นักวิจัย UCSB พัฒนา ‘แบตเตอรี่ของเหลว’ แบบใหม่ กักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ลงขวดได้ ประสิทธิภาพทะลุลิเธียมไอออน

เมื่อดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้า แผงโซลาร์เซลล์ที่เคยผลิตไฟก็ต้องหยุดทำงานลง นี่คือจุดอ่อนสำคัญและข้อจำกัดระดับรากฐานของพลังงานหมุนเวียนมาโดยตลอด คำถามที่ท้าทายวงการพลังงานคือ เราจะเก็บเกี่ยวพลังอันมหาศาลจากดวงอาทิตย์เอาไว้ใช้อย่างไรในวันที่ท้องฟ้ามืดครึ้ม หรือในค่ำคืนที่อากาศหนาวเหน็บ

ก้าวใหม่จาก UCSB นวัตกรรมพลังงานที่ไม่พึ่งสายไฟ

ล่าสุด นักเคมีจากมหาวิทยาลัย UC Santa Barbara (UCSB) ได้ค้นพบทางออกที่อาจพลิกโฉมวงการ โดยไม่ต้องพึ่งพาแบตเตอรี่ก้อนยักษ์หรือโครงข่ายไฟฟ้าที่ซับซ้อนอีกต่อไป ในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ผ่านวารสารระดับโลกอย่าง Science รองศาสตราจารย์ Grace Han และทีมงาน ได้เปิดเผยรายละเอียดของวัสดุชนิดใหม่ที่สามารถดักจับแสงอาทิตย์ เก็บกักไว้ในรูปแบบของพันธะเคมี และปลดปล่อยออกมาเป็นความร้อนได้ทุกเมื่อที่ต้องการ นวัตกรรมนี้มีชื่อเรียกว่าโมเลกุลอินทรีย์ดัดแปลง Pyrimidone ซึ่งถือเป็นหมัดเด็ดล่าสุดในวงการเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ระดับโมเลกุล หรือที่เรียกย่อๆ ว่า MOST (Molecular Solar Thermal)

'แนวคิดนี้เน้นความสามารถในการนำกลับมาใช้ใหม่และรีไซเคิลได้' Han Nguyen นักศึกษาปริญญาเอกผู้เป็นหัวหอกในการวิจัยครั้งนี้ อธิบายให้เห็นภาพง่ายๆ ว่า 

'ลองนึกถึงแว่นตาเลนส์ออโต้ (Photochromic) ตอนที่คุณอยู่ในบ้าน มันก็เป็นแค่เลนส์ใสๆ แต่พอเดินออกไปเจอแดดจัด เลนส์มันก็เปลี่ยนสีเข้มขึ้นเอง และพอกลับเข้าบ้าน มันก็ใสเหมือนเดิม การเปลี่ยนแปลงที่สลับไปมาได้แบบนี้นี่แหละคือสิ่งที่เราสนใจ เพียงแต่เราไม่ได้จะเอามาเปลี่ยนสี เรานำไอเดียนี้มากักเก็บพลังงาน ปล่อยออกมาตอนที่จำเป็นต้องใช้ แล้วก็นำวัสดุนี้กลับมาชาร์จพลังงานซ้ำได้เรื่อยๆ'

ไขความลับจากธรรมชาติ: เมื่อ DNA กลายเป็นแม่แบบของพลังงาน

เบื้องหลังการสร้างโมเลกุลสุดอัจฉริยะนี้ ทีมวิจัยได้แรงบันดาลใจมาจากแหล่งที่คาดไม่ถึงอย่าง DNA โดยโครงสร้างของ Pyrimidone นั้นมีความคล้ายคลึงกับองค์ประกอบบางอย่างใน DNA มนุษย์ ที่เมื่อโดนรังสี UV จะสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างไปมาได้แบบย้อนกลับ ทีมวิจัยจึงได้สร้างโมเลกุลสังเคราะห์เลียนแบบกลไกนี้ขึ้นมา พร้อมจับมือกับ Ken Houk ศาสตราจารย์ด้านการวิจัยจาก UCLA เพื่อใช้ระบบคอมพิวเตอร์ประมวลผลขั้นสูง หาคำตอบว่าทำไมโมเลกุลจิ๋วนี้ถึงเก็บพลังงานได้เสถียรยาวนานเป็นปีๆ โดยที่พลังงานไม่รั่วไหล 'เราตั้งโจทย์ไว้ว่าโมเลกุลต้องเล็กและเบาที่สุด สำหรับโปรเจกต์นี้ เราหั่นชิ้นส่วนที่ไม่จำเป็นทิ้งทั้งหมด เพื่อให้โมเลกุลมีความกะทัดรัดขั้นสุด' Han Nguyen เสริม

ในขณะที่โซลาร์เซลล์ทั่วไปเปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้า เทคโนโลยี MOST จะแปลงแสงให้กลายเป็นพลังงานเคมีแทน โมเลกุลนี้ทำงานเปรียบเสมือนขดลวดสปริงจิ๋ว เมื่อแสงอาทิตย์สาดส่องลงมา มันจะบิดตัวม้วนเข้าหากันจนอยู่ในสภาวะที่มีพลังงานสะสมตัวสูงมาก และจะถูกล็อคคาไว้ในสภาพนั้น จนกว่าจะได้รับตัวกระตุ้นเล็กๆ น้อยๆ อย่างความร้อนหรือตัวเร่งปฏิกิริยา สปริงโมเลกุลนี้ก็จะดีดตัวกลับสู่สภาพเดิม พร้อมคายพลังงานที่กักเก็บไว้ออกมาในรูปของความร้อน 'เรานิยามมันว่าเป็นแบตเตอรี่แสงอาทิตย์แบบชาร์จได้ และโมเลกุลตัวใหม่นี้ก็ไม่ธรรมดา เพราะมันมีความหนาแน่นของพลังงานสูงทะลุ 1.6 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ซึ่งสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาตรฐาน (0.9 MJ/kg) ถึงเกือบสองเท่า' Han Nguyen กล่าว 

จากโมเลกุลสู่พลังงานที่ต้มน้ำเดือดได้

ความท้าทายที่ยากที่สุดของกลุ่มวิจัย Han Nguyen คือการนำตัวเลขพลังงานมหาศาลนี้มาแสดงผลลัพธ์ให้เห็นจริง และในการทดลอง พวกเขาก็สร้างความฮือฮาด้วยการพิสูจน์ว่า ความร้อนที่ปลดปล่อยจากวัสดุชนิดนี้ ร้อนแรงพอที่จะต้มน้ำให้เดือดปุดๆ ได้ ซึ่งถือเป็นเรื่องที่หินมากในแวดวงการวิจัยนี้ 'การต้มน้ำต้องใช้พลังงานมหาศาล การที่เราทำให้น้ำเดือดได้ในสภาพแวดล้อมทั่วไป ถือเป็นความสำเร็จครั้งใหญ่เลยทีเดียว' Han Nguyen กล่าว 

อนาคตของระบบทำความร้อนแห่งยุคต่อไป ศักยภาพในการต้มน้ำให้เดือดได้ เปิดกว้างสู่การนำไปใช้งานจริงอีกเพียบ ไม่ว่าจะเป็นเครื่องทำความร้อนแบบพกพาสำหรับสายแคมป์ปิ้ง ไปจนถึงระบบทำน้ำอุ่นในบ้านเรือน และด้วยความที่วัสดุตัวนี้สามารถละลายน้ำได้ ในอนาคตเราอาจเห็นการปั๊มของเหลวชนิดนี้ขึ้นไปบนหลังคาเพื่ออาบแดดชาร์จพลังงานตอนกลางวัน แล้วเก็บลงถังเพื่อใช้เป็นฮีตเตอร์ในตอนกลางคืน 'ถ้าใช้โซลาร์เซลล์ คุณต้องซื้อแบตเตอรี่ก้อนใหญ่ๆ มาติดเพิ่มเพื่อเก็บไฟ แต่ด้วยเทคโนโลยี MOST ตัววัสดุเองคือสิ่งที่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในตัวมันเองเลย' Benjamin Baker ผู้ร่วมวิจัยกล่าวทิ้งท้าย 

งานวิจัยสุดล้ำนี้ยังได้รับทุนสนับสนุน Moore Inventor Fellowship ในปี 2025 ซึ่งจะช่วยผลักดันให้แบตเตอรี่ดวงอาทิตย์ออกมาเป็นรูปธรรมได้เร็วขึ้นอีกด้วย

ที่มา: UC Santa Barbara