นักวิทย์พัฒนา “แบตเตอรี่เหลว” เลียนแบบโครงสร้าง DNA สามารถดักจับและกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ได้โดยไม่ต้องแปลงเป็นไฟฟ้า ชูจุดเด่นปล่อยความร้อนได้ทันที
นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการ "จับพระอาทิตย์ใส่ขวด" ด้วยเทคโนโลยีแบตเตอรี่เหลวชีวภาพที่เลียนแบบโครงสร้างโมเลกุลระดับ DNA สามารถดักจับรังสีจากแสงแดดมาเก็บไว้ในของเหลวได้โดยตรง โดยไม่ต้องพึ่งพาแผงโซลาร์เซลล์แบบเดิม ๆ โดยมีจุดเด่นคือความจุพลังงานที่สูงขึ้นและเก็บได้ยาวนานข้ามปี พร้อมปลดปล่อยเป็นพลังงานความร้อนได้ทันทีแม้ในคืนที่ไร้แสงแดด ช่วยให้ทุกครัวเรือนเข้าถึงพลังงานสะอาดได้อย่างยั่งยืน
นวัตกรรมเลียนแบบโมเลกุล DNA
โดยทั่วไปแล้ว การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่เราคุ้นเคยจะต้องใช้แผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่เพื่อเปลี่ยนแสงแดดให้เป็นไฟฟ้า แล้วส่งไปเก็บไว้ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ซึ่งมักจะมีปัญหาเรื่องการสูญเสียพลังงานระหว่างทางและไม่สามารถเก็บไว้ได้นาน
ทีมนักวิจัยฉีกตำราเดิมด้วยการหันไปพึ่งพาธรรมชาติ ด้วยการออกแบบระบบกักเก็บพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ด้วยโมเลกุล หรือที่เรียกว่าระบบ MOST (Molecular Solar Thermal) โดยการสังเคราะห์สารเคมีอินทรีย์กลุ่ม Pyrimidone ที่มีโครงสร้างเลียนแบบส่วนประกอบธรรมชาติในดีเอ็นเอ (DNA) ของสิ่งมีชีวิต ซึ่งโครงสร้างนี้สามารถบิดตัวเปลี่ยนรูปได้อย่างสมบูรณ์เมื่อถูกแสง UV เมื่อโมเลกุลเหลวนี้สัมผัสกับแสงแดด ก็จะดูดซับพลังงานและเปลี่ยนโครงสร้างให้กลายเป็นรูปทรงใหม่ที่กักเก็บพลังงานสูง (Dewar isomer) คล้ายกับการกดสปริงให้หดตัวลงในขวดแก้ว ซึ่งพลังงานจะถูกขังโดยไม่มีการรั่วไหล
การกักเก็บพลังงานไว้ในขวดแก้ว
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา (University of California, Santa Barbara) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนาระบบแบตเตอรี่โมเลกุล นำโดยรองศาสตราจารย์ Grace Han หัวหน้าห้องปฏิบัติการวิจัย ร่วมกับ Han Nguyen นักศึกษาปริญญาเอก ได้พัฒนาสารประกอบเหลวชนิดใหม่ โดยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์วิเคราะห์จนพบว่า ตัวโมเลกุลมีความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 1.6 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ซึ่งให้พลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนเกือบเท่าตัว
และที่น่าทึ่งคือ ความสามารถในการเก็บพลังงานในขวดแก้วที่ปิดสนิทได้ยาวนานเป็นเดือนจนถึงเป็นปี ๆ (คำนวณอายุการเก็บได้นานสูงสุดถึง 1,240 วัน) โดยคงประสิทธิภาพไว้เท่าเดิม ไม่เสื่อมสลายไปตามกาลเวลาเหมือนแบตเตอรี่ทั่วไป
การกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในรูปพันธะเคมีผ่านการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุล
ปลดปล่อยความร้อนตามสั่ง
ความมหัศจรรย์ของแบตเตอรี่เหลวชีวภาพนี้ไม่ได้หยุดอยู่แค่การเก็บ แต่รวมถึงกระบวนการ "คายพลังงาน" ออกมาใช้งาน เมื่อเราต้องการดึงพลังงานความร้อนที่ซ่อนอยู่ออกมา เพียงแค่ปล่อยของเหลวนี้ให้สัมผัสกับตัวกระตุ้นหรือสารเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เพียงเล็กน้อย โมเลกุลที่ถูกบิดเกลียวไว้ก็จะคลายตัวกลับคืนสู่สภาพเดิมทันที พร้อมกับปลดปล่อยความร้อนที่อุณหภูมิสูงออกมาในพริบตา โดยในการทดลองจริง ทีมวิจัยสามารถทำให้ของเหลวร้อนขึ้นจนเดือดกลายเป็นน้ำเดือด (100 องศาเซลเซียส) ได้ภายในเวลาเพียง 1 วินาทีเท่านั้น
สิ่งที่น่าสนใจคือ หลังจากของเหลวนี้คายความร้อนออกไปแล้ว มันไม่ได้เสื่อมสภาพทิ้งเป็นขยะพิษ แต่จะกลับไปอยู่ในสถานะเริ่มต้นที่พร้อมจะนำไปตากแดดเพื่อ "ชาร์จพลังงานซ้ำ" ได้ใหม่อีกนับครั้งไม่ถ้วน เกิดเป็นวัฏจักรพลังงานหมุนเวียนที่สะอาดและสมบูรณ์แบบ
ประโยชน์และการหมุนเวียนพลังงาน
เทคโนโลยีนี้กำลังจะเข้ามาแก้ปัญหาความไม่เสถียรของระบบพลังงานสะอาดหมุนเวียน ในอดีตหากวันไหนฝนตกหนักหรือเป็นคืนที่หนาวเหน็บ จะไม่สามารถกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ได้เลย แต่แบตเตอรี่เหลวนี้จะเข้ามาทำหน้าที่เป็น "ธนาคารพลังงาน" เก็บแดดตอนกลางวันเอาไว้ใช้ในตอนกลางคืนได้
เทคโนโลยีนี้จะช่วยลดค่าไฟฟ้าในครัวเรือนได้อย่างมหาศาล เพราะระบบทำความร้อนและระบบน้ำอุ่นในบ้านเป็นส่วนที่กินไฟสูงที่สุด ยิ่งไปกว่านั้น แบตเตอรี่เหลวนี้ยังผลิตจากสารอินทรีย์เคมีที่ไม่ต้องพึ่งพาแร่ธาตุหายากราคาแพงอย่างลิเทียมหรือโคบอลต์ ทำให้ในอนาคตเมื่อผลิตในปริมาณมาก ต้นทุนจะมีราคาถูกลงจนทุกคนสามารถเข้าถึงได้อย่างง่ายดาย
การค้นพบแบตเตอรี่เหลวชีวภาพที่สามารถ "เก็บแดดเก็บไว้ในขวด" ได้สำเร็จ ช่วยให้เราสามารถพึ่งพาพลังงานสะอาดได้ตลอด 24 ชั่วโมง โดยไม่ต้องกังวลกับสภาพอากาศที่ผันผวน โดยทีมผู้พัฒนาเตรียมต่อยอดระบบนี้ให้มีขนาดที่เหมาะสมกับการใช้งานในระดับอาคารบ้านเรือน ตลอดจนโรงงานอุตสาหกรรม เพื่อขับเคลื่อนที่เข้าสู่ยุคพลังงานสีเขียวที่ยั่งยืน และลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้อย่างเป็นรูปธรรม
เรียบเรียงโดย ขนิษฐา จันทร์ทร
ที่มาข้อมูล: ucsb, thebrighterside, scitechdaily
ที่มาภาพ: NASA, Science
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
