นักวิทยาศาสตร์ใช้การสังเคราะห์แสงเทียมเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงด้วยแสงอาทิตย์

เลียนแบบธรรมชาติเพื่อขับเคลื่อนอนาคต

นักวิจัยจีนสร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญด้านเทคโนโลยีพลังงานสะอาด ด้วยการพัฒนาระบบที่เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นสารตั้งต้นทางเคมีที่มีมูลค่า โดยใช้เพียงแสงอาทิตย์ ผลงานที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการ Nature Communications ซึ่งผ่านการประเมินโดยผู้ทรงคุณวุฒิ ได้แรงบันดาลใจจากการสังเคราะห์แสง ซึ่งเป็นกระบวนการตามธรรมชาติที่พืชใช้ผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ น้ำ และคาร์บอนในบรรยากาศ

ทีมวิจัยซึ่งประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีนและมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีฮ่องกง สร้างวัสดุเฉพาะที่สามารถกักเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ได้ในปริมาณเล็กน้อย ความสามารถในการกักเก็บพลังงานนี้จำเป็นต่อการขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีที่ใช้เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นสารประกอบที่มีประโยชน์ โดยไม่ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล

เมื่อนำไปใช้ร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ช่วยให้การเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้น ระบบนี้จะผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์โดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้ สารเคมีตัวกลางนี้สามารถนำไปแปรรูปต่อเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลว ซึ่งอาจเป็นแนวทางในการจัดหาพลังงานให้ภาคส่วนที่ยังเปลี่ยนไปใช้พลังงานไฟฟ้าได้ยาก เช่น การบินและการเดินเรือ

การสังเคราะห์แสงเทียมทำงานอย่างไร

การเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงโดยใช้แสงอาทิตย์ ซึ่งเรียกว่าการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงหรือการสังเคราะห์แสงเทียม เป็นเป้าหมายของงานวิจัยพลังงานสะอาดมาอย่างยาวนาน การสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติช่วยให้พืชกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในพันธะเคมี โดยสร้างน้ำตาลจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ นักวิทยาศาสตร์พยายามจำลองประสิทธิภาพนี้ในห้องปฏิบัติการ เพื่อสร้างเชื้อเพลิงทางเลือกที่ยั่งยืนและอาจใช้ทดแทนผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมได้

ทีมจีนมุ่งแก้ปัญหาสำคัญประการหนึ่งของการสังเคราะห์แสงเทียม นั่นคือการเชื่อมโยงปฏิกิริยาเคมีซับซ้อนหลายขั้นตอนให้เกิดขึ้นพร้อมกัน ระบบตามธรรมชาติใช้กลไกทางชีวภาพที่ซับซ้อนในการกักเก็บอิเล็กตรอนที่เกิดจากแสงไว้ชั่วคราว ซึ่งช่วยให้ถ่ายโอนพลังงานระหว่างขั้นตอนต่าง ๆ ของปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ นักวิจัยจำลองกลยุทธ์นี้ด้วยการออกแบบวัสดุทังสเตนไตรออกไซด์ที่ดัดแปลงด้วยเงิน ให้ทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บประจุ

ทีมวิจัยอธิบายกลยุทธ์ที่เป็นความก้าวหน้าครั้งนี้ไว้ในบทความที่ตีพิมพ์

งานวิจัยนี้วางรากฐานกลยุทธ์แหล่งกักเก็บประจุที่ได้แรงบันดาลใจจากชีววิทยา เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรีดิวซ์คาร์บอนไดออกไซด์ด้วยแสง และนำเสนอแนวทางที่ประยุกต์ใช้ได้ทั่วไปสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงจากพลังงานแสงอาทิตย์

วัสดุนี้กักเก็บอิเล็กตรอนขณะได้รับแสง และปล่อยออกมาเมื่อต้องการเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี ระบบทำงานได้ใกล้เคียงกับแนวทางที่ใช้สารอินทรีย์สละตัว ซึ่งมักไม่ยั่งยืน อีกทั้งยังประยุกต์ใช้ได้ทั่วไปเมื่อใช้ร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาหลากหลายชนิด ภายใต้แสงอาทิตย์ตามธรรมชาติ วัสดุนี้กระตุ้นปฏิกิริยาการเปลี่ยนสารได้สำเร็จ แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการนำไปใช้ผลิตเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์จริง โดยไม่ต้องใช้แสงประดิษฐ์หรือแหล่งพลังงานภายนอก

การแข่งขันทั่วโลกทวีความเข้มข้น

ความก้าวหน้าของจีนเกิดขึ้นท่ามกลางการแข่งขันระหว่างประเทศที่เข้มข้นขึ้น เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ให้ใช้งานได้จริง นักวิจัยทั่วโลกกำลังพัฒนาแนวทางคู่ขนานเพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศให้เป็นแหล่งพลังงานที่นำไปใช้ได้ โดยแต่ละแนวทางมีกลยุทธ์ทางเทคนิคและการใช้งานเป้าหมายที่แตกต่างกัน ความก้าวหน้าที่เกิดขึ้นพร้อมกันเหล่านี้บ่งชี้ว่า เทคโนโลยีอาจใกล้พร้อมใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว หลังผ่านการวิจัยในห้องปฏิบัติการมาหลายทศวรรษ

ในสวิตเซอร์แลนด์ นักวิทยาศาสตร์จาก ETH Zurich นำโดยศาสตราจารย์อัลโด สไตน์เฟลด์ พัฒนาโรงงานอุตสาหกรรมที่สกัดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำจากอากาศโดยรอบโดยตรง โรงงานใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงเพื่อแยกสารเหล่านี้ให้ได้ก๊าซสังเคราะห์ ซึ่งเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ ก่อนนำไปแปรรูปเป็นน้ำมันก๊าดและเมทานอล น้ำมันก๊าดจากพลังงานแสงอาทิตย์นี้ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ขณะเผาไหม้เพียงเท่ากับปริมาณที่ดูดซับไว้ระหว่างการผลิต จึงมีความเป็นกลางทางคาร์บอน เทคโนโลยีก้าวหน้ามากพอสำหรับการนำไปใช้เชิงพาณิชย์แล้ว โดยมีการจัดหาเงินทุนสำหรับโรงงานผลิตระดับอุตสาหกรรมในเยอรมนี ซึ่งคาดว่าจะใช้สาธิตความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของกระบวนการนี้

นักวิจัยญี่ปุ่นทำลายสถิติประสิทธิภาพเดิมด้วยแนวทางที่แตกต่างเช่นกัน นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันวิทยาศาสตร์โตเกียวและมหาวิทยาลัยฮิโรชิมาพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงชนิดออกซีเฮไลด์ที่มีตะกั่วเป็นองค์ประกอบ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนได้สูงสุดถึง 60 เท่า เมื่อเทียบกับวิธีทั่วไป วัสดุนี้ทำสถิติผลได้ควอนตัมราว 15% สำหรับการผลิตไฮโดรเจน และ 10% สำหรับการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นกรดฟอร์มิก ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงเหลว ศาสตราจารย์คาซูฮิโกะ มาเอดะ หนึ่งในหัวหน้าทีมวิจัย อธิบายความสำคัญของการปรับปรุงโครงสร้างดังกล่าว

งานศึกษานี้เน้นย้ำความสำคัญของการควบคุมสัณฐานของออกซีเฮไลด์ เพื่อดึงศักยภาพสูงสุดของวัสดุเหล่านี้ในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงออกมา

ขณะเดียวกัน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์และดักจับคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศโดยตรงผ่านตัวกรองเฉพาะ อุปกรณ์นี้ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ในเวลากลางคืน และเปลี่ยนเป็นก๊าซสังเคราะห์เมื่อได้รับแสงอาทิตย์ โดยทำงานได้โดยไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก สายเคเบิล หรือแบตเตอรี่ กระจกจะรวมแสงอาทิตย์เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี เป็นแนวทางแบบกระจายศูนย์ที่อาจช่วยให้ผลิตเชื้อเพลิงในพื้นที่ห่างไกลซึ่งไม่มีการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าได้

นักวิทยาศาสตร์อินเดียมีส่วนร่วมในความพยายามระดับโลกนี้ด้วย ศาสตราจารย์อินทราจิต โชว์น จากสถาบันเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ฮินดูสถานในเมืองเจนไน พัฒนาวัสดุที่มีสังกะสีและกำมะถันเป็นองค์ประกอบ ซึ่งรับแสงอาทิตย์เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นอะเซตัลดีไฮด์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบของเชื้อเพลิง ระบบนี้ทำงานได้มีประสิทธิภาพกว่าวิธีก่อนหน้าราว 200 เท่า โดยใช้แสงอาทิตย์ทั่วไปแทนอุปกรณ์ให้แสงเฉพาะทาง ศาสตราจารย์โชว์นเน้นย้ำเป้าหมายเชิงปฏิบัติของงานวิจัยนี้

งานวิจัยนี้มุ่งค้นหาวิธีที่ใช้ได้จริงเพื่อช่วยโลก ไม่ใช่แค่สร้างความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์

ความก้าวหน้าเหล่านี้จากหลายประเทศชี้ว่า เทคโนโลยีเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์กำลังพัฒนาไปสู่ความพร้อมใช้งาน ผ่านแนวทางอิสระหลายรูปแบบ ซึ่งเพิ่มโอกาสที่อย่างน้อยหนึ่งแนวทางจะประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์

มุ่งเป้าการบินและการเดินเรือ

เทคโนโลยีเหล่านี้มีศักยภาพใช้งานได้ไกลกว่าการขนส่งทั่วไป ครอบคลุมภาคส่วนที่เปลี่ยนไปใช้พลังงานไฟฟ้าได้ยากเป็นพิเศษ การบิน การเดินเรือ และอุตสาหกรรมหนักพึ่งพาเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเหลวอย่างมาก เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานสูงและใช้ร่วมกับโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ได้ ภาคส่วนเหล่านี้รวมกันปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วโลกในสัดส่วนสูง แต่ยากต่อการเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีแบตเตอรี่ไฟฟ้าหรือเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

การบินมีอุปสรรคสำคัญอย่างยิ่งในการลดการปล่อยคาร์บอน เครื่องบินต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงมาก เพื่อรักษาน้ำหนักและพิสัยการบินให้อยู่ในระดับเหมาะสม เทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบันยังเก็บพลังงานได้ไม่เพียงพอสำหรับเที่ยวบินระยะไกล หากไม่เพิ่มน้ำหนักจนมากเกินไปและทำให้การดำเนินงานเชิงพาณิชย์เป็นไปไม่ได้ ปัจจุบันอุตสาหกรรมการบินปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์จากกิจกรรมของมนุษย์ทั่วโลกราว 3% และคาดว่าตัวเลขนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนผู้โดยสารเพิ่มเป็น 7,500 ล้านคนต่อปีภายในปี 2035

เชื้อเพลิงที่ผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นทางออกที่น่าสนใจ เพราะสามารถใช้แทนเชื้อเพลิงฟอสซิลทั่วไปได้ทันที น้ำมันก๊าดที่ผลิตจากคาร์บอนไดออกไซด์และแสงอาทิตย์สามารถใช้กับเครื่องยนต์อากาศยานที่มีอยู่ได้โดยไม่ต้องดัดแปลง ส่วนเมทานอลสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงทางทะเลหรือเป็นวัตถุดิบทางเคมีสำหรับการผลิตยา เนื่องจากเชื้อเพลิงเหล่านี้ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์เพียงเท่ากับปริมาณที่ดักจับไว้ระหว่างการผลิต จึงทำให้เกิดวัฏจักรคาร์บอนแบบปิดที่ไม่เพิ่มก๊าซเรือนกระจกใหม่สู่บรรยากาศ และยังใช้โครงสร้างพื้นฐานการกระจายเชื้อเพลิงที่มีอยู่ได้

สมาคมขนส่งทางอากาศระหว่างประเทศระบุว่า เชื้อเพลิงการบินที่ยั่งยืนเป็นสิ่งจำเป็นต่อการบรรลุการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์สุทธิเป็นศูนย์ภายในปี 2050 สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศคาดการณ์ว่าเชื้อเพลิงดังกล่าวอาจรองรับความต้องการเชื้อเพลิงการบินได้ 10% ภายในปี 2030 และเพิ่มเป็นเกือบ 20% ภายในปี 2040 อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันการใช้เชื้อเพลิงยั่งยืนยังต่ำกว่า 0.1% ของการบริโภคทั้งหมด สะท้อนให้เห็นว่าต้องขยายการผลิตอีกมหาศาลเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย แม้เทคโนโลยีจะพิสูจน์ประสิทธิภาพแล้วทั้งในห้องปฏิบัติการและโครงการนำร่อง

อุปสรรคต่อการใช้งานเชิงพาณิชย์

แม้ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์จะน่าทึ่ง แต่อุปสรรคสำคัญยังขัดขวางการใช้เทคโนโลยีเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์อย่างแพร่หลาย ต้นทุนยังเป็นปัจจัยหลักที่ขวางความคุ้มค่าเชิงพาณิชย์ นักวิจัยสวิตเซอร์แลนด์ประเมินว่า หากผลิตน้ำมันก๊าดจากแสงอาทิตย์ในระดับใหญ่ จะมีต้นทุนลิตรละ 1.35-2.20 ดอลลาร์ แม้จะเป็นความก้าวหน้าสู่การแข่งขันกับน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานทั่วไป แต่ความต้องการเงินลงทุนเริ่มต้นสูงสำหรับโรงงานระดับอุตสาหกรรมทำให้การนำไปใช้ซับซ้อน และสร้างความเสี่ยงให้แก่นักลงทุนระยะแรก

ข้อจำกัดด้านภูมิศาสตร์ยังจำกัดศักยภาพการผลิต การผลิตเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ต้องอาศัยแสงแดดที่มีมาก ทำให้พื้นที่ทะเลทรายเหมาะแก่การตั้งโรงงาน อย่างไรก็ตาม การขนส่งเชื้อเพลิงจากพื้นที่ทะเลทรายห่างไกลไปยังศูนย์กลางการขนส่งสำคัญต้องลงทุนโครงสร้างพื้นฐานจำนวนมากและประสานงานด้านโลจิสติกส์ ต่างจากเชื้อเพลิงชีวภาพซึ่งมักแข่งขันกับการผลิตอาหารเพื่อใช้พื้นที่เกษตร เชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์สามารถผลิตในพื้นที่ทะเลทรายที่เพาะปลูกไม่ได้ จึงช่วยสงวนพื้นที่เกษตรอันมีค่าไว้สำหรับพืชผลและปศุสัตว์ พร้อมใช้ประโยชน์จากพื้นที่ที่มีความเข้มรังสีอาทิตย์สูง

ความท้าทายทางเทคนิคยังคงมีอยู่ ทั้งการเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนสารและความทนทานของระบบ แม้ความก้าวหน้าล่าสุดจะปรับปรุงเทคโนโลยีให้ดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับรุ่นก่อน แต่ระบบปัจจุบันยังเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีอยู่เป็นพันธะเคมีได้เพียงบางส่วน เพื่อให้เห็นภาพ การสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติมีประสิทธิภาพราว 1% ขณะที่ผลงานในห้องปฏิบัติการล่าสุดมีประสิทธิภาพสูงถึง 13-15% ในขั้นตอนปฏิกิริยาเฉพาะ ตามงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science งานวิจัยต่อไปต้องมุ่งพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ปรับปรุงกลไกการแยกประจุ และสร้างระบบที่ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมจริง ไม่ใช่เฉพาะในห้องปฏิบัติการควบคุมที่มีอุณหภูมิและความชื้นคงที่

การสนับสนุนนโยบายดูเป็นปัจจัยสำคัญในการเชื่อมช่องว่างระหว่างความสำเร็จในห้องปฏิบัติการกับการใช้งานเชิงพาณิชย์ นักวิจัยเสนอให้ใช้ระบบโควตาที่กำหนดให้สายการบินจัดหาเชื้อเพลิงในสัดส่วนที่ระบุจากแหล่งยั่งยืน เพื่อสร้างอุปสงค์ที่แน่นอนและรองรับการลงทุนโครงสร้างพื้นฐาน กรอบกำกับดูแลลักษณะนี้อาจเร่งการขยายกำลังผลิตและลดต้นทุนผ่านการเพิ่มปริมาณการผลิต ตามแบบอย่างที่ช่วยลดต้นทุนแผงพลังงานแสงอาทิตย์และกังหันลมได้สำเร็จในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา

ประเด็นสำคัญ

• นักวิทยาศาสตร์จีนพัฒนาระบบที่ได้แรงบันดาลใจจากพืช โดยใช้ทังสเตนไตรออกไซด์ดัดแปลงด้วยเงินเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเป็นสารตั้งต้นของเชื้อเพลิงด้วยแสงอาทิตย์ ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications
• เทคโนโลยีใช้กลยุทธ์แหล่งกักเก็บประจุเพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี จึงไม่ต้องใช้สารสละตัวที่ไม่ยั่งยืน
• งานวิจัยคู่ขนานในสวิตเซอร์แลนด์ ญี่ปุ่น สหราชอาณาจักร และอินเดียกำลังพัฒนาเทคโนโลยีเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ที่คล้ายกัน ด้วยแนวทางและระดับประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน
• เชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์มีศักยภาพสูงเป็นพิเศษในการลดการปล่อยคาร์บอนของการบินและการเดินเรือ ซึ่งเปลี่ยนไปใช้พลังงานไฟฟ้าได้ยากเนื่องจากต้องการความหนาแน่นพลังงานสูง
• ประมาณการต้นทุนปัจจุบันของน้ำมันก๊าดจากแสงอาทิตย์อยู่ที่ลิตรละ 1.35-2.20 ดอลลาร์ และต้องลงทุนโครงสร้างพื้นฐานจำนวนมากเพื่อผลิตในระดับใหญ่
• สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศคาดการณ์ว่า เชื้อเพลิงการบินที่ยั่งยืนอาจรองรับความต้องการได้ 10% ภายในปี 2030 และ 20% ภายในปี 2040 หากแก้ปัญหาการขยายกำลังผลิตได้