แบตเตอรี่กำลังจะหมดบทบาท นักวิจัยเคมบริดจ์พัฒนา ‘Biocell’ ใช้สาหร่ายผลิตไฟฟ้า ช่วยลดขยะแบตเตอรี และขยะอิเล็กทรอนิกส์
ในอนาคต อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กอาจไม่จำเป็นต้องพึ่งพาแบตเตอรี่แบบเดิมเสมอไป งานวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ ได้พัฒนาระบบผลิตไฟฟ้าชีวภาพ หรือ Biophotovoltaics (BPV) ที่ใช้ไซยาโนแบคทีเรีย (cyanobacteria) ซึ่งเป็นจุลินทรีย์ที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่ำ
งานวิจัยดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า ระบบที่อาศัยกระบวนการสังเคราะห์แสงของสิ่งมีชีวิตสามารถจ่ายพลังงานให้กับไมโครโปรเซสเซอร์ได้อย่างต่อเนื่อง เป็นหลักฐานสำคัญว่า “พลังงานจากธรรมชาติ” อาจเข้ามาเติมเต็มช่องว่างของระบบพลังงานยุคใหม่ โดยเฉพาะอุปกรณ์ Internet of Things (IoT) ที่ต้องการพลังงานต่ำแต่ต้องทำงานเป็นเวลานาน
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ไม่ได้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมทั้งหมด แต่เป็นอีกหนึ่งทางเลือกสำหรับลดการพึ่งพาแบตเตอรี่ขนาดเล็กแบบใช้แล้วทิ้ง ซึ่งเป็นหนึ่งในปัจจัยที่เพิ่มปริมาณขยะอิเล็กทรอนิกส์ทั่วโลก
จากแสงอาทิตย์สู่กระแสไฟฟ้าผ่านกระบวนการของสิ่งมีชีวิต
แนวคิดของ Biophotovoltaics (BPV) เกิดจากการนำกระบวนการสังเคราะห์แสงของสิ่งมีชีวิตมาประยุกต์ใช้ในการผลิตไฟฟ้า “ไซยาโนแบคทีเรีย” เป็นจุลินทรีย์ที่มีความสามารถคล้ายพืช คือสามารถใช้แสง น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อสร้างพลังงานสำหรับการดำรงชีวิต ระหว่างกระบวนการดังกล่าวจะเกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในเซลล์
นักวิทยาศาสตร์ออกแบบระบบที่สามารถดักจับอิเล็กตรอนเหล่านี้ผ่านขั้วไฟฟ้า ก่อนเปลี่ยนเป็นกระแสไฟฟ้าที่สามารถนำไปใช้งานได้ แตกต่างจากแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไปที่ใช้วัสดุกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน ระบบ BPV ใช้ “ระบบชีวภาพ” เป็นตัวกลางในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นไฟฟ้า
หนึ่งในสายพันธุ์ที่ได้รับความสนใจคือ Synechocystis sp. PCC 6803 เนื่องจากเป็นไซยาโนแบคทีเรียที่มีการศึกษาอย่างกว้างขวาง สามารถเพาะเลี้ยงได้ และเหมาะสำหรับการศึกษากลไกการถ่ายโอนอิเล็กตรอน
งานวิจัยเคมบริดจ์: จุดเปลี่ยนของพลังงานชีวภาพ
งานวิจัยสำคัญของทีมจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ซึ่งเผยแพร่ในวารสาร Energy & Environmental Science ปี 2022 ภายใต้ชื่อ Powering a microprocessor by photosynthesis ได้สร้างความสนใจอย่างมากในวงการพลังงานสะอาด
ทีมนักวิจัยพัฒนาระบบผลิตไฟฟ้าชีวภาพขนาดเล็ก โดยใช้ไซยาโนแบคทีเรียร่วมกับขั้วไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อดึงพลังงานจากกระบวนการสังเคราะห์แสง
ระบบดังกล่าวสามารถจ่ายไฟให้กับไมโครโปรเซสเซอร์ Arm Cortex-M0+ ซึ่งเป็นชิปที่ใช้พลังงานต่ำ แสดงให้เห็นว่าแหล่งพลังงานจากสิ่งมีชีวิตสามารถรองรับการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กได้
ความสำคัญของงานวิจัยนี้ไม่ได้อยู่ที่การสร้างพลังงานปริมาณมาก แต่คือการพิสูจน์ว่า ระบบชีวภาพสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องและมีเสถียรภาพเพียงพอสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการพลังงานต่ำ
นักวิจัยมองว่าแนวทางนี้เหมาะกับอุปกรณ์ IoT ซึ่งในอนาคตจะมีจำนวนเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล และต้องการแหล่งพลังงานที่ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนบ่อย
ทำไมเทคโนโลยีนี้จึงสำคัญต่อสิ่งแวดล้อม
ปัญหาสำคัญของโลกยุคดิจิทัลไม่ได้มีเพียงการใช้พลังงานมากขึ้น แต่ยังรวมถึงปริมาณขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้วย รายงาน Global E-waste Monitor 2024 ของ United Nations Institute for Training and Research (UNITAR) และ International Telecommunication Union (ITU) ระบุว่า โลกสร้างขยะอิเล็กทรอนิกส์ประมาณ 62 ล้านตันในปี 2022 และคาดว่าจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 82 ล้านตันภายในปี 2030
แม้อุปกรณ์ IoT แต่ละชิ้นจะใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย แต่จำนวนอุปกรณ์ที่เพิ่มขึ้นทำให้ความต้องการแบตเตอรี่ขนาดเล็กเพิ่มขึ้นตามไปด้วยแบตเตอรี่เหล่านี้มีวงจรชีวิตตั้งแต่การทำเหมืองแร่ การผลิต การขนส่ง ไปจนถึงการกำจัด ซึ่งล้วนเกี่ยวข้องกับผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะแบตเตอรี่ที่ใช้แร่สำคัญ เช่น ลิเธียม โคบอลต์ และนิกเกิล ซึ่งต้องผ่านกระบวนการทำเหมืองและแปรรูปที่ใช้พลังงานสูง
ดังนั้น การพัฒนาแหล่งพลังงานทางเลือกสำหรับอุปกรณ์กำลังต่ำจึงอาจช่วยลดจำนวนแบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้ง และลดภาระของระบบจัดการขยะในระยะยาว
BPV เหมาะกับอุปกรณ์ประเภทใด
แม้แนวคิดการผลิตไฟฟ้าจากไซยาโนแบคทีเรียจะฟังดูเหมือนเทคโนโลยีแห่งอนาคต แต่การใช้งานที่เหมาะสมที่สุดในปัจจุบันคืออุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าปริมาณต่ำและต้องทำงานต่อเนื่อง
ตัวอย่างเช่น
• เซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อม ระบบตรวจวัดคุณภาพอากาศ คุณภาพน้ำ หรือสภาพอากาศในพื้นที่ห่างไกล อาจได้รับประโยชน์จากแหล่งพลังงานที่ไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อย
• เกษตรอัจฉริยะ เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน อุณหภูมิ และสภาพแวดล้อมของพืช สามารถทำงานได้ในพื้นที่ขนาดใหญ่โดยลดต้นทุนการบำรุงรักษา
• ระบบติดตามธรรมชาติและความหลากหลายทางชีวภาพ พื้นที่อนุรักษ์ ป่าไม้ และระบบนิเวศห่างไกล ต้องการอุปกรณ์ตรวจวัดที่ทำงานต่อเนื่องเป็นเวลานาน โดยไม่รบกวนพื้นที่ธรรมชาติ
• อุปกรณ์ IoT ในโครงสร้างพื้นฐาน เซ็นเซอร์ตรวจสอบสะพาน อาคาร หรือระบบสาธารณูปโภค อาจใช้พลังงานจากระบบชีวภาพเพื่อลดความถี่ในการเปลี่ยนแบตเตอรี่
ข้อจำกัด: ยังไม่ใช่ตัวแทนแบตเตอรี่ลิเธียม แม้ BPV จะมีศักยภาพ แต่ยังมีข้อจำกัดหลายด้านก่อนนำไปใช้ในวงกว้าง
ข้อจำกัดแรกคือ กำลังไฟฟ้า ปัจจุบันระบบ BPV ยังผลิตไฟฟ้าได้ในระดับต่ำ เมื่อเทียบกับแผงโซลาร์เซลล์หรือแบตเตอรี่ทั่วไป จึงเหมาะกับอุปกรณ์ขนาดเล็กเท่านั้น
ข้อจำกัดที่สองคือ ความเสถียรของระบบชีวภาพ เนื่องจากระบบมีสิ่งมีชีวิตเป็นองค์ประกอบ ปัจจัยอย่างอุณหภูมิ แสง สารอาหาร และสภาพแวดล้อม สามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าได้
ข้อจำกัดที่สามคือ การผลิตในระดับอุตสาหกรรม นักวิจัยยังต้องพัฒนาวัสดุ ขั้วไฟฟ้า และโครงสร้างของระบบ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ลดต้นทุน และทำให้สามารถผลิตจำนวนมากได้
ดังนั้น ในปี 2026 BPV ยังอยู่ในสถานะเทคโนโลยีเกิดใหม่ ไม่ใช่เทคโนโลยีที่จะเข้ามาแทนที่แบตเตอรี่ทั้งหมด แต่เป็นอีกหนึ่งทางเลือกสำหรับงานเฉพาะด้าน
อนาคตของพลังงานที่ทำงานร่วมกับธรรมชาติ
การพัฒนาระบบผลิตไฟฟ้าจากไซยาโนแบคทีเรียสะท้อนแนวโน้มสำคัญของเทคโนโลยีพลังงานยุคใหม่ นั่นคือการไม่ได้มองหาเพียงแหล่งพลังงานที่ให้กำลังสูงที่สุด แต่เป็นแหล่งพลังงานที่เหมาะสมกับการใช้งาน มีผลกระทบต่ำ และสามารถอยู่ร่วมกับระบบธรรมชาติได้
Biophotovoltaics อาจไม่ได้เป็นคำตอบเดียวของปัญหาพลังงานและขยะอิเล็กทรอนิกส์ แต่เป็นตัวอย่างของการนำความสามารถของสิ่งมีชีวิตมาประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยี
ในอนาคต หากนักวิทยาศาสตร์สามารถเพิ่มประสิทธิภาพ ลดต้นทุน และทำให้ระบบมีความเสถียรมากขึ้น พลังงานจากไซยาโนแบคทีเรียอาจกลายเป็นหนึ่งในองค์ประกอบของโลกดิจิทัลที่ต้องการพลังงานจำนวนมากขึ้น แต่ต้องลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมลง
จากเดิมที่มนุษย์สร้างเทคโนโลยีโดยใช้ทรัพยากรธรรมชาติเป็นวัตถุดิบเพียงอย่างเดียว แนวคิดของ BPV กำลังเสนออีกมุมมองหนึ่ง คือการสร้างเทคโนโลยีที่ทำงานร่วมกับกระบวนการของธรรมชาติ
อ้างอิง:
- Bombelli, P., Savanth, A., Scarampi, A., Rowden, S. J. L., Green, D. H., Erbe, A., Årstøl, E., Jevremovic, I., Hohmann-Marriott, M. F., Trasatti, S. P., Ozer, E., & Howe, C. J. (2022).
Powering a microprocessor by photosynthesis.
Energy & Environmental Science, 15, 2529–2536.
DOI: https://doi.org/10.1039/D2EE00233G - University of Cambridge. (2022).
Scientists create reliable biological photovoltaic cell using algae.
University of Cambridge Research News. - McCormick, A. J., Bombelli, P., Bradley, R. W., et al. (2015).
Biophotovoltaics: oxygenic photosynthetic organisms in the world of bioelectrochemical systems.
Energy & Environmental Science, 8, 1092–1109.
DOI: https://doi.org/10.1039/C4EE03875D - UNITAR & International Telecommunication Union (ITU). (2024).
The Global E-waste Monitor 2024. - International Energy Agency (IEA). (2021).
The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions. - Howe Lab, University of Cambridge.
Production of electricity from photosynthetic microorganisms.