เครื่องปฏิกรณ์ขนาด 100 ตารางเมตร (1,076 ตารางฟุต) ไม่ใช้อะไรเลยนอกจากแสงแดดและตัวเร่งปฏิกิริยาโฟโตคะตาลิสต์เพื่อผลิตไฮโดรเจนปลอดคาร์บอนเป็นเวลาสามปี ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของแนวคิดนี้ วิธีการนี้ยังคงมีประสิทธิภาพน้อยกว่าวิธีทั่วไปอย่างมาก โดยที่แผงเซลล์แสงอาทิตย์เปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าก่อน แต่ในทางทฤษฎีแล้ว วิธีการโดยตรงอาจทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงได้อีก
ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสะอาดขั้นสุดยอด เมื่อถูกเผาหรือทำปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิง ไฮโดรเจนจะไม่ผลิตอะไรเลยนอกจากน้ำ ตัวอย่างเช่น เราใช้ไฮโดรเจนจำนวนมหาศาลเพื่อและ- อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่ทำโดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล (เรียกว่า "ไฮโดรเจนสีเทา") โดยปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา วิธีที่ดีกว่าเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานในปัจจุบัน ไม่ต้องพูดถึงแพร่หลาย (แม้ว่ามีการโต้แย้งกันอย่างมาก) ฝันว่าได้ใช้ไฮโดรเจนแบบไม่ก่อให้เกิดมลพิษ, เครื่องทำความร้อนหรือ-
ไม่มีมลพิษดังกล่าว โดยอาศัยพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมแทนเพื่อแยกโมเลกุลของน้ำออกเป็นองค์ประกอบต่างๆ แม้จะเล็กแต่นี่ก็เป็นเติบโตอย่างรวดเร็วแต่อาศัยการแปลงเป็นไฟฟ้าเป็นตัวกลางอย่างท่วมท้น ศาสตราจารย์ทาคาชิ ฮิซาโตมิ และศาสตราจารย์คาซูนาริ โดเมน แห่งมหาวิทยาลัยชินชูคิดว่าเราสามารถทำได้ดีกว่านี้โดยการข้ามขั้นตอนนั้นไป และได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ แม้ว่าจะยังไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงก็ตาม
“การแยกน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยแสงแดดโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงเป็นเทคโนโลยีในอุดมคติสำหรับการแปลงและกักเก็บพลังงานจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นเคมี และการพัฒนาล่าสุดในด้านวัสดุและระบบโฟโตคะตาไลติกทำให้เกิดความหวังในการทำให้เป็นจริง” Domen กล่าวในรายงานคำแถลง-
ตามชื่อที่แนะนำ ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงจะกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีเมื่อมีแสง แม้ว่าจะมีปฏิกิริยาหลายอย่างที่อาจเป็นประโยชน์ แต่การแตกตัวของน้ำให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนก็เป็นจุดที่ศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงโลกอยู่
ทีมงานที่นำโดยฮิซาโตมิและโดเมนสร้างระยะ 100 ม2เครื่องปฏิกรณ์ต้นแบบโดยใช้แผ่นโฟโตคะตาลิสต์ SrTiO3:อัล. โคคาตาลิสต์หลายตัวถูกใส่ลงในสารละลายบนแผ่นเหล่านี้ และน้ำก็ระเหยไป น้ำไหลผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาและก๊าซถูกดึงออกมาในท่อ
ไม่มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานใดที่มีประสิทธิภาพ 100 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นขั้นตอนพิเศษแต่ละขั้นตอนจึงลดเพดานลงเพื่อประสิทธิภาพโดยรวมสูงสุด เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลก30 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานจากแสงอาทิตย์เปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า และพลังงานที่ผลิตได้ในปริมาณมากมีเพียง 20 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น เมื่อนำไฟฟ้าไปใช้กับน้ำ ความไร้ประสิทธิภาพจะเกิดขึ้นอีกครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากมีราคาถูกถูกนำมาใช้แทนที่ทำจากโลหะมีค่า มีการทำงานอย่างกว้างขวางเพื่อปรับปรุงสิ่งนี้ แต่แม้ว่าแต่ละขั้นตอนจะมีประสิทธิภาพ 30 เปอร์เซ็นต์ การรวมกันหมายความว่าเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะจบลงด้วยพลังงานเพียง 9 เปอร์เซ็นต์ของดวงอาทิตย์
หากตัวเร่งปฏิกิริยาโฟโตคะตะลิสต์ที่เหมาะสมมีประสิทธิภาพ 10 เปอร์เซ็นต์ ก็หมายความว่าจะมีไฮโดรเจนเพิ่มมากขึ้นตามปริมาณแสงแดดที่เท่ากัน นั่นอาจทำให้ไฮโดรเจนสีเขียวสามารถแข่งขันกับผลิตภัณฑ์สีเทาในแง่ของราคาได้ในที่สุด
น่าเสียดายที่ปัจจุบันไม่สามารถทำได้ การศึกษาในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับการแปลงโดยตรงโดยใช้แสงแดดจำลองทำให้เกิดประสิทธิภาพที่ต่ำอย่างน่าสมเพช เป็นเรื่องปกติที่นวัตกรรมใดๆ จะต้องสูญเสียมากยิ่งขึ้นเมื่อนำเข้าสู่โลกแห่งความเป็นจริง แต่ในกรณีนี้ ผู้สร้างต้องพบกับความประหลาดใจที่น่ายินดี
“ในระบบของเรา การใช้โฟโตคะตาลิสต์ที่ตอบสนองต่อรังสีอัลตราไวโอเลต ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์จะสูงขึ้นประมาณหนึ่งเท่าครึ่งภายใต้แสงแดดธรรมชาติ” ฮิซาโตมิ กล่าว นั่นเป็นผลมาจากมาตรฐานสากลสำหรับการจำลองแสงอาทิตย์ตามเงื่อนไขที่ละติจูดสูงกว่าโตเกียว ตำแหน่งของเครื่องปฏิกรณ์ทดสอบ ความลำเอียงทางวิทยาศาสตร์ทางตอนเหนือในอดีตได้ทิ้งมรดกไว้แม้กระทั่งในการวิจัยเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์ เครื่องปฏิกรณ์ในเขตร้อนซึ่งแสงแดดมีส่วนประกอบของรังสีอัลตราไวโอเลตสูงกว่านั้นก็น่าจะทำได้ดีกว่า
อย่างไรก็ตาม งานยังไม่เข้าใกล้จุดที่ต้องการ “ปัจจุบันประสิทธิภาพภายใต้แสงแดดมาตรฐานจำลองจะดีที่สุด 1% และจะไม่มีประสิทธิภาพถึง 5% ภายใต้แสงแดดธรรมชาติ” ฮิซาโตมิกล่าว
ประสิทธิภาพที่ต่ำไม่เพียงแต่ทำให้ต้นทุนสูงขึ้นเท่านั้น เครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่มีประสิทธิภาพยังใช้พื้นที่ในปริมาณที่ไม่เหมาะสมอีกด้วย เนื่องจากพวกเขาต้องการแสงแดดที่ตกกระทบเครื่องปฏิกรณ์จำนวนมาก
เครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่จะปรับปรุงประสิทธิภาพได้บ้าง แต่ความก้าวหน้าที่แท้จริงขึ้นอยู่กับการค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น งานในพื้นที่นี้เริ่มต้นด้วยไททาเนียมไดออกไซด์ ซึ่งพบได้ทั่วไปแต่ไม่มีประสิทธิภาพ และตอนนี้มุ่งเน้นไปที่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น RhCrOx/ศรีโอ3:อัล.
ปัญหาอื่นๆ ที่ต้องจัดการนั้นใช้กับการแยกน้ำทุกรูปแบบ เช่น การป้องกันไม่ให้ไฮโดรเจนและออกซิเจนรวมตัวกันอีกครั้ง ซึ่งบางครั้งอาจระเบิดได้ ก่อนที่จะถูกจัดเก็บแยกกันอย่างปลอดภัย
ข้อกำหนดหลักสี่ประการของการแยกน้ำกับแสงแดดโดยตรงคือการนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์
เครดิตรูปภาพ: ข้อ จำกัด การใช้ Hisatomi et al/Frontiers
เพื่อให้บรรลุเป้าหมาย Hisatomi และ Domen โต้แย้งว่าเราจำเป็นต้องมีกระบวนการรับรองระดับโลกสำหรับการกล่าวอ้างประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ โดยมีกฎเกณฑ์ด้านความปลอดภัยและมาตรฐานประสิทธิภาพสม่ำเสมอ
ปัจจุบันมีความแตกต่างด้านต้นทุนอย่างมากระหว่างไฮโดรเจนที่ผลิตด้วยวิธีนี้กับเวอร์ชันที่ก่อให้เกิดมลพิษ อย่างไรก็ตาม โดมก็ไม่ท้อแท้ หากมีตัวเร่งปฏิกิริยาแสงที่ดีกว่าเกิดขึ้นเขากล่าวว่า “นักวิจัยจำนวนมากจะทำงานอย่างจริงจังในการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตจำนวนมากและกระบวนการแยกก๊าซ รวมถึงการก่อสร้างโรงงานขนาดใหญ่ สิ่งนี้จะเปลี่ยนวิธีที่ผู้คนจำนวนมาก รวมถึงผู้กำหนดนโยบาย คิดเกี่ยวกับการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ และเร่งการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐาน กฎหมาย และกฎระเบียบที่เกี่ยวข้องกับเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์”
บางคนหวังว่าการขุดเพิ่งพบว่าเป็นกว่าที่คิดไว้จะช่วยเราได้ แต่แทบจะไม่มีการศึกษาการปฏิบัติจริงของการเก็บเกี่ยวอย่างกว้างขวาง
การทบทวนสถานะการผลิตไฮโดรเจนโดยตรงโดยใช้แสงแดดได้รับการเผยแพร่ในวารสารนี้พรมแดนทางวิทยาศาสตร์- การสาธิตของทีมวิ่ง 100 ม2เครื่องปฏิกรณ์ได้รับการเผยแพร่แบบเปิดในวารสารธรรมชาติ-
