การบ่มแดดเป็นแรงบันดาลใจ? ความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีใหม่ในการ "กักเก็บ" พลังงานแสงอาทิตย์ในโมเลกุล

จุดอ่อนของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์นั้นง่ายมาก ถ้าไม่มีแสงอาทิตย์ก็ไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ การใช้ไฟฟ้าที่ผลิตในตอนกลางวันในเวลากลางคืนจำเป็นต้องมีแบตเตอรี่หรือระบบเก็บพลังงานอื่นๆ ยิ่งเราพยายามทำให้พลังงานหมุนเวียนเป็นตัวหลักในสังคม ปัญหาเรื่อง "การเก็บรักษา" ก็ยิ่งใหญ่ขึ้น

แต่ถ้าหากเราสามารถกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในโมเลกุลโดยตรงแทนที่จะเป็นไฟฟ้า และโมเลกุลนั้นสามารถปล่อยความร้อนเมื่อจำเป็น ใช้ต้มน้ำ อุ่นห้อง หรือควบคุมอุณหภูมิของเครื่องจักรได้ล่ะ?

งานวิจัยที่ดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์นี้กำลังดำเนินการที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา โดยมีแรงบันดาลใจจาก "การบ่มแดด" อย่างไม่คาดคิด

Grace Han นักเคมี ได้รับแรงบันดาลใจจากการเดินทางจากบอสตันไปยังแคลิฟอร์เนียตอนใต้ เธอประหลาดใจกับความแรงของแสงแดดที่ทำให้ผิวของเธอระคายเคืองเพียงแค่ไม่กี่ชั่วโมงที่อยู่นอกบ้าน ประสบการณ์นี้ทำให้เธอสนใจในปฏิกิริยาเคมีของ DNA ที่เกิดจากแสง การบ่มแดดคือปรากฏการณ์ที่ DNA ในเซลล์ผิวหนังถูกทำลายโดยรังสีอัลตราไวโอเลต โมเลกุลที่ประกอบเป็น DNA เปลี่ยนรูปร่างเมื่อได้รับแสงและเกิดการบิดเบือน

คุณสมบัติของการ "เปลี่ยนรูปร่างเมื่อได้รับแสง" นี้กลายเป็นแนวคิดในการเก็บพลังงาน

ในสาขาที่เรียกว่า การเก็บพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ในโมเลกุล หรือ MOST โมเลกุลที่เปลี่ยนโครงสร้างเมื่อได้รับแสงและคงอยู่ในสภาพพลังงานสูงจะถูกใช้ เมื่อโมเลกุลกลับสู่โครงสร้างเดิม พลังงานที่แตกต่างจะถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน เปรียบเสมือนการหมุนสปริงขนาดเล็กด้วยแสงอาทิตย์และปล่อยกลับเพื่อดึงความร้อนเมื่อจำเป็น

การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมเปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้า ในขณะที่ MOST เก็บแสงเป็นพลังงานเคมีและดึงออกมาเป็นความร้อน ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เก็บไฟฟ้า เทคโนโลยีนี้เหมาะกับสถานการณ์ที่ต้องการ "ความร้อน" เช่น การทำความร้อน การต้มน้ำ การให้ความร้อนในอุตสาหกรรม การป้องกันการควบแน่น และการควบคุมอุณหภูมิ

สิ่งที่ได้รับความสนใจในครั้งนี้คือโมเลกุลประเภทพีริมิดอนที่ทีมวิจัยของ Han พัฒนาขึ้น โมเลกุลนี้ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงสร้างของ DNA เมื่อได้รับรังสีอัลตราไวโอเลตจะเปลี่ยนเป็นรูปแบบพลังงานสูงและคงอยู่ในสภาพนั้น และเมื่อได้รับการกระตุ้นเฉพาะก็จะกลับสู่สภาพเดิมและปล่อยพลังงานที่เก็บไว้เป็นความร้อน

ทีมวิจัยรายงานว่าโมเลกุลนี้แสดงความหนาแน่นพลังงานสูงถึง 1.65 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ซึ่งเป็นค่าที่สูงมากในสาขา MOST และถูกนำเสนอว่าเกินกว่าความหนาแน่นพลังงานต่อมวลของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป นอกจากนี้ยังมีการยืนยันการปล่อยความร้อนที่สามารถทำให้น้ำในภาชนะขนาดเล็กเดือดได้อย่างรวดเร็วในการทดลอง

สิ่งที่น่าสนใจในผลลัพธ์นี้ไม่ใช่เพียงแค่ "ความหนาแน่นพลังงานสูง" แต่ยังมีความเป็นไปได้ในการเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในระยะยาวและการดึงความร้อนออกมาโดยตรง

เมื่อคิดถึงปัญหาพลังงาน หลายคนจะนึกถึงไฟฟ้า คำว่าโรงไฟฟ้า เครือข่ายส่งไฟฟ้า แบตเตอรี่ EV และกริดอัจฉริยะจะปรากฏขึ้น แต่ในความต้องการพลังงานของโลก "ความร้อน" มีส่วนแบ่งที่ใหญ่มาก สังคมต้องการความร้อนอย่างมากในด้านการทำความร้อนที่อยู่อาศัย การต้มน้ำ การแปรรูปอาหาร อุตสาหกรรมเคมี กระบวนการอบแห้ง และการให้ความร้อนในอุตสาหกรรมการผลิต และส่วนใหญ่ยังคงพึ่งพาการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล

ดังนั้น จุดที่ยากในการลดการปล่อยคาร์บอนจึงไม่ใช่แค่ "การผลิตไฟฟ้าอย่างไร" แต่ยังรวมถึง "การผลิตความร้อนอย่างไร" และ "การเก็บความร้อนอย่างไร" ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่เช่นกัน

หากเทคโนโลยี MOST ถูกนำไปใช้จริง การ "ชาร์จ" โมเลกุลด้วยแสงอาทิตย์ในตอนกลางวันและดึงความร้อนออกมาในเวลากลางคืนหรือเมื่อมีเมฆครึ้มอาจเป็นไปได้ การใช้ของเหลวบนหลังคาเพื่อรับแสงอาทิตย์และเก็บไว้ในถังเพื่อใช้ในการต้มน้ำหรือทำความร้อนเมื่อจำเป็น หรือใช้เป็นการเคลือบโปร่งใสบนหน้าต่างในพื้นที่หนาวเย็นเพื่อป้องกันการควบแน่น นอกจากนี้ยังมีโอกาสในการประยุกต์ใช้ในการจัดการอุณหภูมิของดาวเทียมขนาดเล็กหรือเครื่องบิน และเป็นแหล่งความร้อนในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีกริด

อย่างไรก็ตาม การมองว่าเทคโนโลยีนี้เป็น "การปฏิวัติที่จะแทนที่การทำความร้อนในครัวเรือนทันที" ในขณะนี้ยังเร็วเกินไป ในบทความต้นฉบับ นักวิจัยหลายคนแสดงความเห็นอย่างระมัดระวัง

หนึ่งในความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคือความยาวคลื่นของแสงที่จำเป็นในการเปลี่ยนแปลงโมเลกุล ในระบบนี้ รังสีอัลตราไวโอเลตที่มีความเข้มข้นสูงประมาณ 300 นาโนเมตรมีบทบาทสำคัญ แม้ว่าแสงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นโลกจะมีรังสีอัลตราไวโอเลต แต่ปริมาณก็จำกัด การนำไปใช้จริงจำเป็นต้องปรับปรุงให้ตอบสนองต่อแสงธรรมชาติได้ง่ายขึ้น หรือทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่ความยาวคลื่นใกล้กับแสงที่มองเห็นได้

อีกหนึ่งความท้าทายคือการกระตุ้นให้ปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ ในการทดลองครั้งนี้ใช้กรดไฮโดรคลอริก ซึ่งมีความกัดกร่อนและต้องการการจัดการและการบำบัดให้เป็นกลาง การใช้งานในครัวเรือน อาคาร และอุปกรณ์อุตสาหกรรมอย่างกว้างขวางจำเป็นต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาหรือการกระตุ้นด้วยความร้อนที่ปลอดภัยและใช้งานง่ายขึ้น หรือการรวมกับวัสดุแข็ง

นอกจากนี้ การใช้ในรูปของเหลวจำเป็นต้องมีการเคลื่อนย้ายของไหลด้วยปั๊ม หากจำเป็นต้องมีตัวเก็บความร้อนบนหลังคา ท่อ ถัง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และส่วนปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา ค่าใช้จ่ายและความเสี่ยงของความล้มเหลวของระบบทั้งหมดจะเพิ่มขึ้น แม้ว่าประสิทธิภาพของโมเลกุลเดี่ยวจะดี แต่ในการใช้งานในสังคมจะต้องพิจารณาประสิทธิภาพ ราคา อายุการใช้งาน ความปลอดภัย และการบำรุงรักษาของอุปกรณ์ทั้งหมด

นอกจากนี้ โมเลกุลที่ดูดซับแสงถ้าหนามากเกินไปแสงจะไม่สามารถเข้าถึงได้ถึงด้านใน ความหนาของชั้นของเหลวที่สามารถทำได้ ขนาดพื้นที่ที่สามารถเก็บความร้อนได้ก็เป็นประเด็นสำคัญ หากต้องการให้ความร้อนแก่บ้านทั้งหลัง อาจจำเป็นต้องมีวัสดุจำนวนมากและพื้นที่รับแสงที่กว้างขวาง รวมถึงระบบหมุนเวียนที่เสถียร

อย่างไรก็ตาม การวิจัยนี้มีความหมายอย่างมาก เพราะ MOST นำเสนอเส้นทางใหม่ที่แตกต่างจากแนวคิดที่มีอยู่ในการ "เปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าแล้วเก็บในแบตเตอรี่" โดยการ "เก็บแสงอาทิตย์เป็นความร้อนโดยการเก็บในรูปแบบของโมเลกุล"

ในโซเชียลมีเดีย การวิจัยนี้ได้รับการตอบรับที่ผสมผสานระหว่างความคาดหวังและความสงสัย

ในชุมชนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอนาคตของ Reddit มีเสียงที่เน้นถึงความสำคัญของความต้องการความร้อน การลดการปล่อยคาร์บอนในการทำความร้อนและการต้มน้ำเป็นเรื่องที่มักถูกมองข้าม แต่เป็นพื้นที่ที่สำคัญในการลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล ในทางกลับกัน มีการโพสต์ที่ชี้ให้เห็นว่า "ถ้าจะเก็บความร้อนก็มีเทคโนโลยีการเก็บความร้อนที่มีอยู่แล้วเช่นแบตเตอรี่ทราย" "เมื่อย่อขนาดลงความร้อนจะหนีง่าย" "มีความต้องการการทำความเย็นด้วย" การตอบสนองในโซเชียลมีเดียจึงไม่ใช่เพียงการชื่นชม แต่เป็นการมองในแง่ของการใช้งานจริงว่า "น่าสนใจ แต่ใช้ที่ไหนดีที่สุด"

ใน LinkedIn ผู้ใช้ที่ใกล้ชิดกับงานวิจัยและอุตสาหกรรมพลังงานมีการตอบสนองที่เชี่ยวชาญมากขึ้น มีโพสต์ที่ประเมินว่าโมเลกุลที่สามารถเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในรูปแบบของพันธะเคมีและปล่อยออกมาเป็นความร้อนได้เมื่อจำเป็นเป็น "เทคโนโลยีเสริมที่มีศักยภาพในการเก็บความร้อนในระยะยาว" ในขณะที่ยังมีการชี้ให้เห็นว่าขั้นตอนนี้ยังพึ่งพารังสีอัลตราไวโอเลตเป็นหลัก ความเป็นไปได้ในการขยายขนาดยังไม่ชัดเจน และยังไม่ทราบว่าจะสามารถใช้ในการเก็บพลังงานในระดับเครือข่ายส่งไฟฟ้าได้หรือไม่

ความรู้สึกนี้ถือว่าสมเหตุสมผลมาก ผลลัพธ์ของการวิจัยนี้เป็นสิ่งที่น่าทึ่ง แต่ยังไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ที่จะเปลี่ยนแปลงตลาดทันที ควรมองว่าเป็นจุดเริ่มต้นของการออกแบบวัสดุและวิศวกรรมระบบในอนาคต

สิ่งที่ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษคือ นักวิจัยกำลังให้ความสนใจในทิศทางของ "การทำให้เป็นของแข็ง" และ "การประยุกต์ใช้กับหน้าต่าง" การใช้ของเหลวที่หมุนเวียนผ่านท่อมีข้อดีในการเคลื่อนย้ายความร้อนได้ง่าย แต่ก็มีปัญหาเรื่องการรั่วไหล การเสียของปั๊ม การกัดกร่อน และการบำรุงรักษา หากสามารถรวมโมเลกุลเข้ากับวัสดุแข็งหรือการเคลือบโปร่งใส อาจมีการประยุกต์ใช้ที่ง่ายขึ้น

ตัวอย่างเช่น กระจกหน้าต่างที่รับแสงอาทิตย์ในตอนกลางวันและทำให้โมเลกุลอยู่ในสภาพพลังงานสูง และปล่อยความร้อนออกมาอย่างช้าๆ ในเวลากลางคืนหรือเมื่ออุณหภูมิต่ำ หรือใช้เป็นฟิล์มบางเพื่อป้องกันการควบแน่นในพื้นที่หนาวเย็น แม้จะไม่สามารถให้ความร้อนแก่ทั้งอาคารได้ แต่ก็อาจมีประโยชน์ในการควบคุมความร้อนในท้องถิ่น

ในสาขาที่การจัดการอุณหภูมิมีความสำคัญ เช่น ดาวเทียมหรือเครื่องบิน ซึ่งน้ำหนักของเชื้อเพลิงหรือแบตเตอรี่เป็นข้อจำกัด การประยุกต์ใช้ก็เป็นไปได้ วัสดุที่สามารถเก็บความร้อนได้ในระดับโมเลกุลและดึงออกมาเมื่อจำเป็นนั้นมีเสน่ห์ อาจมีการนำไปใช้ในขนาดเล็กและมีมูลค่าสูงก่อนที่จะนำไปใช้ในขนาดใหญ่เช่นการทำความร้อนในที่อยู่อาศัย

สิ่งที่น่าสนใจในงานวิจัยนี้คือการเปลี่ยนปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนความล้มเหลวในธรรมชาติให้เป็นแรงบันดาลใจทางเทคโนโลยี การบ่มแดดเป็นความเสียหายที่มนุษย์ต้องการหลีกเลี่ยง การที่ DNA ถูกทำลายโดยรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นความเสี่ยงต่อสุขภาพ แต่เมื่อมองลึกลงไปในปรากฏการณ์ที่โมเลกุลเปลี่ยนรูปร่างเมื่อได้รับแสง มีระบบที่รับพลังงานแสงในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง การนำปฏิกิริยาเคมีแสงที่ชีวิตต้องเผชิญมาเป็นเวลานานไปใช้ในเทคโนโลยีพลังงานคือแนวคิดที่อยู่ที่นี่

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ไม่ควรเข้าใจผิดคือเทคโนโลยีนี้ไม่ได้ "ใช้การบ่มแดด" มนุษย์ไม่ได้ใช้ผิวหนังหรือ DNA ในการเก็บพลังงาน แต่เป็นการออกแบบโมเลกุลเทียมโดยได้รับแรงบันดาลใจจากระบบที่ DNA เปลี่ยนโครงสร้างเมื่อได้รับแสง

จุดสำคัญสามประการในอนาคต

ประการแรกคือการใช้ความยาวคลื่นของแสงอาทิตย์ได้มากน้อยเพียงใด หากสามารถใช้แสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีมากกว่ารังสีอัลตราไวโอเลตได้ ความเป็นไปได้ในการใช้งานจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ประการที่สองคือการพัฒนาตัวกระตุ้นการปล่อยความร้อนที่ปลอดภัย หากสามารถปล่อยความร้อนได้อย่างเสถียรด้วยความร้อนต่ำ แสง ตัวเร่งปฏิกิริยาแข็ง หรือการกระตุ้นทางไฟฟ้าเคมีแทนสารเคมีที่จัดการยากเช่นกรดไฮโดรคลอริก ขอบเขตการใช้งานจะกว้างขึ้น

ประการที่สามคือค่าใช้จ่ายรวมของวัสดุและอุปกรณ์ ค่าใช้จ่ายในการสังเคราะห์โมเลกุล การเสื่อมสภาพเมื่อใช้ซ้ำ การสูญเสียความร้อน อายุการใช้งานของอุปกรณ์ ความสามารถในการบำรุงรักษา และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจะต้องถูกเปรียบเทียบกับปั