แผงโซลาร์ ‘โลหะดำ’ เปลี่ยน ‘น้ำทะเล’ เป็น ‘น้ำดื่ม’ พร้อมสกัด ‘ลิเธียม-เกลือ’ ใช้ประโยชน์

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ คิดค้นนวัตกรรม “แผงโซลาร์เซลล์” แบบใหม่ ที่สามารถเปลี่ยน “น้ำทะเล” ให้กลายเป็น “น้ำดื่มสะอาด” โดยไม่ทิ้งสิ่งตกค้าง แถมยังเปลี่ยนของเสียให้กลายเป็น “แร่ลิเธียม” และผลึกเกลือแทน

ประชากรโลกกว่า 2,200 ล้านคน ยังคงเข้าไม่ถึงน้ำดื่มสะอาดและปลอดภัยตามมาตรฐานขององค์การสหประชาชาติ ทำให้หลายพื้นที่ทั่วโลกใช้พึ่งพากระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล เพื่อเปลี่ยนน้ำจากมหาสมุทรให้เป็นน้ำจืดสำหรับอุปโภคบริโภค แต่วิธีที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันใช้พลังงานสูงมากและทำลายสิ่งแวดล้อม

โรงงานแยกเกลือออกจากน้ำทะเล มักใช้กระบวนการออสโมซิสย้อนกลับ และการกลั่นด้วยความร้อน ซึ่งใช้ทั้งพลังงานสูงและสารเคมีในการบำบัดน้ำ อีกทั้งกระบวนการเหล่านี้จะทิ้งผลพลอยได้ที่เรียกว่า “น้ำเกลือเข้มข้น” ซึ่งเต็มไปด้วยเกลือและสารเคมีในระดับที่เข้มข้นกว่าน้ำทะเลปรกติหลายเท่าตัว เมื่อน้ำเกลือเข้มข้นเหล่านี้ถูกปล่อยกลับคืนสู่มหาสมุทร มันจะจมลงสู่ก้นทะเลและแย่งชิงออกซิเจนในน้ำ ส่งผลกระทบโดยตรงต่อระบบนิเวศและสิ่งมีชีวิตในทะเลอย่างรุนแรง 

ปัญหานี้ทำให้นักวิจัยพยายามมองหาวิธีการที่สะอาดกว่ามานานหลายปี จนกระทั่งทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการของ ศ.กั๋ว ชุนเล่ย จากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ ค้นพบทางออกที่สามารถข้ามขั้นตอนการสร้างน้ำเกลือเสียไปได้ทั้งหมด ด้วยการใช้ระบบแยกเกลือพลังงานแสงอาทิตย์ โดยไม่ต้องใช้สารเคมีและมีประสิทธิภาพสูง

นักวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์แยกเกลือออกจากน้ำโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งมีลักษณะเด่นคือใช้โลหะสีดำที่มีคุณสมบัติในการดูดซับน้ำได้ดีเยี่ยมโดยการแกะสลักด้วยเลเซอร์ (ด้านขวา) แตกต่างจากระบบแยกเกลือออกจากน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีอยู่เดิม (ด้านซ้าย) 
เครดิตภาพ: University of Rochester / J. Adam Fenster

โซลาร์เซลล์แบบใหม่

ศ.กั๋วกล่าวว่า เทคโนโลยีนี้เป็นการนำความรู้ด้านทัศนศาสตร์มาประยุกต์ใช้ เพื่อแก้ปัญหาการขาดแคลนน้ำในระดับโลก โดยไม่สร้างมลพิษสะสมให้กับแหล่งน้ำธรรมชาติเหมือนในอดีต

แผงโซลาร์เซลล์นี้ ใช้แผ่นอะลูมิเนียมบาง ๆ ที่ผ่านกระบวนการยิงเลเซอร์เฟมโตวินาที (Femtosecond Laser) ที่มีความเร็วสูงมาก จนกลายเป็น “แผ่นโลหะสีดำ” ทำให้โครงสร้างเปลี่ยนแปลงไปในระดับจุลภาค กระบวนการนี้ทำให้พื้นผิวมีคุณสมบัติดูดซับแสงแดดที่เข้ามาเกือบทั้งหมด และดึงน้ำมาเคลือบเป็นฟิล์มบาง ๆ อย่างต่อเนื่อง

เมื่อน้ำทะเลไหลผ่านร่องเล็ก ๆ เหล่านี้ พลังงานแสงอาทิตย์จะทำให้น้ำระเหยกลายเป็นไอและถูกควบแน่นเป็นน้ำดื่มสะอาด ในขณะที่เกลือจะถูกแยกทิ้งไว้บนพื้นผิว ซึ่งแตกต่างจากวิธีอื่น ๆ ที่ทิ้งเกลือเกาะตัวทิ้งคราบแข็งทำลายพื้นผิวหรืออุดตันระบบ เป็นปัญหาหลักที่ทำให้นวัตกรรมในลักษณะนี้ ไม่เคยประสบความสำเร็จในการใช้งานจริงกับน้ำทะเลจากมหาสมุทร

ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ มักใช้น้ำทะเลจำลองที่มีเพียงโซเดียมคลอไรด์ซึ่งล้างออกง่าย แต่น้ำทะเลจริงมีแร่ธาตุอย่างแมกนีเซียมและแคลเซียมที่มักจะตกผลึกเป็นคราบแข็งอุดตันพื้นผิว ทีมวิจัยจึงออกแบบร่องบนพื้นผิวให้มีความกว้างและลึกเพียงพอ เพื่อกระตุ้นให้เกิดการไหลของน้ำที่แรงพอจะละลายและพัดพาผลึกเกลือออกไปยังขอบของแผ่นโลหะแทนการสะสมอยู่ที่ศูนย์กลาง

กลไกการทำความสะอาดตัวเองนี้ อาศัยปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า “ปรากฏการณ์วงกาแฟ” (Coffee Ring Effect) ซึ่งศ.กั๋วอธิบายปรากฏการณ์นี้ไว้ว่า “หากคุณหยดกาแฟลงบนพื้นผิว เมื่อน้ำระเหยไปหมดแล้ว สิ่งที่เหลืออยู่คือวงกลมเข้มข้นของอนุภาคกาแฟที่บริเวณขอบนอก”

ทีมวิจัยใช้หลักการเดียวกันนี้ เพื่อบังคับให้เกลือไหลไปยังส่วนที่ไม่มีการทำงาน ซึ่งอยู่บริเวณขอบแผงเพื่อไม่ให้รบกวนส่วนที่กำลังระเหยน้ำ จากการสังเกตผ่านกล้องจุลทรรศน์ ทีมงานพบว่าผลึกเกลือจะค่อย ๆ ไหลออกไปด้านนอกและทิ้งให้พื้นที่ส่วนกลางสะอาดอยู่ตลอดเวลา ทำให้สามารถผลิตน้ำจืดได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ

 

เปลี่ยนขยะให้เป็นลิเธียม

แผงโซลาร์เซลล์โลหะสีดำนี้ ยังหลงเหลือผลึกเกลือในรูปของแข็งแห้งสนิทไว้ ทำให้สามารถขูดออกไปเข้าสู่กระบวนการแยกเกลือได้อีก ซึ่งจะทำให้ได้แร่ธาตุสำคัญหลายชนิด ทั้งโซเดียม แมกนีเซียม แคลเซียม และโพแทสเซียม

นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังได้นำเสนอผลงานที่ตีพิมพ์ในวารสาร Materials Chemistry A ที่ใช้แผงโซลาร์นี้ในการสกัดแร่ลิเธียม โดยการฝังนาโนพาร์ทิเคิลไฮโดรเจนไททาเนต (Hydrogen Titanate Nanoparticles) ลงในร่องของโลหะดำ เพื่อทำหน้าที่ดักจับไอออนของลิเธียมที่อยู่ในน้ำทะเลโดยเฉพาะ ซึ่งเป็นวัตถุดิบสำคัญในการผลิตแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

“การทำเหมืองลิเธียมต้องใช้พลังงานสูงและส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมาก ดังนั้นการดึงลิเธียมจากน้ำทะเลโดยตรงจึงอาจเป็นเส้นทางสู่อนาคตที่สำคัญมาก” ศ.กั๋วกล่าวถึงศักยภาพของงานวิจัย

จากการทดสอบกับน้ำในทะเลสาบเกรตซอลต์ ในรัฐยูทาห์ พวกเขาสามารถสกัดลิเธียมออกมาได้ประมาณครึ่งหนึ่งของปริมาณที่มีอยู่ทั้งหมด นอกจากนี้ นักวิจัยยังทดสอบด้วยน้ำจากมหาสมุทรแอตแลนติก แปซิฟิก และมหาสมุทรอินเดีย และได้ผลลัพธ์ออกมาเป็น น้ำดื่มสะอาดตามมาตรฐานสากล

แม้ว่าในปัจจุบันแผงโซลาร์เหล่านี้จะยังมีขนาดเล็กและเป็นงานทำมือในห้องปฏิบัติการ แต่ศ.กั๋วมั่นใจว่าการออกแบบนี้สามารถขยายขนาด เพื่อการใช้งานในระดับอุตสาหกรรมได้ไม่ยาก

ในอนาคต หากเทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้ในวงกว้าง จะสามารถช่วยแก้ปัญหาขาดแคลนน้ำสะอาด และสามารถนำแร่ธาตุหายากมาใช้ได้อย่างยั่งยืน โดยเฉพาะในเมืองชายฝั่งที่ขาดแคลนน้ำจะสามารถมีระบบผลิตน้ำดื่มที่ราคาถูก ไร้สารเคมี และไม่ทำลายท้องทะเล พร้อมทั้งสร้างรายได้เสริมจากการขายเกลือและแร่ธาตุที่เก็บรวบรวมได้จากขอบแผงโซลาร์เซลล์

 

ที่มา: Earth, Science Daily, Scitech Daily, Tech Spot