ระบบผลิตพลังงานเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ของคาลเท็กซ์
ในปัจจุบันกระแสการใช้พลังงานหมุนเวียนเพื่อทดแทนการใช้พลังงานฟอสซิลกำลังได้รับความนิยมเป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตามปัญหาหนึ่งที่พบเจอสำหรับพลังงานสะอาดเหล่านี้คือ ประสิทธิภาพในการผลิตและประสิทธิภาพในการกักเก็บพลังงาน ปัญหาดังกล่าวเป็นแรงผลักดันให้เกิดหน่วยงาน JCAP (Joint Center for Artificial Photosynthesis) เพื่อคิดค้นนวัตกรรมในการแก้ไขปัญหาดังกล่าว จนกระทั่งเร็ว ๆ นี้ JCAP ประสบความสำเร็จในการคิดค้นระบบที่นำพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ในการแตกตัวของน้ำเพื่อนำมาเก็บในรูปของเชื้อเพลิงไฮโดรเจน (Hydrogen fuels) ระบบนี้มีชื่อเรียกเล่น ๆ ว่า "Artificial Leaf"
ระบบการผลิตเชื้อเพลิงโดยใช้แสงอาทิตย์หรือ Artificial Leaf นี้มีส่วนประกอบหลัก ๆ 3 ส่วน ได้แก่ Photoanode, Photocathode และ membrane โดย Photoanode จะเป็นส่วนที่ใช้แสงจากดวงอาทิตย์มาทำให้โมเลกุลน้ำแตกตัวเป็น ประจุบวก (Photon) และประจุลบ (Electron) จากนั้นประจุดังกล่าวจะถูกรวมตัวกันเป็นก๊าซไฮโดรเจน บริเวณ Photocathode
แต่ส่วนที่สำคัญของระบบนี้คือ plastic membrane (เยื่อหุ้มบางจากพลาสติก) ซึ่ง plastic membrane มีหน้าที่แยกก๊าซออกซิเจนและก๊าซไฮโดรเจนออกจากกัน หากก๊าซดังกล่าวรวมตัวกันจะทำให้เกิดการระเบิดขึ้น ในขณะที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าผ่านเยื่อบางนี้ไป เมื่อได้ก๊าซไฮโดรเจนมา ก็จะเก็บก๊าซดังกล่าวไว้ภายใต้การควบคุมความดันและถูกส่งไปทางท่อเพื่อใช้งานต่อไป
หนึ่งในปัญหาในการผลิตเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์นั้น คือการกัดกร่อนของตัวนำ (Semiconductor) ที่นำมาผลิตเป็น Photo electrode ซึ่งสารกึ่งตัวนำจำพวก silicon หรือ gallium arsenide ที่มีความสามารถดูดซับพลังงานแสงแล้วผลิตเป็นกระแสไฟฟ้าได้ แต่เมื่อสารกึ่งตัวนำพวกนี้สัมผัสน้ำจะเกิดการกัดกร่อนจึงไม่สามารถนำมาผลิตเชื้อเพลิงได้โดยตรง
แต่ JCAP Nate Lewis และทีมนักวิจัยได้นำ สาร TiO2 มาทาลงบนแผ่น gallium arsenide โดยทาสาร TiO2 ด้วยความหนาเพียง 65 นาโนเมตร ซึ่งผลของการทาสาร TiO2 นี้ทำให้แผ่น gallium arsenide ที่นำมาทำเป็น Photo electrode สามารถป้องกันการกัดกร่อนจากน้ำได้ และเพิ่มความเสถียรให้แก่แผ่นกึ่งตัวนำดังกล่าวด้วย
อีกหนึ่งข้อดีของการค้นพบนี้คือ การใช้ตัวกระตุ้น (catalysts) ที่มีราคาถูก ซึ่ง Photoanode นี้ต้องการ catalysts สำหรับกระตุ้นปฏิกิริยาการแตกตัวของโมเลกุลน้ำให้กลายเป็นก๊าซออกซิเจน, ประจุบวก และ ประจุลบ ซึ่งปกติจะใช้ Platinum (แพลทินัม, ทองคำขาว) เป็นตัว catalysts ซึ่งเป็นโลหะที่หายากและราคาสูง ซึ่งทาง JCAP ได้คิดค้นตัว catalysts ที่ราคาถูกกว่ามาก คือการใช้ นิเกิล (Nickel) ขนาดความหนา 2 นาโนเมตร วางบนชั้นผิว TiO2 ซึ่งสามารถใช้เป็น catalysts แทน แพลทินัมได้ดี
จากการทดลองผลิตเชื้อเพลิงจาก Artificial Leaf พบว่าในพื้นที่ของ Artificial Leaf ขนาด 1 ตารางเซนติเมตร สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ 10 % ไปเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจน และสามารถผลิตได้ต่อเนื่องยาวนานกว่า 40 ชั่วโมง
Professor Nate Lewis ได้กล่าวว่า “ผลงานวิจัยของเราได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความสามารถในการผลิตเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพ มีความปลอดภัย และมีต้นทุนไม่แพง ตอนนี้เรากำลังพัฒนาต่อไปเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานของระบบและพยายามลดต้นทุนให้คุ้มค่าที่สุดสำหรับการผลิตใช้งานจริง”
Souce : caltech. (Aug 25, 2015). Solar Fuels Prototype in Operation. [Video file]. Video posted to https://www.youtube.com/watch?v=mul7rLCZbC0#action=share
Bibliography
solarthermal. (AUGUST 29, 2015). VIDEO: CALTECH’S NEW SOLAR FUEL GENERATION SYSTEM. Retrieved from https://solarthermalmagazine.com: https://solarthermalmagazine.com/2015/08/29/video-caltechs-new-solar-fuel-generation-system/
