EN / TH

นักวิทยาศาสตร์แสดงถึงความเป็นไปได้ ในการแยกน้ำในอวกาศ ออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน

นักวิทยาศาสตร์แสดงถึงความเป็นไปได้ ในการแยกน้ำในอวกาศ ออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน

หน่วยงานและบริษัทเอกชนด้านอวกาศมีความล้ำหน้าในการวางแผนส่งมนุษย์ไปยังดาวอังคารในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า – โดยมาเป้าหมายที่จะสร้างอาณาจักรที่ดาวอังคาร รวมทั้งมีการค้นพบมากขึ้นเกี่ยวกับดาวเคราะห์ที่คล้ายโลกในบรรดาดวงดาวใกล้เคียงทำให้การเดินทางไกลในอวกาศมีความตื่นเต้นอย่างยิ่ง

อย่างไรก็ตามไม่ใช่เรื่องง่ายสำหรับมนุษย์ที่จะรอดชีวิตในอวกาศในระยะเวลานาน สิ่งท้าทายสำคัญประการหนึ่งของการเดินทางไกลในอวกาศคือ การขนส่งออกซิเจนให้เพียงพอสำหรับนักบินอวกาศใช้ในการหายใจ และมีพลังงานเชื้อเพลิงเพียงพอสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อันซับซ้อน น่าเสียดายว่ามีออกซิเจนในอวกาศเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และระยะทางอันยาวไกลทำให้ยากที่จะเติมออกซิเจนได้อย่างรวดเร็ว

แต่ปัจจุบันนี้มีงานวิจัยเรื่องใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ที่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสร้างไฮโดรเจน (เพื่อเป็นเชื้อเพลิง) และออกซิเจน (เพื่อหายใจ) จากน้ำเท่านั้นโดยใช้วัสดุกึ่งตัวนำและแสงอาทิตย์ (หรือแสงดาว) ที่มีความโน้มถ่วงเป็นศูนย์เพื่อทำให้การเดินทางในอวกาศแบบยั่งยืนนั้นเป็นไปได้อย่างแท้จริง

การใช้แหล่งพลังงานที่ไม่พึ่งพาแสงอาทิตย์ในการสร้างพลังงานสำหรับใช้ในชีวิตประจำวัน เป็นสิ่งท้าทายสำคัญประการหนึ่งของโลก ในขณะที่เราถอยห่างจากการใช้น้ำมันทีละน้อยเพื่อหันไปหาพลังงานทางเลือกนั้น นักวิจัยได้ให้ความสนใจศึกษาความเป็นไปได้ของการนำไฮโดรเจนมาใช้เป็นพลังงานเชื้อเพลิง

วิธีที่ดีที่สุดที่จะทำเช่นนี้ได้คือการแยกน้ำ (H2O) ออกเป็นสองส่วนประกอบคือไฮโดรเจนและออกซิเจน การแยกส่วนประกอบนี้เป็นไปได้ด้วยการใช้กระบวนการที่เรียกว่ากระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าอิเล็กโทรไลซิส (electrolysis) ที่เกิดจากการเดินกระแสไฟฟ้าผ่านน้ำตัวอย่างที่ประกอบด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (soluble electrolyte) ที่จะแยกน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนที่แยกกันที่สองอิเล็กโทรด เพราะวิธีนี้มีความเป็นไปได้ในเชิงเทคนิคและมีการนำมาใช้บนโลกได้ด้วยเนื่องจากเราจำเป็นต้องใช้สาธารณูปโภคมากขึ้นที่ต้องใช้ไฮโดรเจนอย่างเช่นสถานีเติมก๊าซไฮโดรเจนที่ต้องขยายใหญ่ขึ้น

พลังงานแสงอาทิตย์ (Sun Power)

ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่เกิดจากกรรมวิธีสกัดจากน้ำนี้สามารถนำไปใช้เป็นน้ำมันเชื้อเพลิงในยานอวกาศได้ การปล่อยจรวดด้วยพลังงานจากน้ำนั้นพบว่ามีความปลอดภัยมากขึ้นกว่าการปล่อยจรวดที่บรรทุกน้ำมันเชื้อเพลิงอื่นและออกซิเจนซึ่งอาจเกิดเหตุระเบิดได้ เมื่อขึ้นไปถึงในอวกาศแล้ว เทคโนโลยีเฉพาะจะแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนที่สามารถนำมาใช้ในการดำรงค์ชีวิตและเพื่อเป็นพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วยเซลล์เชื้อเพลิงได้ด้วย

มีทางเลือกสองประการสำหรับวิธีการเช่นนี้

  1. ประการแรกคือกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบอิเล็กโทรไลซิส (electrolysis) เช่นเดียวกับที่เราใช้บนโลกโดยใช้อิเล็กโทรไลต์และโซลาร์เซลล์เพื่อดักจับแสงอาทิตย์แล้วแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นกระแสไฟฟ้า
  2. อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ “ปฏิกิริยาสังเคราะห์แสงโฟโตแคตะลิสต์” (photo catalyst) ที่ทำงานด้วยการดูดซับอนุภาคแสง (light particle) คือโฟตอน (photon) เข้าสู่วัสดุกึ่งตัวนำที่เสียบไว้ในน้ำ พลังงานของโฟตอนถูกดูดซับด้วยอิเล็กตรอนในวัสดุที่จะกระเด็นแล้วทำให้เกิดหลุมขึ้น

อิเล็กตรอนอิสระสามารถทำปฏิกิริยากับโฟตอน (ที่ประกอบขึ้นเป็นนิวเคลียสอะติมที่มีนิวตรอน) ในน้ำเพื่อสร้างไฮโดรเจน ในขณะเดียวกันนั้นหลุมจะดูดซับอิเล็กตรอนจากน้ำเพื่อสร้างโฟรตอนและออกซิเจน

กระบวนการนี้อาจเป็นไปในทางกลับกันได้ คือการนำไฮโดรเจนและออกซิเจนมารวมกันหรือ “รวมกันใหม่” (recombined) โดยใช้เซลล์เชื้อเพลิงที่กลับมาเป็นพลังงานแสงอาทิตย์ที่เกิดจากพลังงาน “โฟโตแคตะไลซิส” (photocatalysis) ซึ่งเป็นพลังงานที่นำมาใช้เพื่อให้กำลังกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การรวมตัวใหม่ (recombination) เพื่อสร้างน้ำเป็นผลผลิต ซึ่งหมายความว่าสามารถนำน้ำมารีไซเคิลได้ ซึ่งสิ่งนี้เป็นกุญแจสำคัญในการเดินทางอันยาวไกลในอวกาศ

กระบวนการที่ใช้ปฏิกิริยาสังเคราะห์แสงแบบโฟโตแคตะลิซิสเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการเดินทางในอวกาศเพราะใช้อุปกรณ์ที่มีน้ำหนักน้อยลงมากกว่าที่จำเป็นต้องใช้ในกระบวนการแยกน้ำแบบอิเล็กโทรไลซิส ในทางทฤษฎีนั้นวิธีนี้น่าจะได้ผลอย่างง่ายดาย ซึ่งเรื่องนี้เป็นเพียงส่วนหนึ่งเพราะความเข้มข้นของแสงอาทิตย์อาจสูงมากยิ่งขึ้นเมื่อไม่มีบรรยากาศของโลกคอยดูดซับปริมาณความร้อนในระหว่างการเดินทาง

การจัดการกับฟองอากาศ (Bubble management)

ในงานวิจัยเรื่องใหม่นั้นนักวิจัยได้ลดระดับโฟโตแคตะลิซิสในการทดลองลงจาก 120m drop tower เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมที่คล้ายกับสภาวะแรงโน้มถ่วงเบาบาง เนื่องจากวัตถุที่ตกสู่พื้นโลกอย่างเป็นอิสระจะเร่งความเร็ว ดังนั้นจึงไม่ใช้ผลจากแรงโน้มถ่วงที่ลดลงเป็นแรง (Force) ที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงโดยใช้แรงจากการเร่งที่เท่ากันและตรงข้าม

สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับ G force ที่นักบินอวกาศและนักบินต่อสู้อากาศยานเคยพบในขณะที่เร่งเครื่องยานบินของตน นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่ามีความเป็นไปได้ในการแยกน้ำในสภาพแวดล้อมเช่นนี้ อย่างไรก็ตามเนื่องจากการแยกน้ำทำให้เกิดก๊าซฟองอากาศ การกำจัดฟองอากาศจากวัสดุเร่งปฏิกิริยาแคตะลิสจึงเป็นสิ่งสำคัญเพราะฟองอากาศเป็นอุปสรรคต่อกระบวนการสร้างก๊าซ

บนพื้นโลกนั้น แรงโน้มถ่วงทำให้ฟองอากาศลอยขึ้นไปยังพื้นผิวโดยอัตโนมัติ (น้ำที่อยู่ใกล้พื้นผิวหนากว่าฟองอากาศจึงทำให้เกิดแรงลอยตัว (buoyant)) เพื่อทำให้เกิดพื้นทีว่างบนสารเร่งปฏิกิริยาแคตะลิสสำหรับสร้างฟองอากาศถัดไป ในกรณีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วงจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะเกิดแรงลอยตัวและฟองอากาศจะยังคงอยู่บนหรืออยู่ใกล้สารเร่งปฏิกิริยาแคตะลิส อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ได้จัดปรับรูปทรงนาโนเสกลของสารเร่งปฏิกิริยาแคตะลิสเพื่อสร้างพื้นที่ทรงปิรามิดเพื่อให้ฟองอากาศหลุดจากปลายยอดได้ง่ายแล้วลอยขึ้นไปยังสื่อกลาง

แต่ทว่ายังมีปัญหาอีกประการหนึ่ง เมื่อขาดแรงโน้มถ่วง ฟองอากาศจะยังคงสภาพเป็นของเหลว ถึงแม้ว่าจะถูกผลักออกจากสารเร่งปฏิกิริยาแคตะลิสเองก็ตาม แรงโน้มถ่วงทำให้ก๊าซออกจากของเหลวได้ง่ายซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ หากขาดแรงโน้มถ่วงจะไม่เกิดก๊าซฟองอากาศลอยขึ้นไปยังพื้นผิวและไม่เกิดการแยกตัวจากส่วนผสม ซึ่งก๊าซทั้งหมดจะยังคงสภาพเป็นโฟม

ลักษณะนี้จึงเป็นการลดประสิทธิภาพของกระบวนการลงมากด้วยการสกัดสารแคตะลิสหรืออิเล็กโทรด สารละลายทางวิศวกรรมเพื่อแก้ปัญหานี้จึงเป็นกุญแจสำคัญต่อการบรรลุความสำเร็จในการปฏิบัติการเทคโนโลยีทางอวกาศ ที่มีความเป็นไปได้ประการหนึ่งในการใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง (centrifugal forces) จากการหมุนของยานอวกาศเพื่อแยกก๊าซออกจากสารละลาย