Blockdit Logo (Mobile)
The Thinker Man
•
24 ส.ค. 2021 เวลา 14:07 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
“Artificial Photosynthesis !!! " เครื่องจักรสังเคราะห์แสงประดิษฐ์แบบ GaNกับบทบาทเทคโนโลยีเพื่อสิ่งแวดล้อมที่ยั่งยืน
พืชเป็นสิ่งมีชีวิตทั่วๆไป พวกมันต้องการพลังงานในการเติบโต สืบพันธุ์ และดำรงชีวิตอยู่ต่อไป ส่วนใหญ่แล้วพวกมันเก็บเกี่ยวพลังงานผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photo synthesis) โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อแปลงโมเลกุลของน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นพลังงานเคมีที่มีประโยชน์ต่อชีวิต
แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราสามารถเลียนแบบปฏิกิริยาเดียวกันนี้ในห้องแลป ด้วยไอเดียนี้จึงทำให้นักวิจัยพยายามพัฒนาอุปกรณ์สังเคราะห์แสงประดิษฐ์ (Artificial Photosynthesis) ที่สามารถเปลี่ยนแสงแดดและน้ำให้เป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่เผาไหม้สะอาดสำหรับรถยนต์ บ้าน และเป็นแหล่งพลังงานสะอาด
การสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ (Artificial Photosynthesis) คืออะไร??
การสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ (Artificial Photosynthesis) คือ กระบวนการผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ที่เลียนแบบกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช ด้วยการพัฒนาขั้วรับแสงซึ่งมีคุณสมบัติไวต่อแสงเลียนแบบปฏิกิริยาเคมีในใบไม้ นักวิทยาศาสตร์ได้พิจารณาถึงศักยภาพวิธีการนี้มานานกว่าศตวรรษแล้ว และในช่วงทศวรรษ 1980 กลุ่มหนึ่งได้สาธิตให้เห็นว่าสามารถสร้างอุปกรณ์ที่ใช้แสงแดดเพื่อแยกน้ำออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนได้
พื้นฐานของเทคโนโลยีการสังเคราะห์แสงประดิษฐ์คือการสังเคราะห์วัสดุที่สามารถดูดซับพลังงานแสงแดดให้กลายเป็นพลังงานในพันธะเคมีคล้ายกับที่พบในพืช
แม้จะมีการพัฒนาเทคโนโลยีนี้มาอย่างต่อเนื่องแต่อุปสรรคสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยีนี้ยังไปไม่ถึงฝั่งฝันคือ "ประสิทธิภาพที่ต่ำมากนั่นเอง" เนื่องจากปัญหาทางเทคนิคในการพัฒนาวัสดุที่ตอบโจทย์มากพอทั้งเรื่องความทนทานที่สูง ขณะเดียวกันก็ต้องเก็บพลังงานแสงแดดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากด้วย แต่วัสดุที่พัฒนาได้มักจะสูญเสียคุณสมบัติใดคุณสมบัติหนึ่งที่ว่านี้ไป
ความหวังอยู่ที่เซมิคอนดักเตอร์ราคาถูกอย่าง "แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)"
แต่ดูเหมือนว่าความก้าวหน้าครั้งใหญ่ได้เกิดขึ้นแล้ว เมื่อทีมนักวิจัยที่นำโดย ZETIAN MI จากมหาวิทยาลัย McGill [1][2] ได้พัฒนาอุปกรณ์สังเคราะห์แสงประดิษฐ์แบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพในการผลิตก๊าซไฮโดรเจนประมาณ 3% ของสัดส่วนโมล ซึ่งงานวิจัยก่อนหน้านี้ทำสถิติได้เพียง 1%
หลักการพื้นฐานของอุปกรณ์สังเคราะห์แสงประดิษฐ์ในปัจจุบันคือการสร้างขั้วไฟฟ้าไวแสงจากเซมิคอนดักเตอร์เพื่อให้เกิดศักย์ไฟ้าที่ต่างกันระหว่างชั้นวัสดุแบบเดียวกับที่เกิดในพืช แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานในพันธะเคมี
แม้ว่าค่า 3% ที่ว่านี้จะต่ำกว่าเกณฑ์ความคุ้มค่าในเชิงพานิชย์ (เกณฑ์นั้นอยู่ที่ 5% ตามข้อมูลของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ) แต่สิ่งที่ทำให้อุปกรณ์แบบใหม่นี้น่าสนใจคือพวกมันถูกสร้างจากเซมิคอนดักเตอร์ราคาถูกอย่าง "แกลเลียมไนไตรด์"
น่าแปลกใจคือแทนที่จะมีประสิทธิภาพและเสถียรน้อยลงหลังจากผ่านการใช้งานไปสองถึงสามชั่วโมง แบบเดียวกับอุปกรณ์สังเคราะห์แสงประดิษฐ์ส่วนใหญ่ก่อนหน้านี้ แต่อุปกรณ์สังเคราะห์แสงประดิษฐ์นี้กลับมีประสิทธิภาพและเสถียรมากขึ้นเมื่อใช้งานได้นานขึ้น
ทีมวิจัยของ ZETIAN MI จากมหาวิทยาลัย McGillได้เริ่มพัฒนาตัวรับแสงแบบ GaN ที่เพิ่มประสิทธิภาพในการสังเคราะห์แสงมากขึ้นกว่าเดิมมาก
แม้จะจะอยู่ในช่วงพัฒนาแต่นักวิจัยก็กล่าวว่า พวกเขาวางแผนที่จะใช้ข้อมูลจากงานวิจัยนี้เพื่อออกแบบอุปกรณ์สังเคราะห์แสงประดิษฐ์ที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นด้วยต้นทุนที่ต่ำลงจากอุปกรณ์ต้นแบบนี้"
ก้าวต่อไปของเทคโนโลยีการสังเคราะห์แสงประดิษฐ์
หนึ่งในเป้าหมายสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีการสังเคราะห์แสงประดิษฐ์ในปัจจุบันคือมุ่งเน้นการลดมลพิษในชั้นบรรยากาศด้วยเทคนิคที่เรียกว่า การรีไซเคิลคาร์บอน (Carbon Recycle) โดยนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยเฉพาะการใช้กากของเสียอุตสาหกรรม (Industrial Waste) มาใช้เป็นแหล่งวัตถุดิบสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง
โดยการแปลงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง เช่นโพลีคาร์บอเนต (Polycarbonate) แอลกอฮอล์, ฟีนอล (Phenol) รวมถึงสารประกอบเคมีอื่นๆ เนื่องจากพวกมันสามารถกักเก็บได้ง่าย ขนย้ายสะดวก จึงเป็นแหล่งพลังงานชั้นดีในอนาคตอันใกล้ แถมยังช่วยรักษาสิ่งแวดล้อมอย่างยั่งยืนอีกด้วย
ในอนาคตการรีไซเคิลก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากกากของเสียอุตสาหกรรม จะกลายเป็นเทรนใหม่ในอนาคต แต่ต้องใช้เวลาอีกมากเพื่อให้เกิดการยอมรับและพัฒนาประสิทธิภาพของเทคโนโลยีให้คุ้มทุนพอ
แต่อุปสรรคสำคัญคือการหาทางเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์สังเคราะห์แสงประดิษฐ์ (อย่างน้อยต้องมากกว่า 5%) และต่อให้สำเร็จจริง เทคโนโลยีนี้ก็ต้องใช้เวลาอีกนานกว่าจะเป็นที่แพร่หลาย แถมพวกมันต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่เพื่อให้ได้พลังงานเพียงพอต่อการทำกำไร มีการประเมินว่าอย่างน้อยคงต้องใช้เวลาไม่ต่ำกว่า 30-50 ปีเพื่อพัฒนาจนเทคโนโลยีพร้อมใช้งานจริง
ไม่ว่าผลลัพธ์สุดท้ายเราจะได้เห็นเทคโนโลยีนี้เกิดขึ้นจริงหรือไม่ แต่สิ่งหนึ่งที่พวกเรามั่นใจได้คือ หากมนุษย์ไม่หยุดพัฒนาและต่อยอดแล้ว ไม่มีปัญหาใดที่หยุเยั่งพวกเราได้อย่างแน่นอน!!
อ้างอิงข้อมูล
โฆษณา