ความหวังใหม่ ? ต้นไม้เทียมดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ คายออกซิเจน ผลิตไฟฟ้าได้ !

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบิงแฮมตัน (Binghamton University) ได้พัฒนาต้นไม้เทียมที่สามารถดักจับคาร์บอนไดออกไซด์ และคายออกซิเจนได้คล้ายพืชจริง ทั้งยังผลิตไฟฟ้าด้วยกระบวนการสังเคราะห์แสงได้ ทางเลือกใหม่ในการปรับปรุงคุณภาพอากาศภายในอาคาร และพลังงานสะอาดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก

ในตอนแรก ศาสตราจารย์ซอกฮึน ชเว (Seokheun Choi) และมาเรียม รีเซย์ (Maryam Rezaie) นักศึกษาระดับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยดังกล่าว ได้สร้างใบไม้เทียมเพื่อความสนุก แต่พวกเขาตระหนักในภายหลังว่าสิ่งประดิษฐ์นี้สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้มากกว่านั้น 

นักวิจัยทั้ง 2 สร้างต้นไม้เทียมขึ้น ด้วยใบไม้เทียมจำนวน 5 ใบ โดยแต่ละใบมีเซลล์แสงอาทิตย์ชีวภาพจำนวน 5 เซลล์ ซึ่งประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าบวก (Anode) ที่มีไซยาโนแบคทีเรีย (cyanobacteria) หรือแบคทีเรียสังเคราะห์แสงเป็นส่วนประกอบ เมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน และขั้วไฟฟ้าลบ (Cathode) 

เมื่อนำใบไม้เหล่านี้มาประกอบเข้ากับโครงสร้างต้นไม้เทียมที่มีกิ่งและลำต้นที่สามารถส่งผ่านของเหลวได้ มันจึงได้รับน้ำและสารอาหารอย่างต่อเนื่องทำให้แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสามารถเติบโตและสร้างกระบวนการเผาผลาญของแบคทีเรีย ในขณะเดียวกัน ระบบไฟฟ้าของต้นไม้เทียมยังใช้เทคนิคการพิมพ์ inkjet ที่พิมพ์ได้อย่างละเอียดอ่อนในการวางระบบตัวนำไฟฟ้าด้วยแผ่นเงิน ให้สามารถนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เมื่อนำไปวางในอาคาร ต้นไม้จะใช้แสงและคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในอากาศภายในห้อง พร้อมกับน้ำที่ทีมวิจัยจัดเตรียมไว้ เพื่อสังเคราะห์แสง กระบวนการนี้จะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นออกซิเจน ซึ่งช่วยในการลดปริมาณก๊าซเรือนกระจกและอากาศสะอาดได้

นอกจากนี้ แบคทีเรียยังผลิตอิเล็กตรอนส่วนเกินระหว่างการสังเคราะห์แสง ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกส่งไปยังขั้ว anode เกิดเป็นกระแสไฟฟ้า ในขณะเดียวกันโปรตอนที่ถูกผลิตขึ้นจะถูกส่งไปยังขั้ว cathode เพื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ กระบวนการนี้มีความสำคัญเพราะช่วยรักษาความเป็นกลางทางอิเล็กทรอนิกส์ (electroneutrality) ของระบบ ช่วยให้ระบบทำงานได้ต่อเนื่อง และเนื่องจากกระบวนการสังเคราะห์แสงผลิตออกซิเจนมากกว่าที่แบคทีเรีย รวมถึงระบบใช้ อากาศจึงยังพบว่ามีออกซิเจนเพิ่มขึ้นกว่าช่วงเวลาก่อนหน้า

ต้นไม้เทียมนี้สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด 2.7 โวลต์ (V) และกําลังไฟฟ้าสูงสุด 140 ไมโครวัตต์ (µW) ศาสตราจารย์ชเวตั้งเป้าหมายต่อไปที่จะพัฒนาให้สามารถสร้างพลังงานได้มากขึ้นที่ขั้นต่ำ 1 มิลลิวัตต์ รวมถึงการสร้างระบบจัดเก็บพลังงาน เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน หรือซูเปอร์คาปาซิเตอร์ต่อไป

ประโยชน์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ ศักยภาพในการลดคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศภายในอาคารได้ถึงร้อยละ 90 จาก 5,000 ppm เหลือ 500 ppm ซึ่งสูงกว่าพืชตามธรรมชาติที่สามารถดูดซับได้เพียงร้อยละ 10 นอกจากนั้นยังช่วยสร้างออกซิเจนและทำให้อากาศสะอาดขึ้น ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากสำหรับพื้นที่ในเมืองที่มีคุณภาพอากาศต่ำ

การวิจัยดังกล่าวยังคงอยู่ในช่วงการพัฒนา ส่วนเป้าหมายอื่น ๆ ที่ทีมนักวิจัยวางไว้ยังรวมถึงการทดลองใช้แบคทีเรียหลายสายพันธุ์ เพื่อให้มีความสามารถในการใช้งานได้ในระยะยาว และพัฒนาวิธีการลดความยุ่งยากและลดความจำเป็นในการดูแลรักษา โดยเฉพาะ ระบบส่งน้ำและสารอาหาร เพื่อให้ใช้งานได้ง่ายขึ้น

ที่มาข้อมูล https://interestingengineering.com/energy/plant-generates-electricity-carbon-capture 
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202400401#support-information-section