‘จีน’ พัฒนา ‘โซลาร์เซลล์’ ใช้ใต้ทะเล เพื่อผลิตไฟฟ้าให้อุปกรณ์สำรวจมหาสมุทร

ปรกติแล้ว เราจะติดตั้ง “แผงโซลาร์เซลล์” สำหรับผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ไว้บนบก แต่ล่าสุด “จีน” พัฒนาแผงโซลาร์เซลล์สำหรับใช้ใต้น้ำที่ระดับความลึก 10 เมตร บริเวณทะเลจีนใต้ เพื่อใช้สำหรับผลิตไฟฟ้าให้แก่อุปกรณ์สำรวจมหาสมุทร

การดึงพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้จากใต้ทะเลไม่ใช่เรื่องง่าย เนื่องจากรังสีของดวงอาทิตย์จำนวนมากจะสะท้อนกลับบริเวณผิวน้ำ ขณะที่แสงส่วนที่ทะลุผ่านลงมาได้จะถูกน้ำทะเลดูดกลืนและกระจัดกระจายไปอย่างรวดเร็ว โดยคลื่นแสงที่มีคลื่นยาว เช่น แสงสีแดงและอินฟราเรด จะถูกดูดกลืนหายไปในระดับน้ำตื้น ทำให้คงเหลือเพียงสเปกตรัมแสงสีน้ำเงิน-เขียว ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 400-600 นาโนเมตร ในระดับความลึก 5-10 เมตร

เพื่อแก้ปัญหานี้ คณะนักวิจัยนำโดย เหวินฮัว จาง และ ดร.บิง ไฉ จากมหาวิทยาลัยยูนนาน ได้พัฒนานวัตกรรมโซลาร์เซลล์ชนิดเพอรอฟสไกต์ตะกั่วแฮไลด์ (Lead Halide Perovskite) ซึ่งเป็นผลึกสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติยืดหยุ่นและดูดซับแสงได้ดี โดยออกแบบโครงสร้างของเพอรอฟสไกต์ให้มีช่องว่างแถบพลังงานกว้างประมาณ 1.96 อิเล็กตรอนโวลต์ เพื่อให้รับและปรับตัวเข้ากับสเปกตรัมแสงสีน้ำเงิน-เขียวที่หลงเหลืออยู่ใต้น้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด 

นอกจากนี้ ยังได้ผสมพอลิเมอร์ชนิดพิเศษที่มีชื่อว่า “โพลีเฮกซาเมทิลีนกัวนิดีนไฮโดรคลอไรด์” (PHMG) เข้าไปในโครงสร้างผลึก เพื่อช่วยลดข้อผิดพลาดในโครงสร้างผลึกและกักเก็บอิเล็กตรอนได้ดียิ่งขึ้น

ภาพจำลองแผงโซลาร์เซลล์ใต้ทะเล
เครดิตภาพ: Simin Ma, Yunnan University

เนื่องจากความชื้นและน้ำเค็ม เป็นศัตรูสำคัญที่สามารถย่อยสลายผลึกเพอรอฟสไกต์ได้ง่าย คณะนักวิจัยจึงได้เคลือบชั้นสารกันน้ำภายนอกเพื่อปกป้องเซลล์จากการกัดกร่อน ร่วมกับการเพิ่มขนาดของผลึกเพอรอฟสไกต์ให้ใหญ่ขึ้น ซึ่งช่วยจำกัดการสลายตัวของวัสดุและเพิ่มเสถียรภาพในการผลิตไฟฟ้าในระยะยาว

ก่อนการนำไปทดสอบในสถานที่จริง คณะนักวิจัยได้จำลองสภาวะแสงใต้น้ำภายในห้องปฏิบัติการโดยใช้ระบบกรองแสงแบบพิเศษ ผลการทดสอบพบว่าเซลล์ขนาดเล็กสามารถเปลี่ยนพลังงานแสงริบหรี่ใต้น้ำที่ระดับความลึกจำลอง 10 เมตร ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้สูงถึง 34.71% ขณะที่โมดูลขนาดใหญ่สามารถทำประสิทธิภาพได้ 29.4% 

เมื่อนำเซลล์แสงอาทิตย์ไปเก็บไว้ในตู้ทดลองแบบสวมถุงมือที่บรรจุก๊าซไนโตรเจนเป็นเวลา 300 วัน เซลล์ยังคงประสิทธิภาพการทำงานเดิมได้ถึง 96% และเมื่อทดสอบเปิดรับแสงจำลองใต้น้ำระดับ 10 เมตร ต่อเนื่องยาวนานถึง 1,160 ชั่วโมง ตัวอุปกรณ์แทบไม่แสดงสัญญาณการเสื่อมสภาพ

นอกจากนี้ นักวิจัยยังนำเซลล์แสงอาทิตย์ไปทดสอบในมหาสมุทร ทีมวิจัยได้ติดตั้งโมดูลโซลาร์เซลล์ขนาด 115 ตารางเซนติเมตร เข้ากับหุ่นยนต์ดำน้ำแบบควบคุมระยะไกล แล้วนำลงไปติดตั้งที่ระดับความลึก 2 เมตร, 6 เมตร และ 10 เมตร นอกชายฝั่งเกาะเหวยโจว ในทะเลจีนใต้ เป็นเวลา 2 ชั่วโมง

การนำแผงโซลาร์เซลล์ไปทดสอบใต้ทะเล
เครดิตภาพ: Simin Ma, Yunnan University

ผลการทดสอบนอกชายฝั่งพบว่า ที่ระดับความลึก 2 เมตร เซลล์สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าได้ 1,416 มิลลิวัตต์-ชั่วโมง ส่วนที่ระดับ 6 เมตร เก็บได้ 752 มิลลิวัตต์-ชั่วโมง และที่ระดับ 10 เมตร สามารถเก็บพลังงานได้ 324 มิลลิวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งพลังงานดังกล่าวเพียงพอในการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อนำมาเปิดไฟหน้าจอ LED ได้สำเร็จ

เหวินฮัว จาง ผู้เขียนหลักของการวิจัย ให้ความเห็นถึงความสำเร็จนี้ว่า “มีการศึกษาน้อยมากเกี่ยวกับโซลาร์เซลล์ใต้น้ำ และทั้งหมดมุ่งเน้นไปที่ระดับน้ำตื้นเพียง 2 เมตรหรือน้อยกว่า ซึ่งยังไกลจากความต้องการใช้งานจริง” เขายังกล่าวเสริมอีกว่า “สิ่งที่ทำให้เราประหลาดใจที่สุดคือ พลังงานไฟฟ้าจำนวนมากที่โมดูลขนาดใหญ่ของเราสามารถผลิตได้ภายใต้สภาวะจริงที่ระดับความลึก 10 เมตร ในเวลาเพียง 2 ชั่วโมงเท่านั้น”

นอกจากนี้ จาง ยังระบุว่า การศึกษานี้ช่วยเพิ่มระยะเวลาการทำงานของแบตเตอรี่ในอุปกรณ์ใต้น้ำ โดยคาดการณ์ว่าเซลล์แสงอาทิตย์นี้จะสามารถเปิดใช้งานได้ต่อเนื่องนานถึง 5 ปีครึ่ง ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการป้อนพลังงานให้กับเซนเซอร์ตรวจวัดใต้น้ำ, กล้องถ่ายภาพ, ระบบสื่อสาร, ตลอดจนโดรนและยานยนต์ดำน้ำไร้คนขับ

แม้การทดสอบจะประสบความสำเร็จ แต่จางชี้ว่าข้อจำกัดในการใช้งานจริงไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงเพียงอย่างเดียว แต่ยังรวมถึงปัจจัยของสิ่งมีชีวิตในทะเลที่เกาะติดอุปกรณ์ ขยะลอยน้ำ และการกัดกร่อนจากน้ำเค็ม ซึ่งทีมวิจัยกำลังเร่งพัฒนาและคาดว่าจะสามารถขยายการใช้งานโซลาร์เซลล์ใต้น้ำไปยังระดับความลึก 20-30 เมตรได้ในอนาคต

ที่มา: Eco Magazine, Techspot, Sicence Alert, ZME Science