ใบไม้ประดิษฐ์: Artificial Leaf

เรื่องโดย ดร.สัจนา พัฒนาศักดิ์

หากเราลองจินตนาการถึงใบไม้เทียม ที่สามารถเลียนแบบการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชได้ ซึ่งจะช่วยให้เรานำพลังงานจากแสงอาทิตย์ซึ่งเป็นพลังงานสะอาด มาใช้ประโยชน์ในบ้านเรีอนหรือรถยนต์ของเราโดยใช้แค่เพียงแสงแดดและน้ำเป็นส่วนประกอบเท่านั้น หลายๆ คนอาจคิดว่ามันเป็นแค่เรื่องจินตนาการในนิยายวิทยาศาสตร์ แต่เรื่องนี้ได้กลายเป็นความจริงขึ้นมาแล้ว

คุณรู้หรือไม่ว่าพลังงานที่คนเราใช้ในชีวิตประจาวันมากที่สุด มาจากการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis) ของพืชสีเขียว ซึ่งจะเป็นแหล่งเก็บสะสมพลังงานจากแสงอาทิตย์ โดยพืชสีเขียวจะมีคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นออแกเนลล์เม็ดสีเขียวขนาดเล็กที่อยู่ในส่วนของพืชที่มีสีเขียว เช่น ส่วนของใบ โดยคลอโรพลาสต์นี้จะมีสารคลอโรฟิลล์อยู่ภายใน ทำหน้าที่เปลื่ยนพลังงานจากแสงอาทิตย์ โดยมีน้ำ และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นส่วนประกอบ ให้อยู่ในรูปของพันธะเคมีของน้ำตาล และมีผลพลอยได้เป็นก๊าซออกซิเจนที่เราใช้ในการหายใจ

เราจะสามารถใช้พลังงานที่เก็บสะสมไว้นี้เมื่อเรากินพืชนั้นเข้าไป หรือจากการกินสัตว์ ที่กินพืชสีเขียวนั้นเข้าไปก่อนหน้า นอกจากนี้เรายังสามารถใช้พลังงานจากการเผาไหม้พืช หรือสสารที่เกิดมาจากพืช เช่น ฟืน, ถ่านหิน, น้ามัน, ก๊าซธรรมชาติ และ เอธานอล อีกด้วย ดังนั้นการสังเคราะห์พลังงานของพืชสีเขียวโดยใช้แสงอาทิตย์ จึงเป็นแรงบันดาลใจหลักในการสร้าง “Artificial photosynthesis” ขึ้นมาเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกชนิดใหม่

ทีมวิจัยของ Professor Daniel Nocera จาก Massachusetts Institute of Technology (MIT) สหรัฐอเมริกา ซึ่งขณะนี้ได้ย้ายมาอยู่ที่มหาวิทยาลัย Harvard ได้พัฒนา Artificial Leaf หรือแปลเป็นภาษาไทยว่า “ใบไม้ประดิษฐ์” ขึ้นมา ภายใต้บริษัท Sun Catalytix โดยอาศัยหลักการของ Artificial photosynthesis ซึ่งเป็นการเลียนแบบการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช โดยการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานทางเคมี ที่สามารถเก็บไว้ใช้ทีหลังได้ ด้วยกระบวนการแยกสลายน้า (Electrolysis) โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์แยกโมเลกุลของน้ำเป็นโมเลกุลของก๊าซออกซิเจน และก๊าซไฮโดรเจน

ส่วนของใบไม้ประดิษฐ์จากบริษัท Sun Catalytix นั้นสร้างจาก โซลาร์เซลล์ซิลิคอนแบบบาง โดยมีสารคะตะลิสต์ (Catalytic materials) คนละชนิด เคลือบอยู่บนพื้นผิวแต่ละด้านของแผ่นซิลิคอนโซลาร์เซลล์นี้

ใบไม้ประดิษฐ์ ที่ทาจากแผ่นโซลาร์เซลล์ซิลิคอนแบบบาง (Credit: ACS)

หลักการทำงานของใบไม้ประดิษฐ์นั้นทาได้โดยแค่นาแผ่นโซลาร์เซลล์นี้ ใส่ในภาชนะที่บรรจุน้ำแล้วให้โดนแสงแดด ในขณะที่เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นบนแผ่นใบไม้ประดิษฐ์ ตัวคะตะลิสต์จะช่วยเร่งปฏิกิริยา ทาให้เกิดการแยกตัวของน้ำ (Electrolysis) เกิดฟองของก๊าซออกซิเจน และก๊าซไฮโดรเจนปล่อยออกมาในทันทีจากพื้นผิวของแผ่นใบไม้ประดิษฐ์ในแต่ละด้าน โดยด้านที่มีชั้นของโคบอลต์เคลือบอยู่ จะเกิดปฏิกิริยาและปล่อยก๊าซออกซิเจนออกมา ส่วนอีกด้านของแผ่นซิลิคอนที่เคลือบด้วยชั้นที่มีส่วน ผสมของ นิคเกิล-โมลิบดินัม-ซิงค์อัลลอย จะปล่อยก๊าซไฮโดรเจนออกมา

ข้อดีของใบไม้ประดิษฐ์นี้ คือสร้างมาจากสารที่มีอยู่มากมายบนโลก ซึ่งมีราคาไม่แพง เช่น ซิลิคอน, โคบอลท์ และ นิคเกิล ไม่ใช่แพลตินัมที่เคยใช้กันอยู่ซึ่งมีราคาสูง ที่มากกว่านั้นระบบนี้ยังสามารถใช้ได้กับน้ำธรรมดา ไม่ต้องใช้สารละลายที่มีค่า pH สูงมากๆ หรือสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อน นอกจากนั้นยังไม่ต้องใช้ระบบควบคุม หรือการเชื่อมต่อด้วยสายไฟ แต่ยังต้องมีการพัฒนาประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์, ราคา และการกักเก็บก๊าซแต่ละชนิดเพื่อให้นำมาใช้ประโยชน์ได้สะดวกยิ่งขึ้น

ใบไม้ประดิษฐ์เมื่อเกิดปฏิกิริยาการแยกตัวของน้า เป็นก๊าซออกซิเจน และก๊าซไฮโดรเจน
(Credit: Wikipedia.org)

คนทั่วโลกกว่า 1.6 พันล้านคน อาศัยอยู่โดยไม่มีไฟฟ้าใช้ และอีก 2.6 พันล้านคน อาศัยอยู่โดยไม่สามารถเข้าถึงพลังงานสะอาดเพื่อใช้ในการหุงหาอาหาร ทาให้มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซเรือนกระจกอื่นๆ ออกมา ซึ่งในที่สุดจะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศทั่วโลก ดังนั้นใบไม้ประดิษฐ์นี้จะมีประโยชน์มากสำหรับท้องถิ่นที่ห่างไกลความเจริญ เนื่องจากใช้เพียงน้าดื่ม 1.5 ลิตร และแสงแดดเท่านั้น ในการสร้างกระแสไฟฟ้าทีเพียงพอต่อการใช้งานของบ้านเล็กๆ หนึ่งหลัง

แต่ทว่าปัญหาอยู่ที่ราคาของใบไม้ประดิษฐ์ที่ยังสูงอยู่ แม้ว่าจะมีราคาถูกกว่าโซลาร์เซลล์ก็ตาม นอกเหนือจากค่าใช้จ่ายที่เป็นอุปสรรคแล้ว ในแหล่งชุมชนที่ด้อยพัฒนาและมีปัญหาขาดแคลนน้ำจืด หรือน้ำสะอาด ก็มีผลต่อการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของใบไม้ประดิษฐ์ เนื่องจากเกิดปัญหาในการกัดกร่อน และสิ่งสกปรกในน้ำสามารถสร้างไบโอฟิล์มหุ้มทับบนตัวเร่งปฏิกิริยาได้

Nocera เชื่อว่าเขาจะทาให้ราคาของใบไม้ประดิษฐ์ลดลงมาได้ด้วยเวลา และการวิจัยเพิ่มเติม เช่น การลดปริมาณของซิลิคอนที่ใช้ลง และได้พัฒนาพื้นผิวที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้อีกด้วย ทั้งยังมองไปที่การขยายขนาดการผลิต โดยได้ร่วมมือกับทีมวิจัยของ Roy Gordon จากมหาวิทยาลัย Harvard โดยใช้ไอระเหยของสารเคมีในการเคลือบผิวสารคะตะลิสต์ แม้ว่าในปัจจุบันการวิจัยในห้องปฏิบัติการของ Nocera ยังคงดำเนินต่อไปอยู่ แต่ทางบริษัท Sun Catalytix ได้เปลื่ยนจุดหมายหลักเป็นการพัฒนาการกักเก็บพลังงาน และมีแนวคิดในการใช้เทคโนโลยีใหม่ โดยใช้อนุภาคนาโนที่สามารถแขวนลอยอยู่ในน้ำเป็นตัวสร้างพลังงานแทน

ในขณะที่ปัญหาพลังงานขาดแคลน และราคาที่สูงขึ้นมากของเชื้อเพลิงส่งผลกระทบโดยตรงต่อโลกปัจจุบัน การหาพลังงานทดแทนที่ยั่งยืนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม จึงมีความสำคัญกับโลกในอนาคตอย่างยิ่ง ธรรมชาตินั้นเป็นแบบอย่างให้เราใช้แนวคิดนำมาพัฒนาเทคโนโลยีหลากหลายด้านด้วยกัน เมื่อเร็วๆ นี้มีงานวิจัยใหม่จาก Oak Ridge National Laboratory โดยนักวิจัยได้ใช้โปรตีนจากผักโขมเป็นตัวสร้างก๊าซไฮโดรเจนจากน้ำ และทีมวิจัยจาก North Carolina State University ก็ได้ใช้วิธีการที่คล้ายๆ กันคือ ใช้การผสมระหว่างสารคลอโรฟิลล์และคาร์บอนนาโนทิวป์ในการทดลอง

แต่ยังไม่เป็นที่แน่ชัดในตอนนี้ว่าเราจะสร้างพลังงานทดแทนจากแสงอาทิตย์ด้วยวิธีใดได้ดีที่สุด เราก็คงต้องรอดูวิธีการใช้แหล่งพลังงานทางเลือกแห่งอนาคตนี้ ที่ใกล้ความเป็นจริงขึ้นมาทุกขณะ

อ้างอิง

https://www.sciencedaily.com/releases/2012/05/120509123900.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_photosynthesis