ปูนซีเมนต์ที่เปลี่ยนบ้านทั้งหลังให้กลายเป็นแบตเตอรี

คอนกรีตนั้นอาจจะเป็นวัสดุก่อสร้างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในโลก และหากนำมาดัดแปลงเสียหน่อย ก็สามารถจะกลายเป็นแหล่งพลังงานให้กับบ้านของเราได้ด้วย

บนโต๊ะตัวยาวในห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่งที่เมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซตส์ของสหรัฐฯ มีกองคอนกรีตทรงกระบอกสีดำเงาวับตั้งเรียงซ้อนกัน โดยแช่อยู่ในของเหลวและมีสายไฟพันอยู่โดยรอบ ซึ่งในสายตาของคนทั่วไปแล้ว นี่ไม่น่าจะเป็นสิ่งแปลกประหลาดมหัศจรรย์อันใดได้

แต่เมื่อเดเมียน สเตฟานิอุก กดสวิตช์ไฟฟ้า ก้อนหินแข็งที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้นนี้ก็เชื่อมต่อเข้ากับหลอดไฟแอลอีดี (LED) ที่เตรียมไว้หลอดหนึ่งทันที ทำให้มันส่องสว่างเหมือนมีชีวิตขึ้นมาในฉับพลัน

“ในตอนแรกผมไม่อยากจะเชื่อเลย” สเตฟานิอุกเล่าถึงปรากฏการณ์ดังกล่าวที่เกิดขึ้นโดยไม่คาดฝัน “ผมคิดว่ามันเป็นความผิดพลาด โดยผมอาจไม่ได้ตัดการเชื่อมต่อหลอดไฟกับแหล่งพลังงานภายนอก จนทำให้มันสว่างขึ้นมาได้”

“แต่วันที่เกิดเรื่องนี้ขึ้น ก็ถือว่าเป็นวันที่แสนวิเศษของผมเลยทีเดียว ผมเชิญบรรดานักศึกษาและอาจารย์มาดูให้เห็นกับตา เพราะตอนแรกพวกเขาก็ไม่เชื่อว่ามันเป็นไปได้เช่นกัน”

สาเหตุที่ทำให้พวกเขาตื่นเต้นกันขนานใหญ่ ก็เพราะก้อนคอนกรีตสีดำที่ไม่เป็นอันตรายต่อใครนี้ อาจใช้เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานแห่งอนาคตได้

การที่คนยุคปัจจุบันหันมาให้ความสนใจกับแหล่งพลังงานธรรมชาติที่ผลิตขึ้นใหม่ได้เรื่อย ๆ นั้น เนื่องจากหวังว่าจะได้ใช้พลังงานสะอาดอย่างไม่มีวันสิ้นสุด ไม่ว่าจะเป็นพลังงานที่มาจากแสงอาทิตย์ สายลม หรือท้องทะเลก็ตาม แต่ยังมีปัญหาอยู่ตรงที่ว่า ดวงอาทิตย์ไม่ได้ฉายแสงสว่างจ้าตลอดเวลา ลมไม่ได้พัดแรงอยู่เสมอ รวมทั้งสายน้ำหรือคลื่นในท้องทะเลก็เช่นกัน

การที่ธรรมชาติให้พลังงานแก่เราได้เพียงบางช่วงเวลา ทำให้ไม่สามารถผลิตพลังงานในจำนวนเมกะวัตต์ได้เพียงพอต่อความต้องการของมนุษย์ ซึ่งถือเป็นปัญหาใหญ่ในยุคที่ทั้งโลกหิวกระหายพลังงานมากขึ้นกว่าเดิมหลายเท่า

นั่นหมายความว่า เราจำเป็นต้องกักเก็บพลังงานดังกล่าวเอาไว้ในรูปของแบตเตอรี แต่การผลิตแบตเตอรีนั้นต้องอาศัยวัสดุพิเศษอย่างเช่นลิเทียม ซึ่งตอนนี้ก็มีอยู่น้อยและไม่เพียงพอต่อความต้องการของภาคอุตสาหกรรม ซึ่งกำลังมุ่งดำเนินตามนโยบายสิ่งแวดล้อมโลก ที่จะตัดลดการปล่อยคาร์บอนจากกระบวนการผลิตพลังงานและระบบคมนาคมขนส่ง

ทั่วโลกมีเหมืองขุดเจาะลิเทียมอยู่ทั้งหมด 101 แห่ง ทำให้บรรดานักวิเคราะห์ปัญหาเศรษฐกิจคาดการณ์ในทางลบว่า เหมืองเหล่านี้ไม่น่าจะมีความสามารถ ในการผลิตลิเทียมให้เพียงพอต่อความต้องการของตลาดโลกที่เพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ ได้ นอกจากนี้ นักวิเคราะห์ด้านสิ่งแวดล้อมยังมองด้วยว่า การทำเหมืองลิเทียมนั้นใช้พลังงานและทรัพยากรน้ำอย่างมหาศาล ซึ่งส่งผลให้ประโยชน์ที่ควรจะได้รับจากการเปลี่ยนมาใช้แหล่งพลังงานธรรมชาติในตอนแรก มีอันต้องลดลงหรือสูญเปล่าไปอย่างน่าเสียดาย ส่วนกระบวนการสกัดลิเทียมนั้น ยังอาจทำให้สารเคมีที่เป็นพิษรั่วไหลลงสู่แหล่งน้ำในท้องถิ่นได้ด้วย

แม้จะมีการค้นพบแหล่งแร่ลิเทียมใหม่ ๆ เพิ่มขึ้นบ้างเล็กน้อย แต่การที่มันมีปริมาณจำกัด และต้องพึ่งพาอาศัยเหมืองแร่ที่มีอยู่ไม่กี่แห่งทั่วโลกเท่านั้น ซ้ำยังมีผลกระทบทางลบต่อสิ่งแวดล้อมมากมาย ทำให้เกิดแรงผลักดันในการค้นหาวัสดุทางเลือกใหม่ ๆ มาใช้ทดแทนลิเทียมในการผลิตแบตเตอรี

ในสถานการณ์เช่นนี้ สเตฟานิอุกกับคอนกรีตของเขามีศักยภาพที่จะเป็นทางออกหนึ่งของปัญหานี้ได้ โดยเขากับเพื่อนนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแมสซาชูเซตส์หรือเอ็มไอที (MIT) ได้ค้นพบวิธีสร้างอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่เรียกว่า “ตัวเก็บประจุยิ่งยวด” (supercapacitor) โดยใช้เพียงวัสดุธรรมดาที่มีราคาถูก 3 อย่าง ได้แก่น้ำ, ปูนซีเมนต์, และวัสดุที่เรียกว่าผงเขม่าดำหรือ “คาร์บอนแบล็ก” (carbon black)

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดนั้นมีประสิทธิภาพสูง แต่มีความแตกต่างสำคัญที่ไม่เหมือนกับแบตเตอรีธรรมดาในบางประการ เช่นสามารถจะชาร์จกักเก็บพลังงานได้รวดเร็วยิ่งกว่าแบตเตอรีลิเทียมไอออนมาก ทั้งยังเสื่อมประสิทธิภาพลงในอัตราที่ช้ากว่าแบตเตอรีชนิดดังกล่าว แต่ตัวเก็บประจุยิ่งยวดกลับปลดปล่อยพลังงานที่เก็บเอาไว้ออกมาอย่างรวดเร็วเกินไป ทำให้ไม่เหมาะจะใช้งานร่วมกับอุปกรณ์ที่ต้องการพลังงานอย่างต่อเนื่องและสม่ำเสมอเป็นเวลานาน เช่นโทรศัพท์มือถือ, คอมพิวเตอร์แล็ปท็อป, และรถยนต์ไฟฟ้า

แต่ถึงกระนั้นก็ตาม สเตฟานิอุกบอกว่าตัวเก็บประจุยิ่งยวดจากปูนซีเมนต์คาร์บอน สามารถจะเข้ามามีบทบาทในการทำประโยชน์ใหญ่หลวงแก่ระบบเศรษฐกิจโลก ซึ่งกำลังพยายามลดการปล่อยคาร์บอนอยู่อย่างแข็งขัน “หากเราสามารถพัฒนาประสิทธิภาพของมันให้อยู่ในระดับสูงขึ้นได้ เทคโนโลยีนี้จะช่วยแก้ปัญหาสำคัญ ซึ่งก็คือการกักเก็บพลังงานจากธรรมชาติได้”

สเตฟานิอุกและคณะนักวิจัยจากเอ็มไอที รวมทั้งสถาบันวีสเพื่อวิศวกรรมจากแรงบันดาลใจทางชีววิทยา (WIBIE) แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ได้ร่วมกันคิดค้นวิธีใช้งานตัวเก็บประจุยิ่งยวดจากปูนซีเมนต์คาร์บอนไว้หลายแบบ โดยหนึ่งในนั้นคือการนำมันไปสร้างถนนที่กักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ได้ ทั้งยังสามารถปลดปล่อยพลังงานนั้นออกมา เพื่อชาร์จไฟแบบไร้สายให้กับรถยนต์ไฟฟ้าที่กำลังแล่นไปบนถนนสายดังกล่าวได้อีกด้วย โดยการปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างรวดเร็วของวัสดุนี้ จะช่วยชาร์จแบตเตอรีให้รถมีพลังงานเพิ่มขึ้นได้ในพริบตา

ส่วนวิธีใช้งานที่น่าสนใจอีกแบบหนึ่ง ได้แก่การนำปูนซีเมนต์คาร์บอนไปก่อสร้างเป็นรากฐานและโครงสร้างของอาคารบ้านเรือน ซึ่งจะทำให้ที่อยู่อาศัยดังกล่าวสามารถกักเก็บพลังงานได้ “การที่เรามีทั้งผนัง เสา หรือรากฐานของบ้าน ซึ่งทำจากปูนซีเมนต์คาร์บอน ไม่เพียงแต่จะทำให้ตัวอาคารมีโครงสร้างที่แข็งแรงเท่านั้น แต่ยังกักเก็บพลังงานไว้ใช้ได้อีกด้วย” สเตฟานิอุกกล่าว

อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันเทคโนโลยีดังกล่าวยังอยู่ในการพัฒนาขั้นต้น จึงยังมีความจุในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าไม่มากนัก โดยอยู่ที่ประมาณ 300 วัตต์-ชั่วโมง ต่อปริมาตรหนึ่งลูกบาศก์เมตร ซึ่งเพียงพอจะทำให้หลอดไฟแอลอีดี 10 วัตต์ สว่างอยู่ได้นานราว 30 ชั่วโมง

“ความจุในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าของมัน อาจดูน้อยไปหน่อยเมื่อเทียบกับแบตเตอรีแบบดั้งเดิม แต่รากฐานของบ้านที่สร้างด้วยคอนกรีต 30-40 ลูกบาศก์เมตร ก็เพียงพอจะกักเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้สำหรับใช้งานในบ้านของคนทั่วไปได้หนึ่งวันเต็ม” สเตฟานิอุกกล่าว “เมื่อคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่า คอนกรีตเป็นวัสดุที่นิยมใช้กันแพร่หลายทั่วโลก มันจึงมีศักยภาพในการแข่งขันสูง และจะเป็นประโยชน์ต่อการกักเก็บพลังงานอย่างแน่นอน”

ก่อนหน้านี้สเตฟานิอุกและทีมวิจัยของเอ็มไอที สามารถพิสูจน์ว่าแนวคิดตัวเก็บประจุยิ่งยวดจากปูนซีเมนต์คาร์บอนนั้นทำงานได้จริง ด้วยการทดลองสร้างตัวกักเก็บประจุยิ่งยวดเล็ก ๆ ขนาดเท่าเหรียญ 1 เซนต์ ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้า 1 โวลต์ แล้วนำมาเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม จนสามารถทำให้หลอดไฟแอลอีดี 3 โวลต์ สว่างขึ้นได้ ต่อมาพวกเขาสามารถพัฒนาให้มันมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น โดยปัจจุบันได้ประสบความสำเร็จในการผลิตตัวกักเก็บประจุยิ่งยวด 12 โวลต์ และใช้มันให้พลังงานกับเครื่องเล่นเกมแบบพกพาได้

ขณะนี้ทีมผู้วิจัยมีแผนจะพัฒนาตัวกักเก็บประจุยิ่งยวดจากปูนซีเมนต์คาร์บอนให้มีขนาดใหญ่ขึ้นไปอีก รวมถึงแบบที่มีปริมาตรใหญ่ยักษ์ 45 ลูกบาศก์เมตร และมีความจุพลังงานไฟฟ้าถึง 10 กิโลวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งสามารถให้พลังงานแก่บ้านทั้งหลังได้เป็นเวลาหนึ่งวัน

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดชนิดใหม่นี้ ทำงานได้ด้วยคุณสมบัติที่ไม่ธรรมดาของผงเขม่าดำหรือคาร์บอนแบล็ก ซึ่งมีความสามารถในการนำไฟฟ้าอย่างสูง นั่นหมายความว่าเมื่อผสมมันเข้ากับน้ำและผงปูนซีเมนต์ จะทำให้เกิดวัสดุที่เนื้อในเต็มไปด้วยเครือข่ายการนำไฟฟ้า ซึ่งเครือข่ายนี้มีโครงสร้างเหมือนกับการแตกแขนงของรากฝอยในต้นไม้

ตัวเก็บประจุยิ่งยวด 1 ก้อน ประกอบไปด้วยแผ่นนำไฟฟ้า 2 แผ่นประกบกัน โดยมีเยื่อบางที่เป็นฉนวนคั่นอยู่ตรงกลาง ในกรณีนี้แผ่นนำไฟฟ้าทำมาจากปูนซีเมนต์คาร์บอน จะแช่อยู่ในโพแทสเซียมคลอไรด์ซึ่งเป็นสารละลายเกลืออิเล็กโทรไลต์

เมื่อปล่อยกระแสไฟเข้าสู่แผ่นนำไฟฟ้าดังกล่าว แผ่นที่เป็นขั้วบวกจะสะสมเอาไอออนประจุลบจากสารละลายโพแทสเซียมคลอไรด์เอาไว้ แต่เยื่อบางที่เป็นฉนวนกั้นกลางจะป้องกันไม่ให้เกิดการแลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้าระหว่างแผ่นนำไฟฟ้าทั้งสอง ซึ่งส่งผลให้เกิดการแยกตัวของประจุไฟฟ้าเป็นสองขั้วและเกิดสนามไฟฟ้าขึ้น

เนื่องจากตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถดูดซับเอาประจุปริมาณมากเข้ามาสะสมไว้ในตัวได้อย่างรวดเร็ว ทำให้มีประโยชน์ต่อการกักเก็บพลังงานส่วนเกินจากธรรมชาติ ที่ส่วนใหญ่ผลิตได้เป็นช่วง ๆ ในอัตราที่ไม่แน่นอนหรือสม่ำเสมอ อย่างเช่นพลังงานจากลมและแสงอาทิตย์ ซึ่งตัวเก็บประจุยิ่งยวดจะช่วยลดภาระของการหันไปพึ่งพาระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้าตามปกติ ในยามที่ลมเกิดไม่พัดหรือแสงแดดไม่เจิดจ้าเพียงพอ

“ตัวอย่างง่าย ๆ ของกรณีที่ว่านี้ คือการสร้างบ้านที่ไม่ต้องเชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟฟ้าของเมือง และใช้เซลล์สุริยะผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ใช้เองทั้งหมด บ้านหลังนี้สามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้าได้โดยตรงในตอนกลางวัน และใช้โครงสร้างรวมถึงรากฐานของบ้าน กักเก็บพลังงานส่วนที่เหลือไว้ใช้ตอนกลางคืน” สเตฟานิอุกกล่าว

แต่ถึงกระนั้นก็ตาม ตัวเก็บประจุยิ่งยวดก็ไม่ได้เป็นอุปกรณ์ที่สมบูรณ์แบบเสมอไป เพราะเท่าที่ได้คิดค้นพัฒนากันออกมาหลายรุ่น ทั้งหมดยังคงปลดปล่อยพลังงานออกมาอย่างรวดเร็วเกินไป ทำให้ไม่เหมาะกับการจ่ายไฟฟ้าในอัตราที่สม่ำเสมอเป็นเวลานาน อย่างเช่นการใช้ไฟตามบ้านเรือนที่ต้องใช้ตลอดทั้งวัน ซึ่งเรื่องนี้สเตฟานิอุกบอกว่า ทีมวิจัยของเขากำลังแก้ปัญหา ด้วยการทดลองปรับสูตรส่วนผสมของปูนซีเมนต์คาร์บอนใหม่ แต่เขายังไม่อาจเปิดเผยรายละเอียดในส่วนนี้ จนกว่าจะได้ทำการทดสอบเพิ่มเติม และตีพิมพ์รายงานวิจัยลงในวารสารวิชาการเสียก่อน

ความท้าทายอื่น ๆ ในการพัฒนาตัวเก็บประจุยิ่งยวดจากปูนซีเมนต์คาร์บอน ยังได้แก่อัตราส่วนที่เหมาะสมของผงเขม่าดำที่ต้องเติมลงไปในปูนซีเมนต์ด้วย เนื่องจากการผสมคาร์บอนแบล็กในสัดส่วนที่มากเกินไป แม้จะช่วยให้ความสามารถในการนำไฟฟ้าสูงขึ้น แต่ความแข็งแกร่งของคอนกรีตที่ได้ก็จะลดลงเป็นเงาตามตัว ดังนั้นการก่อสร้างอาคารที่หวังประโยชน์ทั้งในด้านความแข็งแกร่งของโครงสร้างและการกักเก็บพลังงานไปพร้อมกัน จึงต้องมองหาสูตรผสมปูนซีเมนต์คาร์บอนที่ดีที่สุดให้ได้เสียก่อน

แม้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดชนิดนี้จะช่วยลดการพึ่งพาลิเทียม แต่ตัวมันเองก็ใช่ว่าจะปราศจากผลกระทบทางลบต่อสิ่งแวดล้อม เพราะอย่างไรเสีย การผลิตปูนซีเมนต์ก็มีส่วนรับผิดชอบต่อการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สู่ชั้นบรรยากาศราว 5-8% ของกิจกรรมที่มาจากมนุษย์ทั่วโลก ยิ่งไปกว่านั้น ปูนซีเมนต์คาร์บอนดังกล่าวจะต้องใช้งานโดยผสมขึ้นสด ๆ และไม่สามารถหล่อเป็นก้อนสำเร็จรูปเพื่อติดตั้งเพิ่มเติมเข้าไปในโครงสร้างที่มีอยู่แล้วได้

ศาสตราจารย์ไมเคิล ชอร์ต หัวหน้าศูนย์เพื่อวิศวกรรมศาสตร์ที่ยั่งยืน แห่งมหาวิทยาลัยทีส์ไซด์ของสหราชอาณาจักรแสดงความเห็นว่า แม้นวัตกรรมดังกล่าวจะมีข้อเสียอยู่บ้าง แต่ก็ยังคงมีโอกาสสูงที่จะประสบความสำเร็จในอนาคต

“งานวิจัยนี้เปิดประตูสู่เส้นทางแห่งความเป็นไปได้ที่หลากหลาย ในการใช้สิ่งก่อสร้างเป็นตัวกลางในการกักเก็บพลังงาน และเนื่องจากวัสดุเหล่านี้ใช้กันทั่วไป รวมทั้งวิธีผลิตก็ค่อนข้างง่ายไม่ซับซ้อน สิ่งเหล่านี้บ่งบอกว่า เราควรจะศึกษาและพัฒนาวิธีการดังกล่าวต่อไป มันอาจจะมีศักยภาพในการเป็นเครื่องมือชิ้นหนึ่ง ที่มีประโยชน์อย่างสูงต่อการเปลี่ยนผ่านไปสู่โลกอนาคตที่สะอาดและมีความยั่งยืนมากขึ้น”

ศ.ชอร์ตยังเน้นย้ำว่า ควรจะต้องมีการศึกษาวิจัยเพิ่มเติมกันต่อไป เพื่อให้สามารถนำแนวคิดจากห้องปฏิบัติการไปใช้งานได้ในโลกของความเป็นจริง

“บ่อยครั้งที่การค้นพบใหม่ ๆ มีปัญหา เมื่อตัดสินใจจะนำการค้นพบจากห้องทดลองไปใช้งานจริง ในระดับที่ใหญ่ขึ้น กว้างขวางขึ้น หรือมีความจุมากขึ้น สิ่งนี้อาจเนื่องมาจากความซับซ้อนในการผลิต การขาดแคลนทรัพยากร หรือบางครั้งมาจากหลักการทางฟิสิกส์หรือเคมีที่แฝงอยู่ คุณสมบัติพึงประสงค์ที่เกิดขึ้นเมื่อยังมีขนาดเล็ก อาจลดลงหรือหายไปเมื่อพยายามทำให้มันใหญ่ขึ้น”

ทว่าหนทางก้าวข้ามอุปสรรค ในเรื่องของปูนซีเมนต์คาร์บอนที่ยังไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมนัก น่าจะมีทางออกได้ตามความเห็นของศ. ชอร์ต เนื่องจากตอนนี้ทีมวิจัยของเขาที่มหาวิทยาลัยทีส์ไซด์ กำลังพัฒนาปูนซีเมนต์ที่ปล่อยคาร์บอนในปริมาณต่ำอยู่ โดยใช้วัสดุที่เป็นผลพลอยได้จากอุตสาหกรรมเหล็กกล้าและเคมีมาผลิตปูนซีเมนต์ชนิดดังกล่าว

โครงการวิจัยในลักษณะนี้ ไม่ว่าจะเป็นปูนซีเมนต์ที่ลดการปล่อยคาร์บอน หรือคอนกรีตที่ช่วยกักเก็บพลังงาน ล้วนมีส่วนช่วยสร้างอนาคตที่บ้านเรือน อาคารสำนักงาน และถนนหนทางของเรา เข้ามาเป็นส่วนสำคัญในการสร้างโลกที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานสะอาด