เชื้อเพลิงพลังใบ ! ใบไม้เทียมเปลี่ยนคาร์บอนเป็นเชื้อเพลิง

ปัญหามลพิษทางสิ่งแวดล้อมและปรากฏการณ์เรือนกระจกนับเป็นปัญหาใหญ่ที่ส่งผลกระทบโดยตรงกับเราทุกคน และในช่วงหลายปีมานี้ ทั่วโลกเริ่มหันมาให้ความสำคัญกับการแก้ไขปัญหามลพิษกันมากขึ้น พลังงานสะอาดจึงกลายเป็นตัวเลือกสำคัญเพื่อสร้างอนาคตที่ยั่งยืน ทั้งเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและไม่ก่อให้เกิดมลพิษ ต่างจากพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลที่นิยมใช้ในปัจจุบัน ซึ่งก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก

ใบไม้เทียมคืออะไร ? 

ด้วยปัญหานี้ ในปี ค.ศ. 2019 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ จึงได้ประดิษฐ์ “ใบไม้เทียม” ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เลียนแบบกระบวนการผลิตพลังงานจากวิธีการสังเคราะห์แสงของพืช ตัวอุปกรณ์จะอาศัยแสงอาทิตย์ เพื่อเปลี่ยนน้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ให้กลายเป็นพลังงานเชื้อเพลิงทดแทน ซึ่งนอกจากจะใช้ผลิตพลังงานได้แล้ว ยังช่วยลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ด้วย

โดยตัวใบไม้เทียมรุ่นปี 2019 นี้ จะสามารถเปลี่ยน “น้ำ” เป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจน (Hydrogen fuels) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงตั้งต้นใช้ในการผลิตพลังงาน มีจุดเด่นคือการเผาไหม้สะอาด ไม่สร้างมลพิษ และเปลี่ยน “แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ “ ให้เป็นก๊าซสังเคราะห์ หรือ ซินก๊าซ (Synthesis gas: Syngas) ซึ่งเป็นแก๊สเชื้อเพลิงผสมชนิดหนึ่ง นิยมใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตเชื้อเพลิง

ข้อจำกัดของใบไม้เทียมรุ่นเก่า

แต่ถึงแม้ว่าใบไม้เทียมรุ่นก่อนหน้าจะสร้างสารตั้งต้นเพื่อผลิตเป็นเชื้อเพลิงได้ นักวิจัยมุ่งมั่นพัฒนาใบไม้เทียมเรื่อยมา เพื่อให้มันสามารถผลิตพลังงานเชื้อเพลิงได้ดียิ่งขึ้น และในที่สุด ใบไม้เทียมรุ่นใหม่ที่ต่อยอดจากงานวิจัยเดิม สามารถเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้กลายเป็นเชื้อเพลิงเหลว อย่าง โพรพานอล (Propanol) และเอทานอล (Ethanol) ได้ในขั้นตอนเดียว โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการเพิ่มเติม

ใบไม้เทียมรุ่นใหม่มีหน้าตาเป็นอย่างไร ?

ใบไม้เทียมรุ่นใหม่ที่เพิ่งพัฒนาขึ้นยังเป็นรุ่นต้นแบบ จึงมีลักษณะคล้ายแท่งอุปกรณ์ขนาดจิ๋วที่ประกอบติดกัน ยังดูไม่เหมือนใบไม้ในธรรมชาติเสียทีเดียว โดยมีขนาดเพียง 5 มิลลิเมตรเท่านั้น 

ตัวใบไม้เทียมรุ่นใหม่ประกอบขึ้นจากเซลล์ไฟฟ้า ซึ่งทำมาจากวัสดุตัวดูดซับแสงอาทิตย์ที่เรียกว่า เพอรอฟสไกต์ (Perovskite) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า โดยตัวเพอรอฟสไกต์คือส่วนสีเขียวบนใบไม้เทียม ชั้นสารเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ และขั้วไฟฟ้าแอโนดที่ทำจาก บิสมัธวานาเดต (Bismuth Vanadate) เป็นสารประกอบอนินทรีย์ ลักษณะเป็นของแข็งสีเหลืองสดใส และมีฐานยึดตัวใบไม้เทียมทำจากแท่งเหล็ก

ส่วนใบไม้เทียมรุ่นเก่าที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้า มีขนาดประมาณ 1 เซนติเมตร แต่จะมีลักษณะแบน คล้ายใบไม้ตามธรรมชาติ มีน้ำหนักเบา ยืดหยุ่น และลอยน้ำได้อีกด้วย

การทำงานของใบไม้เทียมรุ่นใหม่เป็นอย่างไร ?

โมเทียร์ ราฮามาน (Motiar Rahaman) สมาชิกทีมวิจัยและนักวิจัยเคมีประจำมหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ อธิบายว่า ใบไม้เทียมทำงานด้วยกระบวนการแยกสารด้วยไฟฟ้าเคมีทางแสง (Photoelectrochemical approach) โดยกระบวนการนี้ทำงานโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบบนเซลล์ไฟฟ้าเคมี และน้ำในการผลิตไฮโดรเจน 

เมื่อนำใบไม้เทียมจุ่มลงในน้ำ อุปกรณ์จะเริ่มดูดซับแสงแดด และเกิดกระบวนการแยกน้ำที่ขั้วไฟฟ้าแอโนดเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า ซึ่งขับเคลื่อนตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาเป็นก๊าซสังเคราะห์ 

และด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาพิเศษที่คิดค้นขึ้นใหม่ ทำให้ใบไม้เทียมรุ่นใหม่ สามารถผลิตเชื้อเพลิงเหลวได้ในขั้นตอนเดียว ไม่ต้องเสียเวลานำก๊าซสังเคราะห์ไปผลิตเชื้อเพลิงอีกทอดหนึ่งเหมือนอย่างใบไม้เทียมรุ่นก่อน ๆ นอกจากนี้ใบไม้เทียมรุ่นใหม่นี้ยังใช้พลังงานในการผลิตเชื้อเพลิงน้อยมาก

ข้อจำกัดของใบไม้เทียมรุ่นใหม่

อย่างไรก็ตาม ใบไม้เทียมรุ่นใหม่นี้ ยังผลิตเชื้อเพลิงเหลวได้แค่ไม่กี่ไมโครลิตรต่อพื้นที่ตารางเซนติเมตรเท่านั้น ทีมวิจัยจึงตั้งใจปรับปรุงประสิทธิภาพใบไม้เทียมต่อไป ด้วยการการปรับเปลี่ยนวัสดุดูดซับแสงแดด และขยายขนาดใบไม้เทียมให้ใหญ่ขึ้น เพื่อผลิตเชื้อเพลิงได้มากขึ้นในอนาคต

การพัฒนาใบไม้เทียมครั้งนี้อาจเป็นความสำเร็จก้าวเล็ก ๆ ในการผลิตพลังงานสะอาด เพราะในขณะนี้ใบไม้เทียมผลิตเชื้อเพลิงได้ในปริมาณที่น้อยมาก แต่ในอนาคตใบไม้เทียมเหล่านี้อาจพัฒนาจนมีประสิทธิภาพมากพอให้นำไปใช้งานในเชิงอุตสาหกรรม เพื่อช่วยผลิตเชื้อเพลิงสะอาดเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างยั่งยืน และลดปัญหามลพิษทางสิ่งแวดล้อมต่อไป