เซลล์สุริยะใต้น้ำคืออะไร และทำไมการลงลึก 10 เมตรจึงสำคัญ
เซลล์สุริยะใต้น้ำคือแผงโซลาร์ที่ถูกออกแบบเฉพาะให้ทำงานได้ในสภาพแวดล้อมใต้ทะเล โดยปรับวัสดุและโครงสร้างให้สามารถรับแสงที่ผ่านชั้นน้ำซึ่งดูดกลืนและกระจายพลังงานแสงอย่างหนัก เซลล์ชนิดนี้ต้องทนแรงดันน้ำ การกัดกร่อน และปัญหาความมืดที่เพิ่มขึ้นตามความลึก พร้อมให้พลังงานกับเซนเซอร์ โดรนทางทะเล และระบบสื่อสารที่ไม่สะดวกต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อยครั้ง จุดหักเหของข่าวนี้คือ นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยหยุนหนานได้ติดตั้งเซลล์สุริยะใต้น้ำลึกถึงประมาณ 10 เมตรในทะเล และยืนยันว่าแผงดังกล่าวสามารถเก็บพลังงานมากพอที่จะชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้เต็มในเวลาเพียง 2 ชั่วโมง ความสำเร็จนี้เป็นครั้งแรกที่มีการพิสูจน์การทำงานเชิงปฏิบัติของเซลล์สุริยะใต้น้ำในระดับความลึกที่เข้าถึงการใช้งานจริง ไม่ใช่แค่ทดลองในน้ำตื้นไม่กี่เมตรเท่านั้น
เทคโนโลยี perovskite แก้โจทย์แสงถูกดูดกลืนในน้ำอย่างไร
หัวใจของความก้าวหน้าครั้งนี้อยู่ที่เทคโนโลยี perovskite ซึ่งพลิกโจทย์การดูดกลืนแสงในน้ำทะเลให้กลายเป็นโอกาส นักวิทยาศาสตร์ใช้คริสตัลสารกึ่งตัวนำชนิด lead halide perovskite ที่มีช่องว่างพลังงานหรือ band gap กว้าง ทำให้เลือกดูดกลืนช่วงแสงที่มีโอกาสลอดผ่านน้ำมาได้มากที่สุด นั่นคือแสงช่วงสีน้ำเงินถึงเขียวระหว่างความยาวคลื่นประมาณ 400 ถึง 600 นาโนเมตร ขณะที่แสงสีแดงถูกดูดกลืนไปในระดับน้ำตื้นก่อนจะลงถึงเซลล์ สิ่งที่น่าสนใจคือระหว่างสร้างวัสดุ perovskite ทีมวิจัยได้เติมพอลิเมอร์ polyhexamethylene guanidine hydrochloride เพื่อช่วยดักจับอิเล็กตรอนในเซลล์มากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าในสภาวะเลียนแบบความลึก 10 เมตรในห้องปฏิบัติการสูงเกือบ 35 เปอร์เซ็นต์ นี่ไม่ใช่การนำโซลาร์บนบกไปจมน้ำ แต่เป็นการออกแบบวัสดุใหม่เพื่อสนองสเปกตรัมแสงเฉพาะใต้ทะเลอย่างชัดเจน
จากตัวเลขการทดสอบสู่ภาพอนาคตของระบบทะเลอัตโนมัติ
การทดลองภาคสนามในทะเลแสดงภาพที่ชัดเจนว่าพลังงานจากเซลล์สุริยะใต้น้ำไม่ใช่แค่ทฤษฎี หุ่นยนต์ควบคุมจากระยะไกลนำโมดูลเซลล์ขนาดราว 115 ตารางเซนติเมตรลงไปติดตั้งที่ความลึก 2 เมตร 6 เมตร และ 10 เมตร ผลคือแผงเก็บพลังงานได้ 1,416 มิลลิวัตต์ชั่วโมงที่ 2 เมตร 752 มิลลิวัตต์ชั่วโมงที่ 6 เมตร และ 324 มิลลิวัตต์ชั่วโมงที่ 10 เมตร แม้ตัวเลขจะลดลงตามความลึก แต่ก็ยังเพียงพอให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้พลังงานมากพอจ่ายไฟให้ป้ายไฟ LED ทั้งหมด ทีมวิจัยประเมินว่าเซลล์เหล่านี้สามารถทำงานต่อเนื่องได้นานราวห้าปีครึ่งก่อนต้องเปลี่ยนหรือบำรุงครั้งใหญ่ นั่นหมายความว่าอุปกรณ์ใต้ทะเลที่ติดตั้งแบบไม่เชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า เช่น เซนเซอร์ตรวจวัดคุณภาพน้ำ กล้องถ่ายภาพปะการัง หรือสถานีรับสัญญาณเสียง สามารถพึ่งพาระบบโซลาร์ใต้น้ำเพื่อให้ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องร่วมกับแหล่งพลังงานอื่นได้
โดรนทางทะเลและการตรวจการณ์ทะเลแบบไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่
ผลทางปฏิบัติที่น่าสนใจที่สุดสำหรับคนทำงานด้านเทคโนโลยีทะเลคือความเป็นไปได้ของโดรนทางทะเลและระบบตรวจการณ์ที่ไม่ต้องพึ่งการเปลี่ยนแบตเตอรี่ถี่เหมือนเดิม ปัจจุบันอุปกรณ์ใต้ทะเลจำนวนมากถูกปล่อยให้ทำงานเป็นเวลานานเพื่อสำรวจและเก็บข้อมูล แต่การจ่ายไฟยังเป็นภาระใหญ่อย่างชัดเจน ทั้งค่าใช้จ่ายทางโลจิสติกส์และความเสี่ยงของการหยุดทำงานกลางทะเล เซลล์สุริยะใต้น้ำจาก perovskite ช่วยเปิดแนวคิดระบบพลังงานหมุนเวียนแบบ self-sustained สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ งานวิจัยระบุว่าเทคโนโลยีนี้ปูทางไปสู่ “ระบบพลังงานทางทะเลที่พึ่งพาตนเองและอุปกรณ์ใต้น้ำอัตโนมัติ” ซึ่งรวมถึงเครือข่ายเซนเซอร์ใต้น้ำ สถานีสื่อสาร หรือแม้แต่โดรนทางทะเลที่ลอยตัวใกล้ผิวน้ำแล้วดำน้ำเป็นระยะเพื่อเก็บข้อมูล หากออกแบบให้โดรนมีแผงเซลล์สุริยะใต้น้ำติดตัว มันสามารถชาร์จแบตเตอรี่ขณะทำงานโดยไม่ต้องกลับฐานบ่อย ทำให้ภารกิจสำรวจหรือเฝ้าระวังทะเลกินเวลายาวนานกว่าที่เคย
เมื่อวิทยาศาสตร์วัสดุจับมือเทคโนโลยีมหาสมุทร และข้อท้าทายที่ยังต้องตอบ
สิ่งที่บทความนี้สะท้อนอย่างชัดคือการบรรจบกันของวิทยาศาสตร์วัสดุกับนวัตกรรมเทคโนโลยีมหาสมุทร เซลล์สุริยะใต้น้ำไม่อาจเกิดขึ้นได้ถ้าเรายังยึดติดกับวัสดุซิลิคอนมาตรฐานบนพื้นดินที่ดูดกลืนแสงกว้างเกินไปและไม่สอดคล้องกับสเปกตรัมแสงที่เหลืออยู่ในทะเล ทีมวิจัยจึงสร้างวัสดุ perovskite แบบใหม่ ปรับ band gap และเสริมพอลิเมอร์ดักอิเล็กตรอนให้เหมาะสมกับการทำงานในน้ำลึก 5 ถึง 10 เมตร จากนั้นจึงนำไปทดสอบทั้งในห้องปฏิบัติการและภาคสนามเพื่อยืนยันว่าระบบสามารถขยายจากเซลล์ขนาดเล็กสู่โมดูลขนาดใหญ่ได้จริง อย่างไรก็ดี งานยังไม่จบ สภาพแวดล้อมทะเลเต็มไปด้วยการก่อตัวของสิ่งมีชีวิตและตะกอนบนผิวอุปกรณ์หรือที่เรียกว่าวัฏจักรการเกาะติดของชีวะวัตถุ ซึ่งอาจบังแสงและลดประสิทธิภาพของเซลล์จนต้องทำความสะอาดเป็นระยะ ถ้าอุตสาหกรรมต้องการพึ่งเซลล์สุริยะใต้น้ำเป็นฐานพลังงานหมุนเวียนระยะยาว จำเป็นต้องตอบโจทย์การดูแลรักษา ความทนทาน และผลกระทบต่อระบบนิเวศให้ชัดเจน แต่จากหลักฐานปัจจุบัน งานวิจัย perovskite ใต้น้ำกำลังเปิดบทใหม่ของการออกแบบพลังงานสำหรับทะเลที่เราไม่ควรมองข้าม
