นักวิทยาศาสตร์พัฒนา “แบตเตอรี่ชีวภาพ” จากสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน ผลิตไฟฟ้าต่อเนื่อง 24 ชม. ด้วยการสังเคราะห์แสง ทำงานนานกว่า 6 ปี มุ่งทดแทนแบตเตอรี่ใช้แล้วทิ้ง
KEY POINTS
- นักวิจัยมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์พัฒนาแบตเตอรี่ชีวภาพจากสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน ซึ่งสามารถผลิตไฟฟ้าได้ต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมงโดยอาศัยแสงและน้ำ
- แบตเตอรี่ต้นแบบในห้องทดลองสามารถทำงานได้ยาวนานต่อเนื่องกว่า 6 ปี โดยมีเป้าหมายเพื่อใช้ทดแทนแบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้งในอุปกรณ์กำลังไฟต่ำ
- เทคโนโลยีนี้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ช่วยลดขยะอิเล็กทรอนิกส์และหลีกเลี่ยงการใช้แร่ธาตุหายากซึ่งสร้างมลพิษในการผลิตแบตเตอรี่เคมี
คณะนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ พัฒนา “แบตเตอรี่ชีวภาพ” จากสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน หรือ “ไซยาโนแบคทีเรีย” ซึ่งสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง โดยอาศัยเพียงแสงแดด น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ นวัตกรรมนี้อาจเป็นจุดเริ่มต้นของการนำจุลินทรีย์มาใช้เป็นแหล่งพลังงานแทนแบตเตอรี่เคมีแบบใช้แล้วทิ้ง
งานวิจัยชิ้นนี้ เริ่มต้นมาตั้งแต่ปี 2006 นำโดย ดร.เปาโล บอมเบลลี และ ศ.คริส ฮาว จากแผนกชีวเคมี มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ที่ตั้งคำถามว่า สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กจะสามารถปลดปล่อยกระแสไฟฟ้าออกมาได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ได้รับอันตรายใด ๆ ได้หรือไม่
ผ่านมาร่วม 20 ปี พวกเขาก็ได้คำตอบว่า สามารถใช้จุลินทรีย์ในการสร้างแบตเตอรี่ชีวภาพ โดยอาศัยเทคโนโลยีที่เรียกว่า “ชีวภาพโซลาร์เซลล์” หรือ “BPV” (Biophotovoltaics) โดยหลักการคือ การดึงประจุอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และการหายใจของไซยาโนแบคทีเรีย ออกมาผ่านขั้วไฟฟ้าชนิดพิเศษ
ดร.บอมเบลลี กล่าวว่า “เราได้ค้นพบวิธีดึงพลังงานจากกระบวนการธรรมชาติของสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน มาใช้สร้างไฟฟ้าต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง โดยไม่ส่งผลกระทบหรือทำอันตรายใด ๆ ต่อสิ่งมีชีวิตเลย”
แบตเตอรี่ชีวภาพนี้ สามารถทำงานได้ทั้งวันทั้งคืน โดยในช่วงที่มีแสงแดด ไซยาโนแบคทีเรียจะสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสะสมพลังงาน และเมื่อเข้าสู่ช่วงกลางคืน พวกมันจะสลับไปใช้กระบวนการหายใจเพื่อย่อยสลายพลังงานที่เก็บไว้ ซึ่งยังคงปล่อยอิเล็กตรอนออกมาสร้างกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง
ดร.บอมเบลลี ระบุเพิ่มว่า “เขาพยายามลดข้อจำกัดของการใช้แบตเตอรี่เคมี และนี่คือวิธีใหม่ในการผลิตไฟฟ้าที่วิ่งได้เรื่อย ๆ แม้ไม่มีแสง” โดยในห้องปฏิบัติการ ระบบทดลองที่ยาวนานที่สุดสามารถผลิตไฟฟ้าต่อเนื่องได้นานกว่า 6 ปีแล้วโดยที่จุลินทรีย์ยังมีชีวิตอยู่
ทั้งนี้ ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้ในปัจจุบันจะยังอยู่ในระดับต่ำ ดังนั้นนักวิจัยจึงไม่ได้หวังว่ามันจะสามารถมาแทนที่ “แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน” ที่ใช้ในสมาร์ตโฟนหรือรถยนต์ไฟฟ้า แต่นักวิจัยตั้งเป้าที่จะใช้แบตเตอรี่ชีวภาพนี้ แทนแบตเตอรี่ก้อนเล็ก ๆ แบบใช้แล้วทิ้งนับพันล้านก้อนที่ใช้ในอุปกรณ์กำลังไฟต่ำ เช่น รีโมตคอนโทรล เครื่องตรวจจับควัน และอุปกรณ์ IoT
ศ.ฮาว เน้นย้ำว่า “เทคโนโลยีของเราสามารถทดแทนแบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้งนับล้านชิ้น ด้วยแหล่งพลังงานที่สะอาดกว่า ซึ่งถือเป็นประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมอย่างมหาศาล”
นอกจากนี้ แบตเตอรี่เคมีทั่วไปต้องใช้แร่ธาตุหายากเป็นส่วนประกอบ เช่น ลิเธียม, โคบอลต์, นิกเกิล และแมงกานีส ซึ่งส่งผลกระทบอย่างหนักต่อสิ่งแวดล้อม ทั้งการทำลายพื้นที่ธรรมชาติและปล่อยก๊าซเรือนกระจก ต่างจากแบตเตอรี่ชีวภาพของเคมบริดจ์ ที่ใช้จุลินทรีย์ที่ฟื้นฟูตัวเองได้ ร่วมกับวัสดุรีไซเคิลราคาถูก จึงช่วยลดภาระขยะพิษอิเล็กทรอนิกส์และหยุดยั้งวงจรมลพิษจากการขุดเจาะแร่ธาตุได้อย่างยั่งยืน
เพื่อให้งานวิจัยจากห้องทดลองสามารถใช้งานได้จริง คณะนักวิทยาศาสตร์ได้ร่วมมือกับ ลูเซีย กีรอน นักออกแบบชีวภาพ จากวิทยาลัยเซ็นทรัลเซนต์มาร์ตินส์ และ ลีฟู ตัน วิศวกรไฟฟ้า เพื่อเปลี่ยนงานวิจัยให้กลายเป็นอุปกรณ์ต้นแบบที่สวยงามและใช้งานได้จริง
การออกแบบแบตเตอรี่มีความพิถีพิถันอย่างยิ่ง โดยใช้ฝาครอบใสเพื่อให้แสงส่องถึงสาหร่าย ขณะเดียวกันก็เปิดโอกาสให้ผู้ใช้มองเห็นสิ่งมีชีวิตภายใน มีเมมเบรนกึ่งผ่านได้เพื่อแลกเปลี่ยนก๊าซและป้องกันการระเหย รวมถึงขั้วไฟฟ้าที่มีโครงสร้างเส้นใยให้สาหร่ายเกาะยึด
ลูเซีย กีรอน กล่าวถึงการออกแบบว่า “เราต้องการสร้างแบตเตอรี่ให้เหมือนกับอุปกรณ์เทคโนโลยี ควบคู่ไปกับการจัดสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมแก่สิ่งมีชีวิต เพื่อให้มนุษย์และจุลินทรีย์ปฏิสัมพันธ์กันได้อย่างกลมกลืน”
นอกจากนี้ ยังมีระบบตรวจสอบสุขภาพของสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน โดยจะมีเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน อุณหภูมิอากาศ และความเข้มแสง เพื่อจะได้ดูแลพวกมันให้สามารถทำงานอย่างแม่นยำและแข็งแรงอยู่เสมอ โดยอาศัยพลังงานจากแบตเตอรี่สาหร่าย และส่งข้อมูลไปยังแอปพลิเคชันบนสมาร์ตโฟน
ปัจจุบัน ทีมงานได้ก่อตั้งบริษัทสตาร์ตอัปชื่อ e-Pho ขึ้นมา เพื่อปรับขนาดอุปกรณ์ให้มีขนาดกะทัดรัดยิ่งขึ้น โดยนับตั้งแต่เริ่มพัฒนา พวกเขาสามารถเพิ่มกำลังการผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า 20 เท่าแล้ว และเล็งจะนำไปใช้ในพื้นที่ห่างไกลที่ไฟฟ้าเข้าไม่ถึง เช่น ภูมิภาคแอฟริกาใต้ซาฮารา สำหรับชาร์จอุปกรณ์สื่อสารและเซนเซอร์การเกษตร ตลอดจนการสร้างชุดอุปกรณ์การเรียนรู้ ให้เด็กนักเรียนได้ทดลองเลี้ยงสาหร่ายและต่อวงจรไฟฟ้าด้วยตนเอง
ศ.ฮาวกล่าวว่า “หลักสูตรวิทยาศาสตร์พืชในโรงเรียนปัจจุบันยังไม่ค่อยสร้างแรงบันดาลใจให้แก่เด็ก ๆ เราต้องการมอบสิ่งใหม่ที่แสดงให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้พฤกษศาสตร์ในโลกยุคใหม่”
การเปลี่ยนผ่านจากเทคโนโลยีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ไร้ชีวิตไปสู่ “เทคโนโลยีมีชีวิต” ที่หมุนเวียนพลังงานอย่างพึ่งพาตนเองได้ ถือเป็นก้าวสำคัญที่จะเปลี่ยนให้เรามองเห็นคุณค่าของพลังงานรอบตัว และช่วยสร้างความยั่งยืนให้แก่โลกใบนี้ได้อย่างแท้จริง
ที่มา: Dezeen, Moss and Fog, The Times of India, Trend Hunter
