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”

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/