นักวิจัยสร้างเครื่องต้นแบบที่สามารถสร้างน้ำสะอาดและผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในเวลาเดียวกัน

         ในสารคดีวิทยาศาสตร์ชื่อดัง Cosmos: A Personal Voyage ที่ออกอากาศในปี ค.ศ. 1980 คาร์ล เซแกน (Carl Sagan) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันถามเราว่าควรเลือกอะไรดีระหว่างโลกทั้งโลกกับกำไรของบริษัท แน่นอนคำตอบนี้แน่ชัด เราควรเลือกโลกเพราะถ้าไม่มีโลกก็จะไม่มีอะไรเลย เราจึงควรมองผลระยะยาวมากกว่ากำไรของบริษัทในระยะสั้น เราจึงควรใส่ใจรักษาสิ่งแวดล้อมเพื่อให้โลกนี้เหมาะสมสำหรับการดำรงชีวิตของมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่นๆต่อไป นักวิทยาศาสตร์ในยุคนี้จึงให้ความสนใจกับพลังงานทางเลือกที่ไม่สร้างมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม สะอาดและปลอดภัย ซึ่งการผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ตอบโจทย์สิ่งเหล่านี้ได้อย่างดี


         ใน ค.ศ. 2019 โลกมีประชากรประมาณ 7 700 ล้านคน เราอยู่ในประเทศไทยซึ่งเทียบกับหลายประเทศนับว่าประเทศไทยมีความอุดมสมบูรณ์ ซึ่งเราอาจจะไม่ทราบปัญหาว่ามีประชากรของโลกมากถึง 1 100 ล้านคนนั้นขาดแคลนการเข้าถึงน้ำสะอาดที่ใช้สำหรับการอุปโภค บริโภค และมีประชากรโลก 2 700 ล้านคนเผชิญกับการขาดแคลนน้ำอย่างน้อยหนึ่งเดือนในแต่ละปี ซึ่งน้ำจืดสะอาด (clean freshwater) นั้นนับเป็นองค์ประกอบสำคัญสำหรับการมีสุขภาพดีของมนุษย์ น้ำปกคลุมผิวโลกคิดเป็นร้อยละ 70 แต่น้ำจืดที่ใช้ดื่มกินได้มีเพียงแค่ร้อยละ 3 เท่านั้นจากปริมาณน้ำทั้งหมด


         ทั้งปัญหาการสร้างพลังงานที่สะอาดและการสร้างน้ำดื่มที่สะอาดนับเป็นปัญหาที่ท้าทายมากในปัจจุบัน Wenbin Wang และคณะได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง “Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation” ลงในวารสาร Nature Communications เมื่อวันที่ 9 กรกฎาคม ค.ศ. 2019 งานวิจัยของกลุ่มนักวิจัยนี้เป็นเหมือนการยิงปืนนัดเดียวได้นกสองตัว ซึ่งพวกเขาได้สร้างเครื่องต้นแบบที่สามารถสร้างน้ำสะอาดและผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในเวลาเดียวกัน


         Wenbin Wangและทีมของเขารวมทั้งหมด 11 คนได้ยื่นจดสิทธิบัตรแนวคิดนี้ โดยเซลล์แสงอาทิตย์หรือเซลล์โฟโตวอลเทอิก (Photovoltaic cell) เป็นสิ่งสำคัญของงานวิจัยนี้ เซลล์โฟโตวอลเทอิกเป็นวิธีผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรงจากพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยการกระตุ้นสารกึ่งตัวนำ ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นแสง โดยอาศัยปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก เซลล์แสงอาทิตย์เก็บเกี่ยวแสงในย่านความถี่ต่างๆจากดวงอาทิตย์เพื่อสร้างเป็นกระแสไฟฟ้า อย่างไรก็ตามแสงบางส่วนที่เข้ามาจะกลายเป็นความร้อน ในการออกแบบระบบใหม่นี้จะเก็บเกี่ยวความร้อนที่สูญเสียไปเหล่านี้มาทำให้น้ำทะเลระเหย (evaporate) ขึ้น น้ำที่ระเหยที่จะเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆผ่านเมมเบรน (สิ่งที่มีลักษณะเป็นแผ่นบาง ๆ มีรูขนาดเล็กมาก ส่วนมากยอมให้สารซึ่งมีอนุภาคเล็ก ๆ เท่านั้นซึมผ่าน) ที่ทำจากพลาสติก โดยเมมเบรนนี้ทำหน้าที่เป็นตัวกรอง กักขังสิ่งต่างๆเช่น เกลือไม่ให้ผ่านไปได้ กระบวนการนี้เรียกว่าการขจัดเกลือ (desalination)  ดังนั้นน้ำที่ได้จากการควบแน่นก็จะเป็นน้ำจืดที่สะอาด   
 
         กระบวนการขจัดเกลือนี้ไม่ได้ไปรบกวนการผลิตกระแสไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ เพราะเป็นการนำพลังงานความร้อนที่สูญเสียจากระบบมาใช้ประโยชน์ Wenbin Wangและคณะได้ทดลองสร้างเครื่องต้นแบบโดยใช้แสงจากโคมไฟในการทดลองเพื่อเลียนแบบแสงจากดวงอาทิตย์ โดยผลการทดลองพบว่าระบบสามารถเปลี่ยนแสงที่รับมาเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ร้อยละ 11 ซึ่งนับว่าไม่แย่จนเกินไปนักเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ในปัจจุบันซึ่งสามารถทำได้ที่ร้อยละ 10-20 โดยนักวิจัยได้ทดสอบการผลิตน้ำจืดสะอาดด้วย โดยได้ทดลองใช้น้ำเค็มและน้ำที่ปนเปื้อนสารพิษที่เป็นโลหะหนัก พบว่าเครื่องต้นแบบที่ขนาดประมาณ 1 เมตรจะสามารถผลิตน้ำสะอาดได้ประมาณ 1.7 กิโลกรรมต่อชั่วโมง ซึ่งถ้าในพื้นที่ขนาดใหญ่และมีเครื่องนี้จำนวนมากจะสามารถผลิตน้ำจืดสะอาดได้จำนวนมากในแต่ละวัน 

         แต่งานวิจัยนี้ยังมีปัญหาที่ท้าทายคือในระหว่างการผลิตน้ำจืดสะอาด จะกักเก็บน้ำจวนมากเหล่านี้ไว้ได้อย่างไร หรือจะนำเครื่องนี้ติดตั้งไว้ที่ไหน ถ้าติดตั้งไว้ที่ทะเลเพื่อเปลี่ยนน้ำเค็มในทะเลให้เป็นน้ำจืดที่สะอาด จะทำอย่างไรกับคลื่นในทะเลที่พัดมาทำให้เครื่องนี้ล้มลง หรือจัดการต่อคลื่นในทะเลอย่างไรที่อาจพัดมาบังการรับแสงอาทิตย์หรือทำให้มุมการรับแสงอาทิตย์เปลี่ยนไป นั่นยังเป็นปัญหาที่ยังต้องคิดหาทางแก้ไขปัญหาต่อไปในอนาคต
 
อ้างอิง

• กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานแสงอาทิตย์. In สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 26-27,29,39). กรุงเทพ, ประเทศไทย.
• Wang, W., Shi, Y., Zhang, C., Hong, S., Shi, L., Chang, J., ... & Wang, P. (2019). Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation. Nature communications, 10(1), 3012.
• Temming, M. (2019, July 25). Sunlight can produce energy and clean water at the same time. Retrieved July 26, 2019, from https://www.sciencenewsforstudents.org/article/sunlight-can-produce-energy-and-clean-water-same-time