มนุษย์จะสร้างนิคมต่างดาวที่ยั่งยืนจาก “การสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม”

ความใฝ่ฝันของมนุษยชาติที่จะออกไปสำรวจห้วงอวกาศ เพื่อค้นหาสถานที่สร้างบ้านหลังใหม่นอกโลกนั้น กำลังใกล้ความจริงเข้ามาอีกขึ้นหนึ่ง หลังทีมนักเคมีชาวอังกฤษและฝรั่งเศสได้ออกแบบ “กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม” (Artificial Photosynthesis) เลียนแบบพืชสีเขียว ซึ่งจะช่วยให้เราผลิตออกซิเจนและเชื้อเพลิงที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตระยะยาวบนดาวดวงอื่นได้

ผศ.ดร. แคทารีนา บริงเคิร์ต สมาชิกทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอร์ริกของสหราชอาณาจักร ได้อธิบายถึงกระบวนการทางเคมีดังกล่าวในบทความที่เผยแพร่ทางเว็บไซต์ The Conversation ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นเป็นปฏิกิริยาเคมีที่พิเศษและทรงคุณค่าอย่างยิ่ง เพราะใช่ว่าจะเกิดขึ้นได้บนดาวเคราะห์ทุกดวงในห้วงจักรวาล แต่มนุษย์มักจะมองข้ามประโยชน์ของมันไป เพราะโลกของเรามีพืชพรรณสีเขียวและสาหร่ายเซลล์เดียวที่คอยผลิตออกซิเจนให้อยู่เต็มไปหมด

ในรายงานวิจัยที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature Communications ดร. บริงเคิร์ตและคณะได้ประเมินถึงประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียม ซึ่งขณะนี้สามารถจะสร้างขึ้นเป็นอุปกรณ์ชิ้นใหม่จากเทคโนโลยีล่าสุดที่มีอยู่ โดยมองว่ามันสามารถจะสนับสนุนการสร้างอาณานิคมต่างดาวที่ยั่งยืน ซึ่งมนุษย์จะลงหลักปักฐานและเพิ่มจำนวนประชากรขึ้นในระยะยาวได้แล้ว

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชและสาหร่ายเซลล์เดียวที่เราคุ้นเคยนั้น คือการนำสารตั้งต้นได้แก่น้ำ (H2O) ซึ่งดูดซึมเข้ามาทางรากของต้นไม้ และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งเข้าสู่ต้นพืชทางปากใบ มาทำปฏิกิริยากันโดยมีตัวจุดชนวนคือแสงอาทิตย์ที่คลอโรฟิลล์ดึงเข้ามา จนได้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจนและสารให้พลังงานอย่างน้ำตาลกลูโคส (C6H12O6) ซึ่งพืชจะเก็บสะสมไว้ในรูปของแป้งที่ภายในเซลล์

หากเราสามารถสร้างปฏิกิริยาเคมีข้างต้นขึ้นเองได้ในยานอวกาศ มันก็จะช่วยผลิตออกซิเจนสำหรับหายใจได้อย่างเพียงพอ ตลอดการเดินทางอันยาวนานหลายปีสู่ห้วงอวกาศลึก โดยไม่ต้องลำบากขนถังออกซิเจนสำรองไปจากโลก หรือพึ่งพาอุปกรณ์แยกโมเลกุลน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า (electrolysis) ซึ่งอุปกรณ์นี้ใช้กันอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติในปัจจุบัน ร่วมกับอุปกรณ์รีไซเคิลคาร์บอนไดออกไซด์ที่มนุษย์อวกาศหายใจออกมา เพื่อให้กลายเป็นน้ำและเชื้อเพลิงมีเทน

ทว่าการเดินเครื่องอุปกรณ์เหล่านี้ค่อนข้างสิ้นเปลืองพลังงาน ทั้งยังไม่มีประสิทธิภาพดีพอสำหรับการผลิตออกซิเจนและเชื้อเพลิงปริมาณมาก สำหรับการตั้งฐานที่มั่นนอกโลกในระยะยาวอีกด้วย

เมื่อปี 2022 การทดลองผลิตออกซิเจนบนดาวอังคารขององค์การนาซา ด้วยอุปกรณ์ทดสอบใช้ทรัพยากรในสถานที่จริง MOXIE สามารถเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นออกซิเจนสำหรับหายใจได้ 6 กรัม ภายในเวลาเดินเครื่อง 1 ชั่วโมง ซึ่งปริมาณนี้มนุษย์จะใช้หายใจได้ราว 15 นาที เทียบเท่ากับปริมาณออกซิเจนที่ต้นไม้ขนาดเล็กผลิตได้บนโลก

แม้ MOXIE จะเป็นความสำเร็จที่น่าทึ่งในขั้นต้น แต่เมื่อเทียบกับอุปกรณ์สร้างการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมแล้ว เครื่องมือล้ำสมัยชนิดหลังดูจะมีอนาคตที่สดใสมากกว่า โดยทีมวิจัยของดร. บริงเคิร์ตบอกว่า มันสามารถใช้กระจกรวมแสงขนาดใหญ่ดึงพลังงานแสงอาทิตย์ในอวกาศมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง เพื่อนำไปจุดชนวนปฏิกิริยาเคมีในวัสดุกึ่งตัวนำที่ฉาบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ จนสามารถเปลี่ยนโมเลกุลน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นสารตั้งต้น ให้กลายเป็นก๊าซออกซิเจนและเชื้อเพลิงคาร์บอนปริมาณมากได้พร้อมกัน

ความพิเศษของเครื่องมือสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมนี้ ยังอยู่ที่การมีขนาดกะทัดรัดและสามารถรวมการผลิตอากาศหายใจและการผลิตพลังงานเอาไว้ได้ในตัว โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ขนาดใหญ่สองชิ้นสำหรับกระบวนการผลิตที่แตกต่างกัน

เครื่องมือนี้ยังสามารถทำงานได้ในอุณหภูมิห้อง รวมทั้งรองรับทุกภาวะความกดอากาศ ไม่ว่าจะเป็นที่พื้นผิวหรือใต้ดินของดวงจันทร์หรือดาวอังคาร ซึ่งต่างจากอุปกรณ์ผลิตออกซิเจนจากฝุ่นละเอียด (regolith) บนพื้นผิวดวงจันทร์ขององค์การนาซา ซึ่งจะทำงานได้ในสภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงระดับหนึ่งเท่านั้น

อย่างไรก็ตามทีมผู้วิจัยระบุว่า การใช้งานอุปกรณ์สังเคราะห์ด้วยแสงเทียมบนดาวอังคาร อาจต้องมีการปรับขนาดและการทำงานของกระจกรวมแสงให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเป็นพิเศษด้วย เนื่องจากดาวอังคารอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์มากกว่าโลกและดวงจันทร์ จึงอาจมีความเข้มของแสงไม่เพียงพอต่อการจุดชนวนปฏิกิริยาเคมีได้

เครื่องมือเลียนแบบการผลิตพลังงานของพืชสีเขียวนี้ นอกจากจะใช้ผลิตอากาศหายใจและเชื้อเพลิงคาร์บอนสำหรับการดำรงชีวิตของชาวนิคมต่างดาวได้แล้ว ยังมีศักยภาพสูงที่จะพัฒนาไปเป็นอุปกรณ์ผลิตวัสดุและปัจจัยสำคัญในการดำรงชีวิตอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็นวัสดุพอลีเมอร์ ปุ๋ย หรือแม้แต่ยาและเวชภัณฑ์

คุณประโยชน์ของอุปกรณ์นี้ไม่ได้ถูกจำกัดอยู่แค่การใช้งานนอกโลกเท่านั้น แต่ยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้บนโลก เพื่อส่งเสริมระบบเศรษฐกิจที่พึ่งพาพลังงานสีเขียวและแก้ปัญหาภาวะโลกร้อนได้อีกด้วย โดยการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมจะใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์ มาผลิตเป็นเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเชื้อเพลิงคาร์บอนซึ่งใช้ในอุตสาหกรรมและการคมนาคมขนส่งได้ แทนที่จะผลิตเป็นน้ำตาลกลูโคสตามปกติ