คอร์เนลล์ ยูนิเวิร์ซิตี้ ทีมวิจัยใช้ขนแกะสีดำเพื่อพัฒนาการผลิตน้ำจากน้ำทะเล

ตามการพยากรณ์ทางวิทยาศาสตร์ล่าสุด ในปี 2050 ประมาณครึ่งหนึ่งของประชากรในเมืองทั่วโลกอาจขาดน้ำดื่มสะอาด ตัวเลขนี้เพิ่มขึ้นร้อยละ 50 เมื่อเทียบกับปี 2016 ทีมวิจัยของคอร์เนลล์ ยูนิเวิร์ซิตี้ มองหาทางออกที่ไม่คาดคิด: ความคิดริเริ่มมาจากขนสีดำสนิทของนกชนิดหนึ่งที่มีขนสีดำที่สุดในโลก ทีมนำโดยศาสตราจารย์รัฐศาสตร์และการออกแบบของมนุษย์ ลาริสซา เช็ปเพิร์ด (Larissa Shepherd) ของคอร์เนลล์ ยูนิเวิร์ซิตี้ ได้เปิดเผยข้อพบพานที่น่าตกใจ: ขนแกะที่ย้อมด้วยโดพามีน รวมถึงรุ่นสีดำสนิทที่ได้รับแรงบันดาลใจจากนกริเฟิลสีดำสนิท สามารถใช้แสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวในการผลิตน้ำจากน้ำทะเล

การศึกษานี้ถูกนำทางโดย กยูอิน ปาร์ค (Kyuin Park) ซึ่งเคยทำงานในห้องปฏิบัติการออกแบบเสื้อผ้าตอบสนองของ เช็ปเพิร์ด และได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Science

หลักการทางเทคนิคของขนแกะที่ย้อมด้วยโดพามีน

โดพามีนเป็นพอลิเมอร์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากเมลานิน ซึ่งเป็นสารสีที่ทำให้หอยมีสีเข้ม สารประกอบนี้สามารถรวมกับวัสดุอื่นได้อย่างแรง และดูดซับแสงในช่วงใกล้อินฟราเรด และแปลงมันเป็นความร้อนโดยตรง ในห้องปฏิบัติการของ เช็ปเพิร์ด ได้ใช้ขนแกะที่ย้อมด้วยโดพามีน ร่วมกับไฟเบอร์จับแสงที่เกิดจากการแกะสลักพลาสมา เพื่อสร้างวัสดุสีดำสนิทที่สร้างสถิติ โดยเป็นการเลียนแบบขนนกริเฟิล ที่ในการศึกษานี้ ทีมนำวัสดุเดียวกันไปใช้กับปัญหาที่แตกต่าง: การผลิตน้ำจากน้ำทะเล พวกเขาใช้เทคนิคที่เรียกว่าการสร้างไอน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ระหว่างผิว (interfacial solar vapor generation) ซึ่งวัสดุที่มีลักษณะพิเศษจะจมน้ำบางส่วน และใช้แสงอาทิตย์ในการอุ่นผิวของวัสดุและแปลงมันเป็นไอน้ำโดยตรง

ไอน้ำที่เกิดขึ้นต่อมาจะควบแน่นกลับเป็นน้ำดื่มได้ และปล่อยให้เกือบทั้งหมดของเกลือที่เดิมอยู่ในน้ำทะเลไว้

ข้อได้เปรียบทางด้านสิ่งแวดล้อมของขนแกะ

เช็ปเพิร์ด กล่าวว่า ความสามารถในการสลายตัวของขนแกะทำให้วิธีการนี้แตกต่างจากการผลิตน้ำจากน้ำทะเลหลายแบบที่มีอยู่ กับระบบที่มีฐานมาจากพลาสติก ขนแกะเมื่อสลายตัวไม่ทิ้งไมโครพลาสติกหรือผลพลอยได้ที่ยังคงอยู่อื่นใด ทีมวิจัยได้ทดสอบการทำงานของสามโครงสร้างขนแกะในสามการตั้งค่าทางกายภาพ รวมถึงการตั้งแบบระนาบที่ตั้งอยู่บนผิวน้ำ การตั้งแบบหนึ่งด้านที่ตั้งตรง และการตั้งแบบสองด้านที่ตั้งตรง ซึ่งใช้กระจกในการสะท้อนแสงไปทั้งสองด้านของวัสดุ การตั้งแบบสองด้านที่ตั้งตรงมีการทำงานที่ดีที่สุด โดยในการตั้งแบบนี้ ขนแกะสีดำสนิทสามารถเก็บน้ำได้ 2.43 กิโลกรัมต่อชั่วโมงต่อตารางเมตรของผิววัสดุ

ขนแกะที่ย้อมด้วยโดพามีนเพียงอย่างเดียว โดยไม่มีการประมวลเพิ่มเติมสีดำสนิท เก็บน้ำได้ 2.21 กิโลกรัมต่อชั่วโมงต่อตารางเมตร ทั้งสองตัวเลขเกือบเป็นสองเท่าของการตั้งแบบระนาบดั้งเดิม

นอกจากนี้ วัสดุนี้ยังต้านทานต่อการเป็นมลทินของเกลือ ซึ่งเป็นจุดที่พบการชะงักงันทั่วไปในระบบการผลิตน้ำจากแสงอาทิตย์ การศึกษาแสดงว่าวัสดุสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง 10 ชั่วโมงโดยไม่มีการสะสมเกลือที่ทำให้ขัดข้องกับการทำงาน ตามที่ เช็ปเพิร์ด กล่าว ระดับเกลือในน้ำที่ได้อยู่ต่ำกว่ามาตรฐานน้ำดื่มขององค์การอนามัยโลก เช็ปเพิร์ด ชี้ว่า ขนแกะที่ใช้เพียงโดพามีนได้ทำงานได้ดี เพราะฉะนั้นขั้นตอนเพิ่มเติมในการแกะสลักพลาสมาไม่เสมอไปที่คุ้มค่าที่จะทำ แต่เพื่อให้ได้ผลลัพธ์สีดำสนิทจำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติม แต่เธอกล่าวว่า ในระหว่างการทำงานทั้งปี ผลลัพธ์เพิ่มเติมในการกลั่นไอน้ำอาจจะคุ้มค่าที่จะทำ

เมื่อการประมวลเพิ่มเติมของโดพามีนได้เสร็จเรียบร้อยแล้ว การย้อมสีดำสนิทเป็นขั้นตอนเพิ่มเติมที่ไม่ใช่เรื่องใหญ่ ในการวิจัยในอนาคตจะทดสอบเทคนิคการย้อมสีขนแกะโดยตรงกับน้ำฝนและน้ำเสีย และปรับปรุงการออกแบบเพื่อเก็บน้ำที่ได้รับการผลิตให้เป็นที่เรียบร้อย

ผลกระทบที่เป็นไปได้ของเทคนิคขนแกะสีดำสนิท

เมื่อปัญหาการขาดแคลนน้ำทรัพยากรน้ำทั่วโลกมีความรุนแรงมากขึ้น การวิจัยของคอร์เนลล์ ยูนิเวิร์ซิตี้ ให้ทางออกที่สร้างสรรค์ การใช้ขนแกะที่ย้อมด้วยโดพามีนในการผลิตน้ำจากน้ำทะเล ไม่เพียงแต่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังมีลักษณะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม โดยหลีกเลี่ยงมลทินไมโครพลาสติกที่อาจเกิดขึ้นจากวัสดุดั้งเดิม การใช้เทคนิคนี้อาจมีผลกระทบที่สำคัญต่อการจัดการทรัพยากรน้ำและการพัฒนาอย่างยั่งยืน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเผชิญกับความท้าทายของการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศและการเพิ่มขึ้นของประชากร