“เทคโนโลยีสังเคราะห์แสงเทียม” อีกหนึ่งแนวทางสร้างสรรค์พลังงานสะอาด

ตลอดระยะเวลากว่า 200 ปีที่ผ่านมา นับตั้งแต่โลกเปลี่ยนผ่านเข้าสู่ยุคอุตสาหกรรม หนึ่งในแหล่งพลังงานหลักที่เราใช้ในการดำเนินอุตสาหกรรมต่าง ๆ ผลิตไฟฟ้า เป็นเชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะ ก็คือ “พลังงานฟอสซิล” ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่า มันเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดก๊าซเรือนกระจก อันเป็นสาเหตุของภาวะโลกร้อนที่ทำให้โลกอุ่นขึ้นมาแล้วประมาณ 1.2 องศาเซลเซียส รวมไปถึงวิกฤตการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลก

ความเข้มข้นก๊าซเรือนกระจกพุ่งเป็นประวัติการณ์ โลกไม่มีวี่แววดีขึ้น

ด้วยเหตุนี้ การเปลี่ยนมาใช้พลังงานสะอาดหรือพลังงานทางเลือกจึงเป็นหนึ่งในแนวทางสำคัญของการปกป้องโลก แต่พลังงานสะอาดส่วนใหญ่ก็มีข้อเสียของมัน ตรงที่มักมีกำลังการผลิตน้อย ไม่เพียงพอต่อความต้องการและการใช้ที่มหาศาลของมนุษย์

นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามหาพลังงานทางเลือกใหม่ ๆ และเกิดความคิดว่า หากเราสามารถเลียนแบบการสร้างพลังงานของต้นไม้อย่าง “กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis)” ได้ อาจจะทำให้มนุษย์มีแหล่งพลังงานใหม่ ๆ ที่ไม่เป็นภัยต่อโลก

เรื่องของ “เทคโนโลยีสังเคราะห์แสงเทียม” ซึ่งเป็นการเลียนแบบระบบสร้างพลังงานของพืชเพื่อสร้างเชื้อเพลิงของเราเองนั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่ที่ผ่านมาการศึกษาเหล่านี้ดูจะไม่ประสบความสำเร็จเท่าไหร่นัก เพราะกระบวนการสังเคราะห์แสงแม้แค่ในใบไม้เพียงใบเดียวก็มีความซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ และไม่ง่ายนักที่จะปรับให้เข้ากับการใช้งานของมนุษย์

การสังเคราะห์ด้วยแสงในธรรมชาติเป็นกระบวนการเพื่อสร้างคาร์โบไฮเดรต ซึ่งเหมาะสำหรับการเป็นอาหารให้กับเราได้ แต่ไม่ใช่กับรถยนต์ของเราซึ่งต้องการพลังงานที่เข้มข้นกว่ามาก ดังนั้น นักวิจัยต้องการสร้างทางเลือกทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล และต้องปรับกระบวนการใหม่เพื่อสร้างเชื้อเพลิงที่มีพลังงานมากขึ้น เช่น เอทานอล หรือมีเทน

แต่ล่าสุด ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยชิคาโก สหรัฐฯ ได้ทำการพัฒนาเทคโนโลยีสังเคราะห์แสงเทียมแบบใหม่ขึ้นมา โดยการสังเคราะห์พลังงานจากแสงเทียมซึ่งมีประสิทธิผลมากกว่าเทคโนโลยีสังเคราะห์แสงเทียมก่อนหน้านี้

เทคโนโลยีนี้แตกต่างจากการสังเคราะห์ด้วยแสงทั่วไปซึ่งต้นไม้ใช้คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำในการผลิตแป้งหรือคาร์โบไฮเดรต ซึ่งเป็นอาหารสำคัญของพืช แต่สามารถผลิตเอทานอล มีเทน หรือเชื้อเพลิงอื่น ๆ จากแสงเทียมได้

โดยธรรมชาติแล้ว การสังเคราะห์ด้วยแสงจะดำเนินการโดยโปรตีนและเม็ดสีในต้นไม้ พวกมันดูดซับน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ แยกโมเลกุลออกจากกัน และจัดเรียงอะตอมใหม่เพื่อสร้างเป็นคาร์โบไฮเดรต อย่างไรก็ตาม เราไม่ได้ต้องการคาร์โบไฮเดรตขนาดนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องออกแบบกระบวนการใหม่เพื่อสร้างการจัดเรียงที่ต่างออกไป โดยสร้างมีเทน (CH4) แทน

วิศวกรรมใหม่นี้พูดง่ายกว่าการลงมือทำจริงมาก นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากต่างพยายามแก้ไขมันมาเป็นเวลาหลายสิบปี โดยพยายามเทียบเคียงประสิทธิภาพของธรรมชาติให้ได้มากที่สุด

ทีมวิจัยชิคาโกตั้งสมมติฐานว่า หากพวกเขาอาจลองเพิ่มอะไรบางอย่างที่กระบวนการสังเคราะห์แสงเทียมในปัจจุบันยังไม่มี ผลลัพธ์ที่ได้อย่างเปลี่ยนไป นั่นคือการเพิ่ม “กรดอะมิโน” เข้าไปในกระบวนการ

ทีมวิจัยใช้วัสดุชนิดหนึ่งที่เรียกว่า โครงโลหะอินทรีย์ (Metal-Organic Framework; MOF) ซึ่งเป็นกลุ่มของสารประกอบที่ประกอบด้วยไอออนของโลหะที่ยึดเกาะกันโดยโมเลกุลอินทรีย์

จากนั้นพวกเขาก็ออกแบบ MOF ให้ออกมาเป็นเหมือนแผ่นที่มีชั้นเดียว เพื่อให้มีพื้นที่ผิวสูงสุดสำหรับการเกิดกระบวนการทางเคมี และจุ่มมันลงในสารละลายที่รวมสารประกอบโคบอลต์กับอิเล็กตรอนที่อยู่รอบ ๆ แล้วเพิ่มกรดอะมิโนลงใน MOF และพบว่า พวกเขาสามารถปรับปรุงกระบวนการสังเคราะห์แสงเทียมได้จริง

แม้ว่าประสิทธิภาพจะดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด แต่การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมยังต้องใช้เวลาอีกมากก่อนที่จะสามารถผลิตเชื้อเพลิงได้เพียงพอต่อการใช้งานอย่างแพร่หลาย

แม้ว่าจะยังอีกยาวไกลกว่าที่มันจะกลายเป็นแหล่งพลังงานหรือเชื้อเพลิงให้กับรถยนต์ของประชากรโลกในทุกวันได้อย่างเพียงพอ แต่นี่ก็ถือเป็นมีทิศทางใหม่ในการสำรวจและการพัฒนาพลังงานทางเลือกใหม่ ๆ และอาจมีประโยชน์ระยะสั้นสำหรับการผลิตสารเคมีต่าง ๆ

ศ.หลิน เหวินปิน นักเคมีจากมหาวิทยาลัยชิคาโก หนึ่งในทีมวิจัย กล่าวว่า “นี่เป็นการปรับปรุงครั้งใหญ่ในเทคโนโลยีสังเคราะห์แสงเทียม แต่ที่สำคัญพอ ๆ กัน เราสามารถแสดงความเข้าใจที่ชัดเจนมากว่า ระบบเทียมนี้ทำงานอย่างไรในระดับโมเลกุล ซึ่งไม่เคยสำเร็จมาก่อน”

 

 

อย่างไรก็ตาม เขาเสริมว่า “ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่หลายคนไม่รู้ก็คือ แม้แต่ธรรมชาติก็ไม่มีทางแก้ไขปัญหาความต้องการพลังงานของเราได้ ... แม้แต่การสังเคราะห์ด้วยแสงก็ไม่ได้ดีขนาดนั้น เราจะต้องทำได้ดีกว่าธรรมชาติ ซึ่งเป้นเรื่องที่แค่คิดก็น่ากลัวแล้ว”

เขาบอกอีกว่า “พลังงานจากการสังเคราะห์แสงเทียมนี้ยังไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะจ่ายเชื้อเพลิงให้เราขับรถยนต์ในทุก ๆ วันได้ ดังนั้น เราอาจต้องการอย่างอื่น”

 

เรียบเรียงจาก PHYS.org / วารสาร Nature

ภาพจาก PHYS.org