นักวิจัยแดนปลาดิบสร้างอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าจากความร้อนใต้พิภพแบบใหม่

            โลกในยุคปัจจุบันกำลังอยู่ท่ามกลางการตื่นตัวด้านสิ่งแวดล้อมและการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วด้านเทคโนโลยีพลังงาน โลกอนาคตต้องการสิ่งแวดล้อมที่ดี พลังงานที่ค่อนข้างสะอาดและสามารถใช้งานได้อย่างยั่งยืน พลังงานที่เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมจึงมีพลังงานแสง พลังงานลม พลังงานคลื่น พลังงานไฮโดรเจน และพลังงานความร้อนใต้พิภพ ในขณะที่พลังงานนิวเคลียร์อาจยังคงเป็นแหล่งไฟฟ้าฐานที่สำคัญ ส่วนพลังงานถ่านหิน น้ำมัน และแก๊สธรรมชาติจะถูกลดบทบาทลง


          ในอดีต พลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy) เป็นแหล่งพลังงานที่อยู่ในระดับพระรองมาโดยตลอด เนื่องจากจุดร้อน (Hot Spot) ใกล้ผิวดินมีจำนวนจำกัด ทั้งยังปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมาไม่มากเท่าที่ควรทำให้การเปลี่ยนพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าจึงไม่สูงนัก แหล่งกักเก็บความร้อนใต้พิภพส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันแบ่งออกเป็นแหล่งไอน้ำ (Hot Stream) แหล่งน้ำร้อน (Hot Water) และแหล่งหินร้อนแห้ง (Hot Dry Rock) ที่อาจมีอุณหภูมิสูงหลายร้อยองศาเซลเซียส แต่แหล่งความร้อนชนิดนี้อยู่ลึกลงไปใต้ผิวโลกเพราะความร้อนมีการเปลี่ยนแปลงตามระดับความลึก (Temperature Gradient)


          ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจึงต้องเจาะลงไปใต้ดินลึกหลายร้อยเมตร จากนั้นจึงทำการอัดน้ำสะอาดลงไปในหลุมเจาะ เมื่อน้ำถูกต้มจนเดือดก็นำไอน้ำไปหมุนกังหันเพื่อผลิตไฟฟ้า แต่ปัญหามีอยู่ว่าการเจาะลงไปใต้ผิวโลกไม่สามารถทำได้ทุกที่และมีงานวิจัยที่ชี้ให้เห็นความเป็นไปได้ว่าการทำงานของโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพอาจเป็นการกระตุ้นให้เกิดแผ่นดินไหวมากขึ้น ยกตัวอย่างเช่นโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพที่เมือง Pohang ประเทศเกาหลีใต้ เมื่อวันที่ 15 พฤศจิกายน ค.ศ.2017 ได้เกิดแผ่นดินไหวขนาด 5.4 หลังจากทำการฉีดน้ำแรงดันสูงเข้าไปในช่องว่างของชั้นหิน (Hydraulic Fracturing) ซึ่งผู้เชี่ยวชาญระบุว่าอาจเป็นการเหนี่ยวนำให้เกิดแผ่นดินไหวระดับลึกใกล้เคียงกับหลุมเจาะได้

            เมื่อเดือนกรกฎาคมที่ผ่านมา Sachiko Matsushita และคณะจาก University of Tokyo ได้เสนออุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าแบบใหม่เรียกว่า Sensitized Thermal Cells (STCs) ซึ่งสามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้เมื่อมีอุณหภูมิราว 100 องศาเซลเซียสหรือต่ำกว่าเล็กน้อย โดยอุปกรณ์ดังกล่าวมีโครงสร้างหลัก 3 ชั้น คือ ชั้นส่งผ่านอิเล็กตรอน (Electron Transport Layer) ชั้นสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor Layer) และชั้นอิเล็กโทรไลต์แข็ง (Solid Electrolyte Layer)

            การทำงานของ Sensitized Thermal Cells จะเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนในชั้นสารกึ่งตัวนำได้รับความร้อน อิเล็กตรอนจะเปลี่ยนสถานะจากระดับพลังงานต่ำไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นแล้วเคลื่อนที่ผ่านชั้นส่งอิเล็กตรอนออกไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้า จากนั้นจะเคลื่อนที่ผ่านหัวนับอิเล็กโทรด (Counter Electrode) แล้วกลับเข้าสู่ชั้นอิเล็กโทรไลต์ โดยปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction) ซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชัน (Oxidation-Reduction Reaction) ภายในชั้นอิเล็กโทรไลต์จะทำหน้าที่ส่งอิเล็กตรอนเข้าสู่กระบวนการครั้งใหม่แล้ววนซ้ำเป็นวัฏจักร


          อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์นี้ยังไม่สามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ เพราะการผลิตกระแสไฟฟ้าจะหยุดลงเป็นครั้งคราวเนื่องจากความไม่ต่อเนื่องของปฏิกิริยารีดอกซ์ ซึ่งจะต้องทำการเปิดวงจรภายนอกออกชั่วขณะหนึ่ง อุปกรณ์จึงจะสามารถทำงานต่อได้ แม้เทคโนโลยีใหม่จากแดนปลาดิบจะยังไม่สามารถใช้งานได้ในวงกว้าง แต่ในอนาคตอันใกล้มันอาจกลายเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่เข้ามามีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของเราก็ได้

 

อ้างอิง

• https://m.phys.org/news/2019-07-earth-crust-ultimate-energy-source.html?fbclid=IwAR0N_Him5Px0ujK0x-VwEA8VErTsTiBj3GpNzhNzc6tK_-lojWiBU-H3Cyc
• https://www.nature.com/articles/d41586-018-04963-y?fbclid=IwAR0WBDlHB4_8_PlxH07xJqv2M-u8-g3mnFgBytrhMgzg3nNMzeQPJodxR8I
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038110119301881?fbclid=IwAR1GR8DC9UOnDPW4NDxC13coYqUPojmGbxVWPgnfBfAxDXhXNVwZGz4M7Rg