เทคโนโลยี

นักวิจัยของ MIT ได้คิดค้นเทคโนโลยีที่เรียบง่ายและราคาไม่แพงซึ่งสามารถจำกัดความเปรอะเปื้อนนี้ได้อย่างมาก ซึ่งอาจทำให้มีวิธีที่มีประสิทธิภาพและประหยัดมากขึ้นในการแปลงก๊าซเรือนกระจกที่ไม่ต้องการให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ กุญแจสำคัญคือการเคลือบภาชนะโปร่งใสด้วยวัสดุที่สามารถเก็บประจุไฟฟ้าสถิตได้ จากนั้นใช้แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กมากกับชั้นนั้น ระบบทำงานได้ดีในการทดสอบระดับห้องปฏิบัติการ และการพัฒนาเพิ่มเติมอาจนำไปใช้กับการผลิตเชิงพาณิชย์ภายในไม่กี่ปี การค้นพบนี้ได้รับการรายงานในวารสารAdvanced Functional Materialsในบทความโดยบัณฑิต MIT เมื่อเร็ว ๆ นี้ Victor Leon PhD '23, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล Kripa Varanasi, อดีต postdoc Baptiste Blanc และนักศึกษาระดับปริญญาตรี Sophia Sonnert ไม่ว่าความพยายามจะประสบความสำเร็จเพียงใดในการลดหรือกำจัดการปล่อยคาร์บอน ก็ยังมีก๊าซเรือนกระจกส่วนเกินที่จะคงอยู่ในชั้นบรรยากาศเป็นเวลาหลายศตวรรษข้างหน้า ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศโลกต่อไป พาราณสีชี้ให้เห็น "มีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อยู่มากอยู่แล้ว ดังนั้นเราต้องพิจารณา เทคโนโลยี การปล่อยก๊าซเชิงลบด้วย" เขากล่าว โดยอ้างถึงวิธีการกำจัดก๊าซเรือนกระจกออกจากอากาศหรือมหาสมุทร หรือจากแหล่งกำเนิดก่อนที่จะปล่อยสู่โลก อากาศในสถานที่แรก เมื่อผู้คนนึกถึงแนวทางทางชีวภาพในการลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ความคิดแรกมักจะนึกถึงการปลูกหรือปกป้องต้นไม้ ซึ่งเป็น "แหล่งกักเก็บ" ที่สำคัญสำหรับคาร์บอนในชั้นบรรยากาศ แต่มีคนอื่น "สาหร่ายทะเลคิดเป็นประมาณร้อยละ 50 ของคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วโลกที่ดูดซับบนโลกทุกวันนี้" พาราณสีกล่าว สาหร่ายเหล่านี้เติบโตได้เร็วกว่าพืชบนบกถึง 10 ถึง 50 เท่า และสามารถปลูกได้ในบ่อหรือแท็งก์ซึ่งกินพื้นที่เพียงหนึ่งในสิบของรอยเท้าของพืชบนบก ยิ่งไปกว่านั้น สาหร่ายยังสามารถเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ได้อีกด้วย "สาหร่ายเหล่านี้อุดมไปด้วยโปรตีน วิตามิน และสารอาหารอื่นๆ" พาราณสีกล่าว โดยสังเกตว่าสาหร่ายเหล่านี้สามารถสร้างผลผลิตทางโภชนาการต่อหน่วยพื้นที่ที่ใช้ได้มากกว่าพืชผลทางการเกษตรแบบดั้งเดิมบางชนิด หากติดอยู่กับก๊าซไอเสียของโรงไฟฟ้าถ่านหินหรือโรงไฟฟ้าก๊าซ สาหร่ายไม่เพียงแต่เจริญเติบโตได้โดยใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแหล่งสารอาหารเท่านั้น แต่สาหร่ายขนาดเล็กบางสายพันธุ์ยังสามารถกินไนโตรเจนและซัลเฟอร์ออกไซด์ที่เกี่ยวข้องซึ่งอยู่ในก๊าซที่ปล่อยออกมาเหล่านี้ด้วย "ทุกๆ สองหรือสามกิโลกรัมของ CO 2จะสามารถผลิตสาหร่ายได้หนึ่งกิโลกรัม และสิ่งเหล่านี้สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ หรือสำหรับโอเมก้า 3 หรืออาหาร" พาราณสีกล่าว กรดไขมันโอเมก้า 3 เป็นผลิตภัณฑ์เสริมอาหารที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากเป็นส่วนสำคัญของเยื่อหุ้มเซลล์และเนื้อเยื่ออื่นๆ แต่ร่างกายไม่สามารถสร้างได้และต้องได้รับจากอาหาร "โอเมก้า 3 มีความน่าสนใจเป็นพิเศษเพราะเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงกว่ามาก" พาราณสีกล่าว สาหร่ายส่วนใหญ่ที่ปลูกในเชิงพาณิชย์จะเพาะเลี้ยงในบ่อน้ำตื้น ในขณะที่สาหร่ายชนิดอื่นๆ ท่อสามารถให้ผลผลิตมากกว่าบ่อถึงเจ็ดถึง 10 เท่าสำหรับปริมาณที่ดินที่กำหนด แต่พวกเขาประสบปัญหาใหญ่: ตะไคร่มักจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวที่โปร่งใส ทำให้ต้องมีการปิดระบบการผลิตทั้งหมดบ่อยครั้งเพื่อทำความสะอาด ซึ่งสามารถ ใช้เวลานานเท่ากับส่วนที่มีประสิทธิผลของวงจร จึงลดผลผลิตโดยรวมลงครึ่งหนึ่งและเพิ่มต้นทุนการดำเนินงาน คราบสกปรกยังจำกัดการออกแบบระบบอีกด้วย ท่อต้องไม่เล็กเกินไป เนื่องจากการปนเปื้อนจะเริ่มปิดกั้นการไหลของน้ำผ่านเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพและต้องใช้อัตราการสูบน้ำที่สูงขึ้น พาราณสีและทีมของเขาตัดสินใจที่จะลองใช้ลักษณะตามธรรมชาติของเซลล์สาหร่ายเพื่อป้องกันความเปรอะเปื้อน เนื่องจากเซลล์มีประจุไฟฟ้าลบเล็กน้อยตามธรรมชาติบนผิวเมมเบรน ทีมงานจึงคิดว่าสามารถใช้แรงผลักไฟฟ้าสถิตเพื่อผลักพวกมันออกไปได้ แนวคิดคือการสร้างประจุลบบนผนังหลอดเลือด เพื่อให้สนามไฟฟ้าบังคับให้เซลล์สาหร่ายอยู่ห่างจากผนัง ในการสร้างสนามไฟฟ้าดังกล่าวจำเป็นต้องใช้วัสดุไดอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้าที่มี "การอนุญาต" สูง ซึ่งสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงของประจุที่พื้นผิวได้มากด้วยแรงดันไฟฟ้าที่น้อยลง "สิ่งที่ผู้คนเคยทำมาก่อนในการใช้แรงดันไฟฟ้า [กับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ] คือพื้นผิวที่นำไฟฟ้าได้" Leon อธิบาย "แต่สิ่งที่เรากำลังทำอยู่นี้โดยเฉพาะกับพื้นผิวที่ไม่นำไฟฟ้า" เขากล่าวเสริมว่า: "ถ้ามันนำไฟฟ้าได้ แสดงว่าคุณผ่านกระแสและคุณค่อนข้างทำให้เซลล์ตกใจ สิ่งที่เรากำลังพยายามทำคือการผลักกันไฟฟ้าสถิตล้วนๆ ดังนั้นพื้นผิวจะเป็นลบและเซลล์เป็นลบ ดังนั้นคุณจึงได้รับแรงผลัก อีกวิธีหนึ่งที่จะอธิบายได้ก็เหมือนกับสนามพลัง ในขณะที่ก่อนที่เซลล์จะสัมผัสกับพื้นผิวและตกใจ" ทีมงานทำงานร่วมกับวัสดุไดอิเล็กตริก 2 ชนิด ได้แก่ ซิลิกอนไดออกไซด์ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นแก้ว และฮาฟเนีย (แฮฟเนียมออกไซด์) ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีประสิทธิภาพในการลดการเปรอะเปื้อนน้อยกว่าพลาสติกทั่วไปที่ใช้ทำเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ วัสดุนี้สามารถนำไปใช้ในการเคลือบผิวที่บางจนแทบไม่เห็น หนาเพียง 10 ถึง 20 นาโนเมตร (หนึ่งในพันล้านเมตร) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้น้อยมากในการเคลือบระบบปฏิกรณ์ชีวภาพเต็มรูปแบบ "สิ่งที่เราตื่นเต้นเกี่ยวกับที่นี่คือเราสามารถแสดงให้เห็นว่าจากปฏิสัมพันธ์ของไฟฟ้าสถิตล้วนๆ เราสามารถควบคุมการยึดเกาะของเซลล์ได้" พาราณสีกล่าว "เกือบจะเหมือนกับสวิตช์เปิด-ปิดที่จะทำสิ่งนี้ได้" นอกจากนี้ Leon ยังกล่าวอีกว่า "เนื่องจากเรากำลังใช้แรงไฟฟ้าสถิตนี้ เราจึงไม่ได้คาดหวังว่ามันจะเป็นเฉพาะเซลล์ และเราคิดว่ามีความเป็นไปได้ที่จะใช้มันกับเซลล์อื่นๆ ที่ไม่ใช่เพียงแค่สาหร่าย ในการทำงานในอนาคต เราจะ ชอบลองใช้มันกับเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แบคทีเรีย ยีสต์ และอื่นๆ" นอกจากนี้ยังสามารถใช้กับสาหร่ายที่มีคุณค่าชนิดอื่นๆ เช่น สาหร่ายสไปรูลิน่า ซึ่งใช้เป็นอาหารเสริมกันอย่างแพร่หลาย ระบบเดียวกันนี้สามารถใช้ขับไล่หรือดึงดูดเซลล์ได้โดยการย้อนกลับของแรงดันไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ แทนที่จะใช้สาหร่าย การตั้งค่าที่คล้ายกันอาจใช้กับเซลล์ของมนุษย์เพื่อผลิตอวัยวะเทียมโดยการสร้างนั่งร้านที่สามารถชาร์จได้เพื่อดึงดูดเซลล์เข้าสู่รูปแบบที่เหมาะสม พาราณสีแนะนำ "การศึกษาของเราโดยพื้นฐานแล้วสามารถแก้ปัญหาสำคัญของการเกิดคราบสกปรกทางชีวภาพ ซึ่งเป็นปัญหาคอขวดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพด้วยแสง" เขากล่าว "ด้วยเทคโนโลยีนี้ ตอนนี้เราสามารถบรรลุศักยภาพสูงสุด" ของระบบดังกล่าวได้จริงๆ แม้ว่าจะต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อขยายไปสู่ระบบที่ใช้งานได้จริงในเชิงพาณิชย์ สำหรับสิ่งนี้จะพร้อมสำหรับการนำไปใช้ในวงกว้างได้เร็วเพียงใด เขากล่าวว่า "ผมไม่เข้าใจว่าทำไมจึงไม่เกิดขึ้นในกรอบเวลาสามปี หากเราได้รับทรัพยากรที่เหมาะสมเพื่อให้งานนี้ก้าวหน้าไปได้"