|
สารคดีวิทยาศาสตร์
#204
ผลิตไฟฟ้าจากจุลินทรีย์
เดอะ เมทริกซ์ในโลกจริง
|
จินตนาการจากภาพยนตร์ เดอะ เมทริกซ์
อาจเป็นจริงได้ในวันข้างหน้า เมื่อถึงวันที่มนุษย์ถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า
แต่ความเป็นจริงที่ใกล้เคียงกับภาพยนตร์แล้วในวันนี้คือ
มนุษย์ใช้จุลินทรีย์มาเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า...
|
ถึงแม้ว่า บางท่านอาจไม่ได้ชมภาพยนตร์ไซไฟ
เดอะ เมทริกซ์ แต่ก็ อาจจะรู้เรื่องคร่าวๆ เกี่ยวกับภาพยนตร์เรื่องนี้อยู่บ้างว่า
เป็นเรื่องราวของโลกในอนาคต มีเครื่องจักรอัจฉริยะเป็นผู้ครอบครองโลก
มันเรียนรู้ที่จะควบคุมทุกสิ่งทุกอย่าง และใช้มนุษย์เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้า
เครื่องจักรนี้ เพาะ เลี้ยง มนุษย์ ไว้ในฟาร์มอุตสาหกรรมขนาดมหึมา
และดูดกระแสไฟฟ้า ซึ่งร่างกายมนุษย์ผลิตได้ในปริมาณไม่มากไปใช้ มนุษย์ทุกคนในเมทริกซ์ล้วนเป็นแบตเตอรี่สำหรับเครื่องจักรทั้งหมด
โชคดีที่โลกของเรายังไม่เจริญ
ก้าวหน้าไปถึงขนาดนั้น แต่ก็เริ่มมีบางสิ่งบางอย่างที่เป็นเรื่องจริงเหมือนกับเหตุการณ์ในเดอะ
เมทริกซ์แล้ว นั่นคือ เซลล์ของสิ่งมีชีวิต และกลุ่มของสิ่งมีชีวิตประเภทมีหลายเซลล์อยู่ร่วมกัน
เช่นมนุษย์เรานั้น สามารถผลิต กระแสไฟฟ้าได้ในปริมาณเล็กน้อย และในขณะนี้
บรรดานักวิทยาศาสตร์ก็กำลังหาทางที่จะ เสียบปลั๊กไฟ เข้ากับสิ่งมีชีวิตที่เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า
เพื่อให้ได้แหล่งกำเนิดไฟฟ้าแบบ เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ ซึ่งจะสามารถผลิต
กระแสไฟฟ้าโดยไม่ก่อให้เกิดมลภาวะเป็นของแถมเหมือนกับเชื้อเพลิงฟอสซิล
(เช่น ก๊าซธรรมชาติ, น้ำมัน, ถ่านหิน) และเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ หรือ
แบตเตอรี่ชีวภาพนี้ ก็สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าที่อุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิของร่างกายมนุษย์
รวมทั้งมีขนาดเล็กมาก มีประโยชน์กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกย่อให้มีขนาดเล็กลง
เลียวนาร์ด เทนเดอร์
นักเคมีไฟฟ้า ที่ห้องทดลองวิจัยของกองทัพเรือสหรัฐฯ ในวอชิงตัน ดีซี
กล่าวว่า ถ้าคุณเปรียบเทียบเซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพกับบรรดาอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าที่เราใช้กันนั้น
พวกเราก็ยังมีข้อจำกัดอีกมาก พวกเรากำลังดูว่า สิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก
เช่น จุลินทรีย์ สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างไร และใช้สิ่งที่เราเรียนรู้มานี้เป็นต้นแบบในการผลิตแหล่งกำเนิดไฟฟ้าได้อย่างไร
ไม่ว่าสิ่งมีชีวิตจะเลือกกิน
น้ำตาล แสงแดด หรือเนื้อชิ้นๆ เป็นอาหาร เซลล์ก็สามารถรับพลังงานได้จากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน
ซึ่งก็คืออนุภาคประจุลบ ที่วิ่งไปมาอย่างรวดเร็วระหว่างอะตอมและโมเลกุลนั่นเอง
บางโมเลกุลเมื่อได้รับการกระตุ้นเพียงเล็กน้อย ก็ พร้อมที่จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาหนึ่งหรือสองตัว
ในทำนองเดียวกัน ก็จะมีโมเลกุลอื่นๆ ที่อยากได้อิเล็กตรอนที่หลุดออกมา
และจะปล่อยพลังงานออกมาเมื่อจับอิเล็กตรอนได้ เซลล์สิ่งมีชีวิตจะอยู่ตรงกลางระหว่างผู้ให้และผู้รับอิเล็กตรอน
เชื้อแบคทีเรียที่คล้ายยีสต์และมีเอนไซม์ชนิดพิเศษเป็นผู้ช่วย จะสามารถทำให้โมเลกุลของน้ำตาลแตกออก
และจับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของน้ำตาล แล้วปลดปล่อยไปสู่โมเลกุลของออกซิเจนที่อยู่ในบริเวณนั้น
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้จะทำ ให้เกิดน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และพลังงานในปริมาณเล็กน้อย
โดยแบคทีเรียจะเก็บสะสมพลังงานนี้ไว้ ในตัวเอง นี่คือระบบนิเวศในระดับที่เล็กจิ๋ว
และอยู่ได้ด้วยการไหลเวียน ของอิเล็กตรอน ในความเป็นจริงนั้น
กระแสไฟฟ้าก็ไม่มีอะไรมากไปกว่าการไหลเวียนอย่างต่อเนื่องของอิเล็กตรอน
แบตเตอรี่ที่มนุษย์เราผลิตขึ้นนั้น จัดว่าเป็น โรงงานขนาดเล็กที่ผลิตอิเล็กตรอน
จากสารเคมีที่ทำปฏิกิริยากันอยู่ข้างใน แบตเตอรี่ยังคงทำงานได้เพราะอิเล็กตรอนสามารถไหลผ่านขั้วไฟฟ้าได้
(ปุ่มเล็กที่อยู่ด้านบนสุดของแบตเตอรี่แบบแห้ง) และปุ่มขั้วไฟฟ้าก็เป็นช่องทางที่ง่ายต่อการเชื่อมต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ
ไม่ว่าจะเป็นเครื่องเล่นเอ็มพี 3 ไฟฉาย ของเล่น เครื่องตรวจจับควันไฟฟ้า
และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ถ้าจุลินทรีย์ถูกทำให้เป็นเช่นเดียวกับแบตเตอรี่
คือ ปลดปล่อยอิเล็กตรอนไปสู่โมเลกุลรอบๆ ตัวแบบไร้ทิศทาง จุลินทรีย์ก็จะสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าให้แก่มนุษย์เราได้เช่นกัน
|
กระแสไฟฟ้าก็ไม่มีอะไรมากไปกว่าการไหลเวียนอย่างต่อเนื่องของอิเล็กตรอน
แบตเตอรี่ที่มนุษย์เราผลิตขึ้นนั้น จัดว่าเป็นโรงงานขนาดเล็กที่ผลิตอิเล็กตรอนจากสารเคมีที่ทำปฏิกิริยากันอยู่ข้างใน
แบตเตอรี่ยังคงทำงานได้เพราะอิเล็กตรอนสามารถไหลผ่านขั้วไฟฟ้าได้
|
อุปสรรคสำคัญอย่างหนึ่งก็คือ เนื้อเยื่อที่อยู่รอบๆ เซลล์ จุลินทรีย์
ส่วนมากแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนภาย ในเซลล์ของมันเอง ซึ่งเป็นที่อยู่ของเอนไซม์อีกด้วย
ผลก็คือ จุลินทรีย์ ต้องค้นหาตัวรับอิเล็กตรอนที่สามารถละลายอยู่ในเซลล์ได้
เช่น ออกซิเจน ที่จะสามารถไหลผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้า ไปจับอิเล็กตรอนภายในเซลล์แล้วไหลผ่านออกจากเซลล์ได้
แต่ขั้วไฟฟ้าที่มนุษย์เราผลิตได้นั้นไม่ละลาย และไม่สามารถเข้าไปอยู่ในเซลล์สิ่งมีชีวิตได้
มีสารเคมีที่ใช้เป็นตัวกลางในการส่งผ่านอิเล็กตรอนกลับไปกลับมาระหว่างภายในเซลล์กับขั้วไฟฟ้าที่สามารถแก้ปัญหาดังกล่าวได้เหมือนกัน
แต่สารเคมีเหล่านี้ก็มีราคาแพง ไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอ และต้องเติมลงไปในระบบบ่อยๆ
อีกด้วย เชลลีย์
มินเทียร์ นักอณูชีวเคมี ที่มหาวิทยาลัยเซนต์หลุยส์ มีเป้าหมายที่แตกต่างออกไป
คือแทนที่จะศึกษาค้นคว้าหากลไกการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนภายในเซลล์ของจุลินทรีย์
เธอก็กลับศึกษาค้นหากลไกการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนที่ภายนอกเซลล์ โดยเมื่อสองปีที่แล้ว
ทีมงานของมินเทียร์สกัดเอนไซม์จากแบคทีเรีย เอสเชริเชียโคไล (Escherichia
coli) และสร้างเซลล์ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยใช้เอนไซม์นี้ เซลล์ไฟฟ้าที่สร้างขึ้นนี้ทำงานด้วยเอทานอลและสามารถต่อกับวงจรไฟฟ้าได้โดยตรง
มินเทียร์บอกว่า นี่คือเซลล์ เชื้อเพลิงจากจุลินทรีย์โดยไม่ต้องมี
ผนังเซลล์ เอนไซม์นี้จะเปลี่ยนแปลงเอทานอลให้กลายเป็นน้ำส้มสายชู และ
ก่อให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า แต่การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีนี้มี
ขั้นตอนมาก และเซลล์เชื้อเพลิงที่ได้ก็ไม่ใช่เซลล์ขนาดเล็ก
ต้องใช้เอนไซม์ที่อยู่บนแผ่นชีทพื้นที่ 20 ตารางนิ้วในการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโทรศัพท์มือถือ
และเธอยังกล่าวอีกว่า เรามีพัดลมตัวเล็กๆ ตัวหนึ่ง ที่หมุนทำงานได้ด้วยเซลล์ไฟฟ้าแบบนี้
แต่เรายังไม่มีเครื่องปรับอากาศที่ทำงานได้ด้วยเซลล์ไฟฟ้าของเราหรือแบบอื่นๆ
อดัม เฮลเลอร์ จากมหาวิทยาลัยเทกซัส
ที่ออสติน ใช้แนวคิดดังกล่าวนี้ไปใช้กับแวดวงของวัตถุจิ๋ว เขาสร้างแบตเตอรี่ซึ่งประกอบด้วยแผ่นเส้นใยขนาดเล็กสองแผ่นประกบกัน
โดยแต่ละแผ่นมีเอนไซม์เคลือบอยู่ แผ่นหนึ่งคือขั้วแอโนด ทำหน้าที่จับอิเล็กตรอนจากน้ำตาลกลูโคส
ส่วนอีกแผ่นหนึ่งก็คือขั้วแคโทด ทำหน้าที่ส่งผ่านอิเล็กตรอนไปสู่ออกซิเจน
เซลล์ไฟฟ้าที่ได้ นี้มีความยาว 0.25 นิ้ว สามารถผลิตพลังงานได้ 600
นาโนวัตต์ ซึ่งมากเพียงพอที่จะทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กทำงานได้
สำหรับแบตเตอรี่ทั่วไป
สิ่งที่ยากที่สุดในการลดขนาดให้เล็กลงก็ คือ การสร้างเปลือกหรือโครงสร้างแบตเตอรี่
ที่ต้องสามารถป้องกันไม่ให้สิ่งที่อยู่ภายในรั่วเข้าหากันกลายเป็นเนื้อเดียว
แต่เฮลเลอร์ก็เป็นผู้ที่ได้ประดิษฐ์แบตเตอรี่ที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่เคยรู้จักกันมาได้สำเร็จ
และก็มีโอกาสที่จะนำแบตเตอรี่นี้ไปใส่ในกระแสเลือดของมนุษย์ แบตเตอรี่จิ๋วนี้ทำงานด้วยการใช้กลูโคสในร่างกาย
ทำให้แบตเตอรี่นี้กลายเป็นแหล่งจ่ายพลังงานที่สมบูรณ์สำหรับอุปกรณ์ตรวจวัดปริมาณกลูโคส
ซึ่งจะถูกฝังเข้าไปในร่างกาย ในที่สุดก็จะกลายเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็ก
ซึ่งจะเป็นอุปกรณ์ในฝันของผู้เป็นโรคเบาหวาน ที่จะคอยตรวจสอบและรายงานระดับน้ำตาลในเลือดในรูปของสัญญาณไฟฟ้า
|
พลังงานที่ได้จากชุดเซลล์ไฟฟ้าเล็กๆ
ของเลิฟลีย์นี้ มากเพียงพอที่จะจ่ายให้กับหลอดไฟบนต้นคริสต์มาสหนึ่งหลอด
พลังงานที่ได้นี้อาจจ่ายให้กับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ หรือไม่ก็ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนยานอวกาศที่มีการใช้งานน้อย
|
การมีเยื่อหุ้มเซลล์นั้นมีข้อดีก็คือ
ปกป้องกระบวนการทำงานต่างๆ มากมายภายในเซลล์สิ่งมีชีวิตซึ่งพร้อมจะผลิตกระแสไฟฟ้า
สำหรับในอุดมคติแล้ว แบตเตอรี่ชีวภาพจะต้องสามารถเก็บสะสมพลังงานจากเซลล์ได้โดยไม่ทำอันตรายกับเซลล์สิ่งมีชีวิต
เมื่อเดือนตุลาคมปีที่แล้ว เดอเรค เลิฟลีย์ นัก จุลชีววิทยา
มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ ที่แอมเฮิรสต์ ได้ประกาศสิ่งที่เป็น การปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์
นั่นคือเรื่องราวที่เกี่ยวข้องกับ โรโดเฟอร์แรกซ์ เฟอร์ริรีดูเซนส์
(Rhodoferax ferireducens) ซึ่งเป็นเชื้อแบคทีเรียสายพันธุ์ธรรมดาที่อาศัยอยู่ในโคลนใต้น้ำ
แบคทีเรียชนิดนี้ไม่เหมือนจุลินทรีย์ชนิดอื่นๆ นั่นคือ จุลินทรีย์อื่นๆ
จะ แลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนที่จับมาได้กับออกซิเจน แต่ อาร์. เฟอร์ริรีดูเซนส์
จะแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนกับเกลือแร่ เช่น ไอออนออกไซด์ และถึงแม้ว่าไอออนออกไซด์จะไม่ละลายน้ำ
แต่เชื้อแบคทีเรียนี้ก็มีวิธีการจัดการ ผลัก อิเล็กตรอนให้ออกไปนอกเซลล์โดยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ไปสู่บริเวณที่มีไอออนออกไซด์
เลิฟลีย์บอกว่านี่เป็นสุดยอดของรูปแบบของสิ่งมีชีวิตที่มีความง่าย
อยู่ในตัวเอง ออกซิเจนส่วนมากรับอิเล็กตรอนอยู่ภายในเซลล์ และเป็น
ตัวการสำคัญในการส่งต่ออิเล็กตรอนให้กับไอออนออกไซด์ มันเป็นวิธีการที่ฉลาดมากในการดำรงชีวิต
เลิฟลีย์ยังใช้ขั้นตอนซึ่งสัมพันธ์
กันอย่างง่ายๆ ในการหลอกให้จุลินทรีย์ส่งผ่านอิเล็กตรอนที่จับมาได้นั้นไปสู่เกลือแร่ที่ต้องการ
นั่นคือ ขั้วไฟฟ้าที่ผลิตจากแท่งกราไฟต์ที่ไม่ได้ขัดผิว กับ จุ่มเชื้อจุลินทรีย์ลงไปในถังขนาดเล็ก
ซึ่งบรรจุน้ำเชื่อม (สารละลายน้ำตาล) ก็จะทำให้จุลินทรีย์ไปเกาะอยู่ที่ขั้วไฟฟ้า
และง่วนอยู่กับการขับอิเล็กตรอนจากน้ำตาล แล้วส่งต่อไปที่ขั้วไฟฟ้าโดยตรง
ซึ่งต่อวงจรไฟฟ้าภายนอก ทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า ประสิทธิภาพของ
อาร์. เฟอร์ริรีดูเซนส์ นั้นสูงมาก กล่าวคือ สามารถส่งผ่านอิเล็กตรอนไปสู่ขั้วไฟฟ้าได้
80% จากที่มีอยู่ทั้งหมด (สำหรับจุลินทรีย์อื่นๆ นั้น สามารถส่งผ่านอิเล็กตรอนได้น้อยกว่า
50%) แนวความคิดนี้
ถือว่าเป็นสิ่งที่ยอดเยี่ยมมากถ้าได้รับการพัฒนาต่อไป พลังงานที่ได้จากชุดเซลล์ไฟฟ้าเล็กๆ
ของเลิฟลีย์นี้ มากเพียงพอที่จะจ่ายให้กับหลอดไฟบนต้นคริสต์มาสหนึ่งหลอด
พลังงานที่ได้นี้อาจจ่ายให้กับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ หรือไม่ก็ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนยานอวกาศที่มีการใช้งานน้อย
แต่ก็จำเป็นต้องปรับปรุงกระบวนการผลิตไฟฟ้าแบบนี้ให้ดีขึ้น เลิฟลีย์นั้นมีความกระตือรือร้นที่จะศึกษายีนของ
อาร์. เฟอร์ริรีดูเซนส์ เพื่อที่จะเข้าใจได้มากขึ้นว่า เชื้อจุลินทรีย์นี้ส่งอิเล็กตรอนออกนอกเซลล์ได้อย่างไร
และเพื่อศึกษาหาวิธีปรับปรุงพันธุกรรมให้สามารถส่งผ่านอิเล็กตรอนได้ดีขึ้น
ในขณะนี้ ทีมงานของเขากำลังศึกษาหาวิธีการทำให้แบตเตอรี่มีขนาดเล็กลงอีก
สำหรับขนาดของแบตเตอรี่ของพวกเขาในขณะนี้ก็คือ ขนาดเท่ากับอ่างน้ำขนาด
10 แกลลอน ถ้าพวกเขาประสบความสำเร็จ อาร์. เฟอร์ริรีดูเซนส์ ก็จะสามารถทำงานกับสิ่งสกปรกได้
เช่น สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าจากสิ่งปฏิกูล ช่วยกำจัดของเสีย เป็นต้น
บางคนอาจวิตกกังวลว่า บรรดา
จุลินทรีย์นั้น จะสนุกสนานกับการทำงานให้กับมนุษย์หรือไม่ เทนเดอร์ซึ่งเป็นผู้ร่วมงานกับเลิฟลีย์บอกว่า
พวกเขารู้ว่าจุลินทรีย์เหล่านี้ได้ประโยชน์ เพราะว่าพวกมันเกาะกลุ่มเป็นโคโลนีที่ขั้วไฟฟ้าเมื่อเวลาผ่านไป
เลิฟลีย์ กล่าว เสริมว่า คุณอาจ ปักขั้วไฟฟ้าอันหนึ่งลงไปในโคลนและกลุ่มโคโลนีของจุลินทรีย์เหล่านี้ก็จะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ
แนวโน้มที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีนี้นั้นมีสูงมาก
เทนเดอร์พบว่า ถ้าเขาปักขั้วไฟฟ้าลงบนพื้นทะเลที่มีกลุ่มโคโลนีของจุลินทรีย์อาศัยอยู่
แม้ ว่าเขาจะปักขั้วไฟฟ้าไม่ลึกมาก แต่ก็ยังมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง
ผลที่จะเกิดขึ้น ก็คือ เทนเดอร์ได้ เสียบปลั๊กไฟ เข้ากับ แบตเตอรี่ที่ใหญ่ที่สุดในโลก
ซึ่งก็คือโลกนั่นเอง กระแสไฟฟ้าที่ได้นั้นไม่สูงมาก (ประมาณ 30 มิลลิวัตต์ต่อขั้วไฟฟ้า
ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางวงกลมที่มนุษย์สามารถลอดผ่านได้) แต่กระแสไฟฟ้าที่ได้นี้จะใช้สำหรับอุปกรณ์ใต้ทะเลที่ใช้พลังงานไม่มาก
เช่น อุปกรณ์ตรวจสภาพท้องทะเล เป็นต้น เทนเดอร์กล่าวว่า
คุณจะสามารถวาดภาพได้ว่า ท้องทะเลนั้นยิ่งใหญ่มาก และพร้อมที่จะใช้ทำเป็นเซลล์ผลิต
กระแสไฟฟ้า สำหรับผมแล้ว มันเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมาก แน่นอนว่าคงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นสำหรับบรรดาจุลินทรีย์ด้วย
หรือไม่ก็บรรดาจุลินทรีย์นั้นไม่ยอมผลิตกระแสไฟฟ้า เราคงได้แต่ หวังว่าบรรดาจุลินทรีย์จะไม่นำพลังงานที่พวกมันผลิตได้มาใช้ในการชมภาพยนตร์
เดอะ เมทริกซ์ แล้วหันกลับมาต่อสู้และดูดพลังงานไฟฟ้าจากมนุษย์ในที่สุด
โดย... สันติพงษ์
ปิตตุภักดิ์
พบกับเรื่องนี้ได้ที่ : http://update.se-ed.com/204/battery.htm

UpDATE นิตยสารรายเดือน ราคาฉบับละ 60 บาท
http://update.se-ed.com
อัตราสมาชิก 12 ฉบับ 720 บาท จัดพิมพ์โดย
บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด(มหาชน)
อาคารเนชั่นทาวเวอร์ ชั้น 19 เลขที่ 46/87-90 ถ.บางนา-ตราด แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ 10260
โทร.0-2751-5800, 0-2751-4175 โทรสาร 0-2751-5059
E-mail : update@se-ed.com
|