentrasi stres, seperti jendela observasi atau sambungan mekanis, di mana perbedaan tekanan antara internal dan eksternal berada pada puncaknya.

Busa sintaktik, yang terdiri dari mikrosfer kaca berongga yang tertanam dalam resin epoksi, merupakan material penting dalam eksplorasi laut dalam karena kemampuannya memberikan daya apung tanpa risiko implosi mendadak. Busa ini dapat dibentuk sesuai kebutuhan aerodinamika wahana, memungkinkan robot laut dalam seperti AUV Sentry dan Orpheus untuk bergerak secara efisien di kolom air. Namun, ketergantungan pada struktur berongga—sekecil apa pun skalanya—tetap membatasi kedalaman operasional sebelum material tersebut mengalami degradasi struktural.

Bio-Mimikri: Rahasia Molekuler Kehidupan Hadal

Berbeda dengan pendekatan manusia yang kaku, organisme laut dalam seperti ikan hadal (misalnya Pseudoliparis swirei) dan ubur-ubur sisir (ctenophore) telah berevolusi untuk “berteman” dengan tekanan. Tubuh mereka tidak memiliki rongga gas seperti kandung kemih renang, sehingga tekanan internal mereka setara dengan tekanan lingkungan. Adaptasi ini meluas hingga ke tingkat molekuler untuk mencegah denaturasi protein dan pembekuan membran sel yang biasanya terjadi pada tekanan tinggi.

Salah satu mekanisme kunci adalah penggunaan piezolit, yaitu molekul kecil yang menstabilkan struktur protein. Trimethylamine N-oxide (TMAO) adalah piezolit paling umum yang ditemukan pada ikan laut dalam; konsentrasi TMAO dalam jaringan mereka meningkat secara linear dengan kedalaman. Secara biofisika, TMAO bekerja dengan cara mengurangi volume air yang terikat pada protein, sehingga secara energetik mencegah protein tersebut terurai di bawah beban hidrostatik.

Selain itu, penelitian terbaru pada ctenophore laut dalam mengungkapkan fenomena “homeocurvature adaptation” pada membran lipid. Pada tekanan tinggi, lipid membran cenderung merapat dan kehilangan fluiditasnya, mirip dengan minyak yang membeku di suhu dingin. Makhluk hadal mengatasi hal ini dengan memiliki membran yang kaya akan plasmalogen, jenis lipid yang secara alami memiliki bentuk kerucut yang sangat melengkung. Di permukaan laut, lipid ini akan membuat membran menjadi tidak stabil, namun pada tekanan 1.000 bar, bentuk kerucut tersebut terkompresi menjadi bentuk silinder yang sempurna, memungkinkan membran tetap cair dan fungsional.

Implikasi dari temuan ini sangat luas. Jika struktur seluler dapat dipertahankan melalui keseimbangan tekanan internal, maka desain robotika masa depan tidak perlu lagi bergantung pada pelindung kaku yang berat, melainkan dapat menggunakan teknologi “pressure-neutral”.

Robotika “Pressure-Neutral” dan Revolusi Material Lunak

Robotika netral tekanan mewakili paradigma baru di mana komponen elektronik dan mekanik tidak lagi diisolasi dari lingkungan laut dalam, melainkan direndam dalam cairan inkompresibel seperti minyak silikon atau dielektrik lainnya. Dengan menghilangkan rongga udara, risiko implosi dihilangkan secara total, memungkinkan robot untuk beroperasi pada kedalaman mana pun tanpa batasan struktural tradisional.

Robotika lunak (soft robotics) memanfaatkan material elastomer dengan modulus rendah, seperti silikon atau poliuretan, yang meniru elastisitas jaringan biologis. Aktuator yang digerakkan secara hidrolik atau pneumatik memungkinkan pergerakan yang lincah dan manipulasi objek yang halus, sebuah keunggulan signifikan dibandingkan lengan robotik logam yang kaku. Inovasi seperti katup lunak yang dikembangkan di Harvard memungkinkan kontrol aliran fluida tanpa komponen logam kaku, membawa kita lebih dekat ke visi robot yang sepenuhnya lunak dan tahan tekanan.

Salah satu komponen paling transformatif dalam bidang ini adalah sensor logam cair (liquid metal). Paduan berbasis galium, seperti EGaIn, tetap berada dalam fase cair pada suhu rendah dan dapat mengikuti deformasi ekstrem tanpa kehilangan konduktivitas listrik. Sensor ini memiliki kemampuan penyembuhan mandiri (self-healing), di mana sirkuit yang terputus akibat benturan mekanis dapat menyambung kembali secara otomatis melalui penggabungan tetesan logam cair dalam matriks elastomer.

Pengembangan sistem navigasi dan komunikasi untuk robot ini juga mulai beralih ke sensor elektromagnetik pasif yang mampu mendeteksi tanda-tanda listrik lemah di lingkungan yang tidak dapat ditembus oleh sinyal akustik tradisional. Integrasi kecerdasan buatan dalam pengolahan data sensor memungkinkan robot otonom untuk melakukan pemetaan dasar laut dengan akurasi yang lebih tinggi.

Oksigen Cair: Fisika dan Kimia Ventilasi Cairan

Inti dari spekulasi mengenai manusia yang bernapas seperti ikan terletak pada teknologi ventilasi cairan (liquid ventilation). Secara fisiologis, paru-paru mamalia adalah pompa udara yang bekerja berdasarkan perbedaan tekanan. Namun, gas bersifat sangat kompresibel; di bawah tekanan Palung Mariana, gas di dalam paru-paru akan mengecil volumenya secara drastis, menyebabkan keruntuhan rongga dada jika tidak diseimbangkan. Ventilasi cairan menawarkan solusi dengan mengisi paru-paru dengan cairan inkompresibel yang kaya akan oksigen terlarut.

Cairan yang paling sesuai untuk tujuan ini adalah perfluorokarbon (PFC). PFC merupakan senyawa hidrokarbon di mana semua atom hidrogen telah digantikan oleh fluorin, menciptakan molekul yang sangat stabil dan memiliki afinitas luar biasa terhadap gas pernapasan. Oksigen dapat terlarut dalam PFC dengan konsentrasi yang jauh lebih tinggi daripada dalam darah atau air laut. Sejarah pengembangan PFC berawal dari Proyek Manhattan selama Perang Dunia II, di mana senyawa ini diberi nama sandi “Joe’s stuff” sebelum akhirnya diteliti untuk aplikasi medis oleh Johannes Kylstra dan Leland Clark pada tahun 1960-an.

Eksperimen awal pada tikus dan kucing menunjukkan bahwa mamalia dapat mengekstraksi oksigen dari PFC yang dioksigenasi secara memadai dan bertahan hidup selama beberapa jam. Namun, transisi kembali ke pernapasan gas sering kali berakibat fatal bagi subjek uji coba hewan, yang menunjukkan adanya tantangan signifikan dalam pembersihan residu cairan dari jaringan alveoli. Berikut adalah tabel properti kimia dari perfluorokarbon yang umum digunakan dalam penelitian pernapasan:

Meskipun PFC menawarkan kapasitas angkut gas yang luar biasa, viskositasnya yang tinggi—hampir dua kali lipat berat air—menciptakan tantangan mekanis yang besar bagi diafragma manusia. Upaya untuk memindahkan cairan yang berat ini keluar-masuk paru-paru memerlukan energi metabolik yang jauh lebih besar daripada pernapasan udara.

Kendala Fisiologis: Kerja Pernapasan dan Difusi Gas

Masalah utama dalam ventilasi cairan total (Total Liquid Ventilation – TLV) bukanlah suplai oksigen, melainkan eliminasi karbon dioksida ($CO_2$). Dalam pernapasan udara, $CO_2$ berdifusi dengan cepat keluar dari darah karena gradien tekanan parsial yang tinggi dan viskositas gas yang rendah. Namun, dalam media cair, laju difusi $CO_2$ jauh lebih lambat. Tanpa bantuan pompa mekanis, konsentrasi $CO_2$ dalam darah penyelam akan meningkat dengan cepat, menyebabkan asidosis respiratorik dan hilangnya kesadaran.

Selain itu, kerja pernapasan (work of breathing) pada cairan yang padat dapat menyebabkan kelelahan otot pernapasan yang ekstrem. Laporan penelitian mencatat bahwa beberapa subjek eksperimen (termasuk penyelam militer) mengalami patah tulang rusuk akibat kontraksi otot dada yang terlalu kuat saat mencoba memompa PFC keluar dari paru-paru mereka. Untuk mengatasi hal ini, diperlukan sistem “liquid ventilator” yang dapat mengambil alih fungsi pernapasan secara total melalui sirkuit tertutup.

Sirkuit ventilasi cairan modern harus mencakup komponen-komponen berikut:

1. Oksigenator Membran: Untuk menjenuhkan kembali cairan dengan oksigen.
2. Penukar Panas: Untuk menjaga suhu tubuh atau memberikan pendinginan terapeutik.
3. Sistem Filtrasi: Untuk membuang debris dan eksudat dari paru-paru.
4. Kontrol Algoritmik: Untuk menyesuaikan volume tidal dan tekanan inspirasi secara real-time berdasarkan respons fisiologis pasien.

Keberhasilan implementasi ventilasi cairan pada penyelaman hadal tidak hanya akan menghapus risiko kolapsnya paru-paru, tetapi juga secara teoritis akan menghilangkan kebutuhan akan dekompresi karena jaringan tubuh tidak lagi jenuh dengan gas inert seperti nitrogen atau helium pada tekanan tinggi.

Bahaya Pernapasan Gas: Dekompresi dan Toksisitas

Untuk memahami mengapa ventilasi cairan begitu menarik, kita harus melihat bahaya yang ditimbulkan oleh pernapasan campuran gas pada kedalaman ekstrem. Penyelaman scuba konvensional menggunakan udara terkompresi, namun pada kedalaman lebih dari 30 meter, nitrogen dalam udara mulai menyebabkan narkosis nitrogen, sebuah kondisi yang gejalanya mirip dengan mabuk alkohol. Untuk penyelaman lebih dalam, nitrogen digantikan oleh helium (dalam campuran Heliox atau Trimix), namun helium dapat menyebabkan Tremor Helium atau Sindrom Saraf Tekanan Tinggi (HPNS) pada kedalaman lebih dari 150-180 meter.

Masalah paling kritis adalah Penyakit Dekompresi (DCS) atau “the bends.” Ketika seorang penyelam bernapas di bawah tekanan, gas inert terlarut ke dalam jaringan tubuh sesuai dengan Hukum Henry. Jika penyelam naik ke permukaan terlalu cepat, tekanan ambien menurun secara mendadak, menyebabkan gas tersebut keluar dari larutan dan membentuk gelembung di dalam darah atau jaringan. Gelembung-gelembung ini dapat menyumbat aliran darah, menyebabkan nyeri sendi yang hebat, kerusakan saraf, kelumpuhan, atau kematian.

Toksisitas oksigen juga menjadi penghalang utama. Oksigen menjadi beracun bagi tubuh manusia ketika tekanan parsialnya ($PO_2$) melebihi 1,4 hingga 1,6 atmosfer. Toksisitas oksigen sistem saraf pusat (CNS) dapat menyebabkan kejang mendadak, yang di dalam air hampir selalu berakibat pada tenggelamnya penyelam. Toksisitas oksigen pulmonal, di sisi lain, menyebabkan peradangan pada alveoli dan penurunan kapasitas vital paru-paru jika paparan berlangsung lama.

Ventilasi cairan secara fundamental mengubah dinamika ini. Karena paru-paru diisi oleh cairan inkompresibel, tidak ada volume gas yang berubah drastis saat naik atau turun. Selain itu, karena oksigen dibawa dalam fase cair tanpa gas inert yang substansial, akumulasi gelembung saat dekompresi dapat diminimalkan atau dihilangkan sepenuhnya.

Masa Depan: Penyelaman Atmosferik dan Inovasi Klinis

Sebagai alternatif transisi sebelum ventilasi cairan total menjadi kenyataan praktis, industri penyelaman telah mengembangkan Atmospheric Diving Suits (ADS). ADS adalah kapal selam satu orang berbentuk antropomorfik yang menjaga tekanan internal pada satu atmosfer. Dengan menggunakan ADS seperti EXOSUIT atau Hardsuit, penyelam dapat turun hingga kedalaman lebih dari 600 meter tanpa memerlukan dekompresi sama sekali. Sendi putar yang diisi cairan (fluid-filled joints) memungkinkan gerakan anggota tubuh yang cukup untuk melakukan tugas-tugas teknis, meskipun ketangkasannya tetap jauh di bawah penyelam scuba.

Namun, ADS memiliki keterbatasan berat dan ukuran yang membuatnya sulit digunakan di ruang sempit atau untuk tugas yang memerlukan mobilitas tinggi. Riset terbaru dari US Navy melalui proyek DSEND bertujuan untuk menciptakan baju selam yang lebih ringan dan fleksibel dengan sendi berbasis material baru yang tetap beroperasi di bawah tekanan tinggi tanpa meningkatkan gesekan.

Di sisi lain, aplikasi medis ventilasi cairan sedang mengalami kemajuan pesat melalui perusahaan seperti Orixha. Teknologi LuncoLive mereka dirancang untuk melakukan ventilasi cairan total guna menginduksi hipotermia terapeutik ultra-cepat pada pasien henti jantung. Studi klinis OverCool yang dimulai pada tahun 2025 di Hopital Cochin, Paris, mengevaluasi keamanan dan kinerja Vent2Cool untuk mendinginkan suhu tubuh pasien ke 33 °C dalam waktu kurang dari 60 menit. Keberhasilan teknologi ini dalam konteks medis akan menjadi batu loncatan penting bagi penggunaannya dalam eksplorasi laut dalam di masa depan.

Berikut adalah ringkasan perbandingan antara berbagai metode eksplorasi laut dalam:

Inovasi pendukung lainnya seperti filter penangkap karbon berbasis serat nano juga sedang dikembangkan untuk mengelola kadar $CO_2$ dalam sistem sirkulasi udara atau cairan tertutup, yang berpotensi meningkatkan efisiensi energi sistem pendukung kehidupan di bawah air.

Kesimpulan: Meretas Batas Abyss

Penjelajahan Palung Mariana telah berevolusi dari sekadar perlombaan kekuatan material kaku menuju pemahaman mendalam tentang prinsip-prinsip biofisika “pressure-neutral.” Dengan meniru strategi molekuler organisme hadal, rekayasa modern mulai meninggalkan ketergantungan pada pelindung kaku yang berat dan beralih ke material lunak serta sensor logam cair yang mampu menahan beban ribuan atmosfer tanpa kerusakan.

Meskipun konsep manusia bernapas dalam oksigen cair (PFC) masih menghadapi tantangan mekanis yang signifikan, terutama dalam hal eliminasi karbon dioksida dan efisiensi kerja otot pernapasan, fondasi ilmiahnya sudah sangat kokoh. Penggunaan perfluorokarbon dalam aplikasi medis untuk bayi prematur dan protokol pendinginan jantung memberikan bukti bahwa paru-paru mamalia mampu beradaptasi dengan media cair dalam kondisi terkendali.

Masa depan eksplorasi laut dalam kemungkinan besar akan menjadi hibrid: kombinasi antara baju selam eksoskeleton fleksibel, robotika lunak otonom, dan mungkin, suatu hari nanti, integrasi total manusia ke dalam lingkungan laut melalui ventilasi cairan. Pada saat itu, manusia tidak lagi akan turun ke Abyss sebagai penjajah yang melawan tekanan dengan dinding baja, melainkan sebagai penjelajah yang telah meretas keterbatasan biologisnya untuk menyatu dengan kegelapan abadi di dasar Bumi. Penetrasi ke Palung Mariana bukan lagi tentang seberapa kuat kita bisa menahan tekanan, melainkan seberapa cerdik kita bisa membiarkan tekanan itu mengalir melalui kita, menjadikan kita benar-benar “berteman” dengan Abyss.