ดอกทานตะวันเทียมติดตามดวงอาทิตย์โดยไม่ใช้ไฟฟ้า

            ทีมนักวิจัยจากสหรัฐอเมริกาเลียนแบบกระบวนการติดตามดวงอาทิตย์ของดอกทานตะวันเพื่อสร้างดอกทานตะวันเทียมที่สามารถติดตามดวงอาทิตย์ได้โดยไม่ใช้พลังงานไฟฟ้า ดอกทานตะวันเทียมทำมาจากพอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อความร้อนผสมกับอนุภาคนาโนดูดกลืนแสง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าดอกทานตะวันเทียมสามารถติดตามดวงอาทิตย์ได้อย่างรวดเร็วและเป็นมุมกว้าง ดอกทานตะวันเทียมช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงแดดได้สูงสุดถึง 400% นอกจากนี้ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้สร้างระบบอัตโนมัติและหุ่นยนต์ที่ตอบสนองต่อแสง 


          ดอกไม้บางชนิดมีกลไกการติดตามดวงอาทิตย์เพื่อรักษาดอกของตัวเองให้อุ่นอยู่ตลอดเวลาในเวลากลางวัน ดอกไม้ที่อุ่นส่งกลิ่นเย้ายวนชวนเหล่าแมลงผสมเกสรให้แวะเวียนเข้ามาดอมดม คงเหมือนกลิ่นอาหารที่เพิ่งปรุงเสร็จใหม่ๆ เย้ายวนกระตุ้นต่อมน้ำลายของคนได้เสมอ นักชีววิทยาเรียกกระบานการนี้ของพืชว่า โฟโตทรอปิสซึม (phototropism) 


          ถ้าจะให้ยกตัวอย่างดอกไม้จำพวกนี้ ชื่อของดอกทานตะวันก็คงจะเป็นชื่อแรกที่เรานึกถึง (หรืออาจจะเป็นชื่อเดียวสำหรับใครบางคน) ดอกทานตะวันมีฮอร์โมนที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตของเซลล์ชื่ออ็อกซิน (auxin) อยู่บริเวณก้านดอก ปริมาณของฮอร์โมนอ็อกซินจะแปรเปลี่ยนตามปริมาณแสงที่สาดส่องลงบนก้านดอก โดยฝั่งของก้านดอกที่โดนแสงจะมีฮอร์โมนอ็อกซินน้อยกว่าอีกฝั่งของก้านดอกที่ถูกบังแสง จากนั้นเซลล์ในบริเวณที่ถูกบังแสงซึ่งมีฮอร์โมนอ็อกซินมากจะเกิดการยืดขยายตัวออก (elongation) ทำให้ส่วนของก้านดอกที่อยู่เหนือจุดนี้ขึ้นไปเกิดการงอตัวเข้าหาตำแหน่งของดวงอาทิตย์

          X. Qian และคณะ ^[1] ได้ทำการเลียนแบบการทำงานของก้านดอกทานตะวันโดยใช้แท่งพอลิเมอร์ที่สามารถหดตัวได้เมื่อได้รับความร้อนเช่น ไฮโดรเจล poly(N-isopropylacrylamide) และเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความร้อนอย่างรวดเร็วจะส่งผลต่อความว่องไวในการงอตัวของแท่งพอลิเมอร์ ทีมนักวิจัยยังได้เติมอนุภาคดูดกลืนแสง (photoabsorber) เช่น อนุภาคนาโนทองคำ (gold nanoparticles) หรือ reduced grapheme oxide (rGO) เข้าไปในพอลิเมอร์ด้วยเพื่อช่วยให้อุณหภูมิมีค่าเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว การดูดกลืนแสงของอนุภาคนาโนทองคำเกิดขึ้นจากการกระตุ้นกึ่งอนุภาค (quasi-particles) ที่เรียกว่า localized surface plasmons (LSPs) บนพื้นผิวของอนุภาคนาโนทองคำ ณ ตำแหน่งความยาวคลื่นการสั่นพ้องที่สามารถควบคุมได้ด้วยขนาดของอนุภาคนาโนทองคำ ^[2] ทีมนักวิจัยได้ตั้งชื่อดอกทานตะวันเทียม (artificial sunflower) นี้ด้วยชื่อที่เก๋ไก๋ว่า SunBOT ซึ่งย่อมาจาก sunflower-like biomimetric omnidirectional tracker             กระบวนการติดตามแสงของ SunBOT มี 4 ขั้นตอนดังต่อไปนี้
 

          (i)    ตรวจจับ (Detect): อนุภาคนาโนทองคำภายในฝั่งที่โดนแสงทำการตรวจจับแสงแล้วเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานความร้อน จากนั้นพลังงานความร้อนเกิดการถ่ายเทสู่พอลิเมอร์ ทำให้พอลิเมอร์บริเวณนี้มีอุณหภูมิสูงกว่า 70 องศาเซลเซียส ในขณะที่ฝั่งที่โดนบังแสงมีอุณหภูมิประมาณ 30 องศาเซลเซียส (อุณหภูมิเริ่มต้นก่อนฉายแสงเท่ากับ 20 องศาเซลเซียส)  
          (ii)    บิดงอ (Actuate): เกิดการหดตัวของพอลิเมอร์ในบริเวณที่มีความร้อนสูง ทำให้ส่วนที่อยู่เหนือตำแหน่งนี้ขึ้นไปเกิดการงอเข้าหาแสงอย่างรวดเร็ว 
          (iii)    พุ่งเป้า (Aim): ส่วนที่งอเข้าหาแสงวางตัวอยู่ในแนวเดียวกันกับเส้นรังสีแสง แท่งพอลิเมอร์เข้าสู่สภาวะสมดุลทางความร้อนและหยุดเคลื่อนไหว
          (iv)    คลายตัว (Recover): เมื่อไม่มีแสงแล้ว ส่วนที่เกิดการงอจะคลายตัวกลับสู่ตำแหน่งเริ่มต้น   


          นักวิจัยทดลองฉายแสงเลเซอร์ความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร กำลัง 0.3 วัตต์เข้าใส่ SunBOT เป็นมุมต่างๆ ในแนวตั้งจาก 20 องศาถึง 150 องศา โดย SunBOT มีลักษณะเป็นแท่งเล็กๆ คล้ายกับก้านดอกทานตะวันที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 1 มิลลิเมตร  


          ผลปรากฏว่า SunBOT สามารถงอตัวเข้าหาลำแสงเลเซอร์ได้จริงๆ เป็นมุมกว้าง และผลการทดลองนี้ยังสอดคล้องกับการจำลองอีกด้วย             การงอตัวของ SunBOT เป็นไปอย่างรวดเร็วดังแสดงในรูปของกรณีมุมระหว่าง SunBOT และแสงเลเซอร์เท่ากับ 38 องศา

            SunBOT สามารถติดตามแสงได้ในทุกๆ ทิศทางที่วิ่งเข้าหาตัวมัน ดังนั้น SunBOT จึงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจมากในการสร้างอุปกรณ์ติดตามแสงอาทิตย์โดยไม่ใช้พลังงานไฟฟ้า (passive solar tracking) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ แต่อนุภาคภายในพอลิเมอร์ไฮโดรเจลจะต้องถูกเปลี่ยนไปเป็นอนุภาคที่สามารถตรวจจับหรือดูดกลืนแสงอาทิตย์ได้ทุกๆ ความยาวคลื่น เช่น อนุภาค rGO เป็นต้น เพราะแสงอาทิตย์เป็นแสงขาวที่ประกอบไปด้วยแสงหลายความยาวคลื่น   


          ทีมนักวิจัยได้ทดลองสาธิตความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ของ SunBOT โดยศึกษาการผลิตไอน้ำของ SunBOT ทีมนักวิจัยเตรียมอาเรย์ของ SunBOT ขนาดจิ๋วซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 0.5 mm และห่างจากกัน 1 mm จากนั้นอาเรย์ของ SunBOT ถูกนำไปจุ่มน้ำโดยที่พื้นผิวส่วนบนของ SunBOT อยู่ในระดับเดียวกันกับพื้นผิวรอยต่อระหว่างน้ำและอากาศ

            จากการทดลองฉายแสงขาวซึ่งมีความเข้มแสงเท่ากับแสงอาทิตย์ตามธรรมดา (1 sun) ลงไปในน้ำพบว่า เมื่อมุมตกกระทบเพิ่มขึ้นแล้วอาเรย์ของ SunBOT จะสามารถรักษาประสิทธิภาพของการผลิตไอน้ำไว้ได้ใกล้เคียงกับประสิทธิภาพในการผลิตไอน้ำเมื่อมุมตกกระทบเท่ากับศูนย์ ในขณะที่ประสิทธิภาพของการผลิตไอน้ำเมื่อไม่มีอาเรย์ของ SunBOT จะลดลงอย่างมากเมื่อมุมตกกระทบมีค่าเพิ่มขึ้น และเมื่อวัดการผลิตไอน้ำในช่วงของมุมตกกระทบทั้งหมดจาก -82 องศาถึง +82 องศาแล้วพบว่าอาเรย์ของ SunBOT จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไอน้ำได้มากถึง 400% 


          ประสิทธิภาพในการเก็บเกี่ยวพลังงานยังขึ้นอยู่กับฤดูกาลและตำแหน่งที่ตั้งของเมือง เช่นในวัน equinox day หรือวันที่ดวงอาทิตย์ทำแนวตั้งฉากกับเส้นศูนย์สูตรพอดี เมืองที่อยู่ระหว่างละติจูด 60 องศาเหนือและ 60 องศาใต้ จะสามารถใช้ SunBOT เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ได้ 130-210% เมืองที่อยู่ในตำแหน่งไกลจากเส้นศูนย์สูตรจะได้ประโยชน์จากการใช้ SunBOT มากกว่าเมืองที่อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตร   
 

อ้างอิง

• [1] X. Qian, Y. Zhao, Y. Alsaid, X. Wang, M. Hua, T. Galy, H. Gopalakrishna, Y. Yang, J. Cui, N. Liu, M. Marszewski, L. Pilon, H. Jiang, and X. He, “Artificial phototropism for omnidirectional tracking and harvesting of light,” Nature Nanotechnology (14), 1048–1055 (2019). 
• [2] K. M. Mayer and J. H. Hafner, “Localized Surface Plasmon Resonance Sensors,” Chem. Rev. (111), 3828–3857 (2011).