การกำเนิดไฟฟ้าจากความชื้นโดยใช้เส้นใยนาโนโปรตีน

          พลังงานไฟฟ้าที่เราใช้งานในปัจจุบัน ส่วนมากแล้วผลิตได้มาจากฟอสซิล (Fossil) เป็นส่วนหลัก เช่น ถ่านหิน และแก๊สธรรมชาติ เป็นต้น ซึ่งพลังงานฟอสซิลถูกพบว่าเป็นแหล่งพลังงานที่ก่อมลพิษและมีแนวโน้มที่จะหมดไป โดยในอนาคตมีแนวโน้มว่าจะมีราคาสูงขึ้นและเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่ยั่งยืน ด้วยสาเหตุนี้นักวิจัยจึงสนับสนุนการพัฒนาแหล่งผลิตไฟฟ้าทดแทนชนิดอื่นมาทดแทนฟอสซิล ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสะอาดจากธรรมชาติ ยกตัวอย่างเช่น แสงอาทิตย์ ลม น้ำ แรงเชิงกล อุณหภูมิ และปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่มีวันหมด เพราะฉะนั้นการผลิตพลังงานจากแหล่งพลังงานธรรมชาติเหล่านี้จึงเป็นที่น่าสนใจในการนำมาปรับใช้ทดแทนแหล่งพลังงานจากฟอสซิลในอนาคตอย่างยั่งยืนได้


          อุปกรณ์แปลงพลังงานทดแทนที่เรารู้จักกันดี นั่นคือ โซลาร์เซลล์ (Solar cell) ที่สามารถแปลงพลังงานแสงไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่วนการแปลงพลังงานลม เราจะใช้กังหันลม (Wind turbine) ที่มีการเชื่อมต่อกับมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งจะใช้หลักการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กในการกำเนิดไฟฟ้าในขณะที่มีลมทำให้กังหันลมหมุน ส่วนการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำจะใช้หลักการเดียวกันกับพลังงานลม กล่าวคือ ถ้ามีน้ำไหลผ่านกังหันจะทำให้กังหันสามารถหมุนและผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่านมอเตอร์ไฟฟ้าได้ นอกจากนั้นกิจกรรมการเคลื่อนไหวของร่างกายเราก็สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้เช่นกันโดยใช้อุปกรณ์แปลงพลังงานกลเป็นไฟฟ้า นั่นคือ อุปกรณ์เพียร์โซอิเล็กทริก (Piezoelectric device) และอุปกรณ์ไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric device) เป็นต้น ในการผลิตไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเราจะใช้อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric device) และการผลิตไฟฟ้าจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างออกซิเจนและไฮโดรเจน เราจะเรียกว่า เซลล์อิเล็กโทรลิซิส (Electrolysis cell) อุปกรณ์แปลงพลังงานดังที่กล่าวมาทั้งหมดนี้มีข้อด้อยตรงที่ยังไม่สามารถผลิตพลังงานได้มากนัก เพราะฉะนั้นในปัจจุบันอุปกรณ์เหล่านี้จึงมุ่งเน้นนำมาช่วยลดการใช้พลังงานตามบ้านเรือนหรือสถานที่ทำงาน เพื่อช่วยลดค่าใช้จ่ายและการปลดปล่อยมลพิษ ซึ่งในอนาคตจึงเป็นโจทย์สำคัญให้นักวิจัยพัฒนาอุปกรณ์เหล่านี้ให้สามารถกำเนิดพลังงานได้มากยิ่งขึ้น
    

          นอกเหนือจากแหล่งพลังงานเหล่านี้ ยังมีแหล่งพลังงานอีกรูปแบบหนึ่งที่น่าสนใจที่ในปัจจุบันยังไม่มีการพัฒนานำมาผลิตเป็นอุปกรณ์ผลิตพลังงานไฟฟ้า นั่นคือ ความชื้น (Humidity) โดยเมื่อต้นปีที่ผ่านมานักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts University) ^[2] ได้ประสบความสำเร็จในการพัฒนาอุปกรณ์แปลงความชื้นเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้เส้นใยโปรตีนขนาดนาโนเมตรที่สร้างจากแบคทีเรีย เส้นใยนี้จะถูกนำไปสร้างเป็นแผ่นฟิล์มบางโดยการนำไปผสมร่วมกับโพลิเมอร์ ซึ่งนักวิจัยพบว่าเมื่อทำการต่อขั้วทางไฟฟ้า อุปกรณ์นี้สามารถที่จะขับอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็ก อย่างเช่น หลอดไดโอดเปล่งแสง ให้ติดสว่างได้           นักวิจัยได้อธิบายเชิงทฤษฎีถึงหลักการทำงานว่า เมื่อแผ่นฟิล์มดูดความชื้น จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของความชื้นบริเวณพื้นผิวบริเวณส่วนบนและส่วนล่างของแผ่นฟิล์ม เนื่องจากเส้นใยนาโนโปรตีนมีความสามารถในการดูดซึมน้ำและมีคุณสมบัติการสร้างประจุไฟฟ้า ทำให้เมื่อเกิดความชื้นจะทำให้เกิดความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นนั่นเอง สำหรับวิธีการทดสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์นั้น นักวิจัยได้ได้ทดลองเพิ่มและลดความชื้นให้คล้ายคลึงกับลักษณะของสวิตช์ ผลการทดลองพบว่า สำหรับการสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาด 25 x 75 ตารางมิลลิเมตร และมีความหนาประมาณ 7 ไมโครเมตร ที่ความชื้นสัมพัทธ์ประมาณ 40 – 50% สามารถกำหนดสัญญาณไฟฟ้าคงที่สำหรับแรงดันประมาณ 0.4 – 0.6 โวลต์ และกระแสประมาณ 100 นาโนแอมป์
  

          นักวิจัยได้ทำการทดลองเพิ่มเติมโดยการเพิ่มความหนาของแผ่นฟิล์ม ค่าสัญญาณไฟฟ้าที่ได้มีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้น และค่าค่อนข้างเสถียรที่ความหนาประมาณ 10 ไมโครเมตร นอกจากจากนั้นเมื่อทำการทดลองปรับค่าความชื้นก็จะพบเห็นความเปลี่ยนแปลงชัดเจนของผลทางไฟฟ้า และเมื่อทำการนำอุปกรณ์มาต่อร่วมกันจำนวน 17 ตัว จะพบว่าสามารถกำเนิดแรงดันไฟฟ้าได้ถึง 10 โวลต์ ซึ่งมีแค่ใกล้เคียงกับแหล่งจ่ายแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่เราใช้งานในปัจจุบัน           จากงานวิจัยนี้เราจะเห็นถึงสมรรถภาพของอุปกรณ์นี้ที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ผลิตพลังงานหรือเซนเซอร์ตรวจจับสิ่งต่าง ๆ อย่างไรก็ตามนักวิจัยยังไม่สามารถอธิบายกลไกการกำเนิดและส่งผ่านอิเล็กตรอนภายในวัสดุในเชิงวิทยาศาสตร์ได้ชัดเจนเชิงลึกมากนัก จึงเป็นโจทย์สำคัญให้นักวิจัยนำไปพัฒนาต่อยอดและปรับปรุงประสิทธิภาพให้สูงกว่านี้ ซึ่งถ้ามีการพัฒนาอย่างจริงจังแล้ว ในอนาคตเราอาจจะเห็นอุปกรณ์ชนิดนี้ถูกทำออกมาขายในท้องตลาดก็เป็นได้

 

อ้างอิง

• [1] Example image obtained from https://www.sciencemag.org/news/2020/02/electric-bacteria-create-currents-out-thin-and-thick-air?utm_campaign=SciMag&utm_source=JHubbard&utm_medium=Facebook&fbclid=IwAR28-Wy2ZmVgwojOgP-MPOxRQQiXJdEYDevs7zYNaTkYKBnH6xHms6OPn2I# (สืบค้นเมื่อ 7 พฤศจิกายน พ.ศ. 2563)
• [2] X. Liu et al., Power generation from ambient humidity using protein nanowires, Nature 578 (2020), 550-554.