ประวัติของ "ไฮโดรเจน" จากแก๊สธรรมดา ถึงแก๊สพลังงาน

วันหนึ่งในฤดูร้อนของปี 1783 (รัชสมัยพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช) Jacques Charles ซึ่งเป็นนักเคมีชาวฝรั่งเศส ผู้พบกฎของ Charles (ที่แถลงว่า ถ้าให้ความดันของแก๊สมีค่าคงตัว ปริมาตรของแก๊สจะแปรโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สนั้น หรือถ้าจะพูดง่าย ๆ คือ เมื่อแก๊สได้รับความร้อน แก๊สจะขยายตัว) กับเพื่อนชื่อ Nicolas Louis Robert ได้เดินทางไปในอากาศ โดยใช้บอลลูนที่ถูกบรรจุด้วยแก๊สไฮโดรเจนปริมาตร 380 ลูกบาศก์เมตร เมื่อบอลลูนลอยไปตกกลางทุ่งนาที่อยู่ไกลออกไป 1 กิโลเมตร ชาวนาในบริเวณนั้นได้พากันแตกตื่น เพราะคิดว่าอสูรจากฟ้าจะบุกมาฆ่าพวกตน จึงกรูเข้าทำลายบอลลูนจนพังพินาศ

นั่นคือความสำเร็จในการเดินทางครั้งแรกของมนุษย์ที่ใช้แก๊สไฮโดรเจน แม้วันเวลาจะผ่านไปนานร่วม 240 ปีแล้วก็ตาม แต่มนุษย์ก็ยังสนใจ และยังพยายามจะใช้ไฮโดรเจนในการขับเคลื่อนพาหนะ เช่น เรือ รถยนต์ และเครื่องบินอยู่จนทุกวันนี้


ย้อนอดีตไปถึงเมื่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 18 ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่นักเคมีทุกคนกำลังสนใจ หลงใหล และคลั่งไคล้ในทฤษฎี phlogiston และเชื่อว่าสารนี้จะพบในสารทุกชนิดที่ติดไฟได้ จึงได้พยายามค้นหา เช่น ในปี 1772 นายกของสมาคม Royal Society แห่งกรุงลอนดอน ในประเทศอังกฤษ ได้ขอให้ Joseph Priestley ศึกษาเรื่องสันดาป ด้วยเหตุผลว่านักเคมีจำนวนมากได้ใช้ไฟในการทดลองทางเคมีบ่อย แต่ยังไม่มีใครเข้าใจธรรมชาติที่แท้จริงของการลุกไหม้เลย ซึ่งถ้าเข้าใจ ก็อาจนำไฟไปบรรจุในขวด เพื่อจะได้ใช้ในยามที่ต้องการได้ดังใจนึก ด้าน Henry Cavendish ซึ่งก็ได้ทราบมาว่า Paracelsus เป็นนักเคมีชาวสวิสฯ ในคริสต์ศตวรรษที่ 16 เคนเห็นฟองแก๊สผุดขึ้นในกรดกำมะถัน เวลามีการโยนเศษเหล็ก หรือสังกะสีลงไป แล้วแก๊สที่ผุดออกมานั้นสามารถติดไฟได้ และให้เปลวไฟสีน้ำเงินอ่อน ส่วน Jan Baptist van Helmont ซึ่งเป็นนักเคมีชาวเบลเยี่ยม ก็ได้พบว่าเวลาที่กลั่นกรด nitric (aqua fortis) เขาไม่ได้เห็นอะไรที่ผิดปกติ แต่เวลาเขาโยนเศษโลหะลงไปในกรด ก็ได้เห็นแก๊สเป็นควันพุ่งออกมามากมาย


และถ้าเราย้อนอดีตไปก่อนนั้นอีก คือ ในปี 1672 Robert Boyle นักเคมีชาวไอริชก็ได้เคยทดลองโยนผงเหล็กลงในกรดต่าง ๆ ที่เจือจาง และพบว่าควันของแก๊สที่พุ่งออกมาก็สามารถติดไฟได้ และให้เปลวไฟสีฟ้าแกมเขียว จึงได้เขียนรายงานผลการทดลองนี้ลงในหนังสือชื่อ “Tracts, Containing New Experiments, Touching the Relation Betwixt Flame and Air” และได้อธิบายว่า แก๊สที่เกิดขึ้นจากการโยนผงตะไบเหล็กลงไปในกรด เวลาแก๊สได้สัมผัสกับเปลวเทียนไข แก๊สจะระเบิด และความรุนแรงของเหตุการณ์นี้ ได้ทำให้ Boyle ไม่ได้ทำการทดลองเรื่องนี้ต่อ

จนอีก 60 ปีต่อมา John Maud นักเคมีชาวอังกฤษ จึงได้สาธิตการทดลองที่แสดงให้เห็นว่า แก๊สที่ผุดออกมาจากกรดเจือจางทุกชนิด เวลาได้รับโลหะ จะให้เปลวไฟสีฟ้าอ่อน ซึ่งแตกต่างจากสีของเปลวไฟที่ได้จากแก๊สที่พบในเหมืองถ่านหิน ซึ่งเวลาลุกไหม้จะให้เปลวไฟสีเหลือง


ดังนั้นเมื่อ Henry Cavendish ลงมือทดลองเรื่องนี้บ้าง และเห็นฟองแก๊สจำนวนมากผุดออกมาเช่นกัน ในเบื้องต้นเขาคิดว่า แก๊สที่เห็นนั้น คือ phlogiston จึงได้เก็บแก๊สในถุงยาง แล้วทดลองใช้โลหะชนิดใหม่ คือ ดีบุกกับสังกะสี แต่ใช้กรดเกลือแทนกรดกำมะถัน จากนั้นก็ได้นำเศษไม้ที่ติดไฟจ่อลงไปในแก๊ส และพบว่า แก๊สในถุงได้ลุกไหม้ให้เปลวไฟสีน้ำเงิน

Cavendish จึงมั่นใจว่า แก๊สที่ได้ เป็นสาร phlogiston อย่างแน่นอน แม้แก๊สจะมีมวล แต่ก็ค่อนข้างน้อย จึงได้ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานเรื่อง “Factitious Airs,” ในวารสาร Transactions of the Royal Society ในปี 1766

ในการศึกษาธรรมชาติของแก๊สที่พบใหม่ Cavendish ได้ทดลองใช้แก๊สนี้ผสมกับแก๊สออกซิเจนในขวด แล้วจุดไฟ ผลปรากฏว่า ขวดแก้วระเบิดแตก เขาจึงตัดสินใจเลิกใช้ขวดแก้ว แล้วใช้ภาชนะอื่นที่ทำด้วยโลหะแทน เพื่อป้องกันการแตก และได้เสนอผลการทดลองที่แสดงว่ามีหยดน้ำเกิดขึ้นที่ผนังของภาชนะ ในรายงานเรื่อง “Experiments on Air” ซึ่งได้ถูกนำเสนอต่อที่ประชุมของ Royal Society ว่า น้ำประกอบด้วย phlogiston กับ oxygen ในอัตราส่วน 2:1 โดยปริมาตร รายงานนี้ได้ทำให้บรรดาสมาชิกตื่นเต้นมาก เมื่อได้รู้เป็นครั้งแรกว่า น้ำ ซึ่งเป็นของเหลวนั้น ประกอบด้วยแก๊สสองชนิดที่ทำปฏิกิริยาเคมีกัน

ในการทดลองขั้นต่อมา Cavendish ได้นำอากาศปริมาตร 1,000 ส่วน มาปนกับแก๊ส phlogiston 423 ส่วน แล้วจุดไฟ และก็ได้พบอีกว่า อากาศที่ได้ ๆ ลดปริมาตรไป 20% และมีหยดของเหลวเกิดที่ผนังของภาชนะทดลอง อีกทั้งเป็นของเหลวที่ไม่มีกลิ่น ไม่มีสี และไม่มีรสใด ๆ นอกจากนี้ Cavendish ก็ยังได้พบอีกว่า เวลาให้ความร้อนแก่หยดของเหลวนั้น ของเหลวได้ระเหยจนไม่มีตะกอนใด ๆ หลงเหลืออยู่เลย

ด้าน Jan Deiman กับ Adriaan Paets van Troostwijk ซึ่งเป็นชาวดัตช์ และ Antoine-François de Fourcroy ซึ่งเป็นชาวฝรั่งเศส กับ James Watt ชาวอังกฤษก็ได้พบว่า น้ำ ประกอบด้วย oxygen กับ phlogiston เช่นกัน เพราะออกซิเจนมีบทบาททำให้เกิดน้ำ เช่นเดียวกับ phlogiston แม้จะให้มากกว่า แต่ในเวลาเดียวกันออกซิเจนก็ทำให้เกิดกรด ดังนั้นจึงได้ตั้งชื่อว่าออกซิเจน เพราะเป็นแก๊สที่ให้กรด ส่วน phlogiston นั้น เป็นแก๊สที่ให้น้ำ จึงตั้งชื่อว่าไฮโดรเจน

การวิวาทในประเด็นว่าใครเป็นบุคคลแรกที่ได้พบว่าน้ำประกอบด้วย hydrogen กับ oxygen นั้น ได้ทำให้ Royal Society ต้องมาตัดสิน และในที่สุดก็ได้ให้เครดิตแก่ Cavendish ซึ่งได้เสนอรายงานเรื่องนี้เป็นครั้งแรกต่อที่ประชุมของ Royal Society ดังนั้นเกียรติการพบ hydrogen จึงตกเป็นของ Cavendish แต่เพียงผู้เดียว ทั้ง ๆ ที่ Cavendish เป็นคนที่ต้องการเกียรตินั้นน้อยที่สุด


การสืบค้นประวัติบรรพบุรุษของ ตระกูล Cavendish แสดงให้เห็นว่ามีสมาชิกหลายคนที่มีชื่อเสียงมาก เช่น John Cavendish ซึ่งเคยเป็นประธานศาลฎีกา ในรัชสมัยของพระเจ้า Edward ที่ 3 เมื่อปี 1466 และ Thomas Cavendish ซึ่งเป็นโจรสลัดผู้ได้เดินทางรอบโลกเป็นคนที่สอง ต่อจาก Ferdinand Magellan ในอีกสองศตวรรษต่อมา และคนต่อไปก็คือ Henry Cavendish ซึ่งถือกำเนิดเมื่อปี 1731 โดยมีบิดาชื่อ Lord Charles Cavendish และมารดาชื่อ Lady Anne Cavendish แต่ปรากฏว่าเมื่อ Henry เติบใหญ่ เขามิได้เป็นคนมักใหญ่ใฝ่สูงเหมือนบรรพบุรุษ กลับทำงานอุทิศชีวิตของตนให้วิทยาศาสตร์อย่างเงียบ ๆ และมีผลงานที่สำคัญมากมาย เช่น พบธาตุไฮโดรเจน และเป็นบุคคลแรกที่รู้มวลของโลก หลังจากที่ Cavendish เสียชีวิตไปแล้ว ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ ที่มหาวิทยาลัย Cambridge ก็ถูกตั้งชื่อตามชื่อของ Cavendish


ในด้านอุปนิสัยส่วนตัว Henry Cavendish มีบุคลิกแปลก ทั้งๆ ที่เป็นคนร่ำรวยติดอันดับต้น ๆ ของประเทศอังกฤษ ณ เวลานั้น แต่เขากลับไม่สนใจเรื่องการแต่งตัวเลย ดังจะเห็นได้จากการชอบแต่งตัวมอซอ และชอบใส่เสื้อผ้าโบราณย้อนยุค อีกทั้งชอบทำงานวิทยาศาสตร์อย่างโดดเดี่ยว และไม่สนใจเรื่องเงิน ๆ ทอง ๆ เช่น ได้เคยกล่าวเตือนนายธนาคารที่ตนนำเงินไปฝากไว้ว่า ห้ามถามว่าจะจัดการอย่างไรกับเงินที่ได้ฝากไว้ เพราะถ้าถาม ก็จะถอนเงินทั้งหมดออกจากธนาคารทันที

การเป็นคนไม่ชอบยึดติดกับจารีตสังคมในลักษณะนี้ Cavendish จึงไม่ได้ให้ความสำคัญกับการประกอบพิธีกรรมต่าง ๆ ทางศาสนา ดังนั้นเมื่อมหาวิทยาลัย Cambridge มีกฎบังคับให้นิสิตทุกคนก่อนสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีต้องสอบวัดความรู้ด้านศาสนา Cavendish ซึ่งไม่สนใจศาสนา จึงได้ขอลาออกจากมหาวิทยาลัย และประกาศไม่ขอรับปริญญา เพราะคิดว่าเกณฑ์ที่มหาวิทยาลัยตั้งไว้ เป็นเรื่องเหลวไหลที่ไม่สามารถใช้บอกความสามารถของบัณฑิตได้เลย

บุคลิกและนิสัยที่ไม่มีใครเหมือนนี้ ทำให้ชีวิตของ Cavendish กลายเป็นตำนานและเรื่องเล่ามากมาย เช่น เมื่อได้รับเชิญไปงานเลี้ยงของสมาคม Royal Society เมื่อไปถึงงาน Cavendish ก็จะไปยืนอยู่หน้างาน โดยไม่กล้าย่างเท้าเข้าไปในงาน เพราะรู้สึกกลัวการพบปะผู้คนจำนวนมาก จนเจ้าของงานต้องเดินมาเชิญให้เข้าไป และเวลาอยู่ท่ามกลางคนแปลกหน้า Cavendish จะไม่สบสายตาใคร และจะหลบสายตาทุกคน เพราะมักมีอาการประหม่าจนพูดอะไรไม่ออก นิสัยปลีกวิเวกเช่นนี้ ทำให้สมาคม Royal Society ซึ่งต้องการแสดงภาพของบรรดาสมาชิกทุกคน จึงต้องว่าจ้างจิตรกรให้มาแอบสเก็ตภาพของ Cavendish ในขณะที่เจ้าตัวไม่รู้ตัว ทั้งนี้เพราะ Cavendish ไม่ชอบนั่งนิ่ง ๆ ให้จิตรกรซึ่งเป็นคนแปลกหน้ามาวาดภาพตน

อนึ่งเวลาจะทำอะไรๆ ก็ตาม Cavendish มักชอบทำซ้ำๆ เช่น ชอบเดินไปทำงาน โดยใช้เส้นทางเดินเพียงเส้นทางเดียว และไม่ชอบการเดินทางไกล ในยามโพล้เพล้ก็มักจะออกไปเดินเล่น และพูดคนเดียวกลางถนนบ่อย จนเพื่อนบ้านอดสังเกตเห็นไม่ได้ และเวลาถูกจ้องมาก Cavendish ก็จะเปลี่ยนเวลาเดินเล่น ไปเดินตอนดึกหรือก่อนนอนแทน

ทั้ง ๆ ที่มีบ้านใหญ่ มีคนรับใช้หลายคน แต่ Cavendish ก็ไม่ชอบพบปะคนใช้ และชอบสั่งงานโดยใช้วิธีเขียนบันทึกแทน นอกจากนี้ก็ยังได้สร้างบันไดให้คนใช้เดินเข้าบ้าน โดยใช้คนละเส้นทางกับตน เพื่อจะได้ไม่เห็นหน้ากัน พฤติกรรมทั้งหมดนี้ แสดงว่า Cavendish เป็นคนออทิสติกที่มีอาการระดับรุนแรง แต่ก็เก่งวิทยาศาสตร์ระดับอัจฉริยะที่ใครๆ ก็รู้จัก

แม้ไฮโดรเจนจะเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในเอกภพ และเบาที่สุด เพราะอะตอมไฮโดรเจนนั้นประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างละหนึ่งอนุภาค แต่มนุษย์บนโลกก็ได้อาศัยปฏิกิริยา fusion ที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ ซึ่งได้จากการหลอมรวมนิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม และปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ทำให้ดวงอาทิตย์สามารถปลดปล่อยพลังงานความร้อน และพลังงานแสงสว่างออกมาให้โลก ซึ่งมีผลทำให้สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ สามารถดำรงชีพอยู่ได้ และตั้งแต่มนุษย์ได้รู้จักไฮโดรเจนแล้ว ก็ได้ใช้ไฮโดรเจนให้เป็นประโยชน์มากมาย เช่น ใช้บรรจุในเรือเหาะและบอลลูน เพื่อให้ลอยไปในอากาศ แต่ไฮโดรเจนติดไฟง่าย ดังที่เกิดอุบัติเหตุไฟไหม้เรือเหาะ Hindenburg ทั้งลำเมื่อปี 1937 ด้วยเหตุนี้นักเทคโนโลยีการบินจึงได้หันไปใช้แก๊สอื่นแทน นอกจากนี้เราก็ยังใช้ไฮโดรเจนในการแปลงน้ำมันพืชเป็นเนยเทียม และใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงในการขับเคลื่อนจรวด นำกระสวยอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก และยังใช้ไฮโดรเจนในการสังเคราะห์แก๊ส methane และน้ำ โดยให้รวมกับคาร์บอนและออกซิเจนตามลำดับด้วย


ปัญหาเศรษฐกิจที่กำลังรุมเร้าทุกประเทศในเวลานี้ มีหลายสาเหตุ สาเหตุหนึ่ง คือ โลกมีน้ำมันในปริมาณที่จำกัด และเมื่อประชากรโลกจำเป็นต้องใช้น้ำมันมากขึ้น ๆ ตลอดเวลา ทรัพยากรน้ำมันที่มีจึงร่อยหรอไปทุกวัน และเมื่อน้ำมันไม่ได้กระจายอยู่ในประเทศต่างๆ อย่างเท่าเทียมกัน ดังนั้นบางประเทศจึงได้ใช้น้ำมันเป็นอาวุธในการต่อรองและค้าขาย

ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์และนักเทคโนโลยีจึงได้ค้นหาพลังงานรูปแบบใหม่ ที่มีหลากหลายรูปแบบ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานน้ำ พลังงานถ่านหิน พลังงานความร้อนใต้พิภพ พลังงานนิวเคลียร์ พลังงาน fusion และพลังงานชีวมวล เป็นต้น เพื่อนำมาใช้แทนพลังงานน้ำมัน และหวังว่าพลังงานทางเลือกใหม่ๆ จะช่วยลดปัญหาภาวะโลกร้อนได้ อีกทั้งมีราคาไม่แพง และหาได้ง่ายด้วย

ทางเลือกหนึ่ง คือ การใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นสารนำพลังงานไฟฟ้า แม้ไฮโดรเจนจะมีมากบนโลก แต่เพราะมันเป็นสารที่ว่องไวในการทำปฏิกิริยาเคมีกับธาตุอื่น ดังนั้นเราจึงต้องมีการสกัดแยกไฮโดรเจนออกมา เช่น โดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า แยกไฮโดรเจนจากน้ำมัน จากถ่านหิน หรือจากชีวมวล แล้วนำไปใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงที่มีหลายรูปแบบ ซึ่งมีหลักการทำงานง่าย ๆ ดังนี้


ในกรณีที่ใช้ proton-exchange membrane (PEM) เป็นเยื่อที่แบ่งแยกอะตอมไฮโดรเจนกับโปรตอน เพื่อให้ไฮโดนเจนได้ทำปฏิกิริยาเคมีกัน จนได้น้ำเป็นผลลัพธ์สุดท้าย ในเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ ขั้วไฟฟ้า anode อาจจะเคลือบด้วยอนุภาคนาโนที่ทำด้วย platinum เพื่อทำหน้าที่เป็นตัว catalyst ดังนั้น เมื่อมีอะตอมไฮโดรเจนเคลื่อนที่มาปะทะอนุภาคนาโน อะตอมจะแยกตัวเป็นโปรตอน () และอิเล็กตรอน (e-) จากนั้นอนุภาคโปรตอนจะซึมผ่านเยื่อ PEM ไปที่ cat H+hode ส่วนอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ออกจาก anode ไปสู่วงจรไฟฟ้านอกเซลล์ แล้วไหลกลับเซลล์ทางขั้ว cathode เพื่อมารวมตัวกับโปรตอนอีกครั้งหนึ่ง ทำให้ได้อะตอมไฮโดรเจน จากนั้นอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมที่ cathode ก็จะเข้ารวมตัวกับอะตอมออกซิเจนที่ถูกส่งเข้ามา ทำให้ได้ไอน้ำ สมมการปฏิกิริยาเคมีในเซลล์เชื้อเพลิงจึงสามารถเขียนได้เป็น

H2 2H+ + 2e-
2H+ + 2e- + ½ O2 H2O


ประสิทธิภาพของการได้กระแสไฟฟ้าและน้ำนี้ มีค่าประมาณ 60% ดังนั้นเราจึงอาจเปรียบเทียบข้อมูลประสิทธิภาพของรถยนต์ที่ใช้น้ำมันธรรมดา แบตเตอรี่ไฟฟ้า และเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้ ดังนี้


จากตารางข้างบนเราก็จะเห็นว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนก็เช่นเดียวกับเทคโนโลยีอื่น ๆ คือ มีทั้งข้อดีและข้อเสีย ในส่วนที่เป็นข้อดีนั้น คือ เซลล์เชื้อเพลิงมีราคาไม่แพงมาก มีอายุใช้งานค่อนข้างนาน สามารถเก็บเชื้อเพลิงได้มาก และสามารถลดแก๊สเรือนกระจกได้ดี ในส่วนที่เป็นข้อเสีย คือ เราต้องหาวิธีผลิตไฮโดนเจนที่ไม่ได้สร้างแก๊สเรือนกระจก เพราะตามธรรมดา กระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการแยกน้ำนั้น ส่วนมากก็มาจากกระบวนการที่สร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ นอกจากนี้ถ้ารถยนต์นิยมใช้เซลล์ไฟฟ้ามาก ประเทศก็จำเป็นต้องมีสถานีเติมเชื้อเพลิงให้มากเพียงพอด้วย ประเด็นเรื่องไฮโดรเจนที่ติดไฟง่ายก็ต้องมีการระมัดระวัง และเมื่อไฮโดรเจนสามารถรั่วซึมได้ดี ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงจึงจำเป็นต้องสร้างอย่างรัดกุม มิให้ไฮโดรเจนรั่วไหลออกไปได้ อีกทั้งคนใช้เซลล์เชื้อเพลิงต้องดูแลและระมัดระวังเรื่องคุณภาพของขั้วไฟฟ้าที่จะเสื่อมสภาพตามกาลและเวลาด้วย

ในอนาคตเรายังคาดหวังจะใช้ไฮโดรเจนทำแบตเตอรี่เชื้อเพลิง เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ ให้แสงสว่างในที่ทำงานและในบ้าน และใช้ในโทรศัพท์มือถือ ฯลฯ เพราะส่วนดีของเซลล์เชื้อพลิงไฮโดรเจน คือ เมื่อสิ้นสุดการใช้ ผลผลิตที่เหลือ คือ ไอน้ำ ดังนั้นเมื่อใดที่เรามีไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงพลังงาน บรรดาประเทศ OPEC ทั้งหลายจะถูกกระทบกระเทือน เพราะน้ำมันจะมีราคาถูกลงมาก ส่วนปัญหาโลกร้อนก็จะทุเลาลดความรุนแรงลง มลภาวะในอากาศก็จะน้อยลงมาก และสุขภาพของทุกคนทั้งในเมืองและนอกเมืองก็จะดีขึ้น ดังนั้นพลังงานที่ได้จากไฮโดรเจน (hydrogen energy) จึงเป็นความฝันที่จะสามารถแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมของเราได้แทบทั้งหมด

แต่ก็ยังไม่มีใครให้ความฝันนี้เป็นจริงได้ เพราะวิธีง่ายที่สุดวิธีหนึ่งในการผลิตไฮโดรเจน คือ ใช้การแยกนำด้วยกระแสไฟฟ้า แล้วนำไฮโดรเจนที่แยกได้ไปทำให้เป็นของเหลว โดยการลดอุณหภูมิลงจนถึง -253 องศาเซลเซียส เพื่อนำไปบรรจุในถัง แต่วิธีนี้มีราคาแพง เพราะไฮโดรเจนที่ได้จะมีราคาแพงยิ่งกว่าน้ำมัน นอกจากนี้ ณ ที่อุณหภูมิต่ำมากของไฮโดรเจนเหลว จะทำให้เกิดปัญหาในการขนส่งและจัดเก็บ อีกทั้งยังสามารถติดไฟได้ง่ายด้วย เมื่อความจริงเป็นเช่นนี้ ภาพของไฮโดรเจนในสายตาคนทั่วไป จึงไม่สู้ดี

การทดลองขับเคลื่อนรถยนต์ด้วยน้ำมัน แสดงให้เห็นว่ารถยนต์มีความเร็วสูงสุดประมาณ 460 กิโลเมตร/ชั่วโมง ในขณะที่รถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์ไฟฟ้าไฮโดรเจนมีความเร็วสูงสุด 500 กิโลเมตร/ชั่วโมงเท่านั้นเอง นอกจากนี้ค่าเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ใช้ก็ยังสูงด้วย เมื่อเป็นเช่นนี้ก็จะไม่มีใครซื้อรถยนต์ไฮโดรเจน นอกจากจะถูกบังคับให้ซื้อ เพราะต้องการลดปัญหามลภาวะ ความแตกต่างที่มากที่สุดของรถไฮโดรเจนกับรถน้ำมันธรรมดา คือ การออกแบบถังเชื้อเพลิง เพราะถังรถไฮโดรเจนต้องมีขนาดใหญ่ เพื่อให้สามารถเก็บไฮโดรเจนเหลวได้นับร้อยลิตร ที่หนักประมาณ 60 กิโลกรัม ภายใต้ความดันประมาณ 5 บรรยากาศ ถ้ามีการเติมไฮโดรเจนเหลวให้เต็มถัง ไฮโดรเจนเหลวจำเป็นต้องมีใยอลูมิเนียมและใยแก้วหุ้ม รถยนต์จึงจะเดินทางได้ไกล 400 กิโลเมตร ในขณะที่รถน้ำมันธรรมดาจะไปได้ไกลกว่านั้นถึง 2 เท่า ดังนั้นในสภาพปัจจุบัน รถไฮโดรเจนจึงยังไม่ได้มีใช้มาก ในขณะที่รถขับเคลื่อนโดยแบตเตอรี่ไฟฟ้ากำลังเป็นที่นิยม


ปัญหาใหญ่ที่ต้องเอาชนะ คือ ไฮโดรเจนที่ใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์มิได้มาจากธรรมชาติ แต่มาจากการสังเคราะห์ ดังนั้นจึงต้องนำมาอัดเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำมาก อีกทั้งยังต้องอยู่ภายใต้ความดันสูง เพื่อนำมาทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในเซลล์เชื้อเพลิง เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าที่ใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ และนี่ก็คือข้อเสียเปรียบ ในขณะที่รถไฟฟ้าได้ไฟฟ้าโดยตรงจากแบตเตอรี่

และนี่ก็คือปัญหาวิจัยที่บริษัทยานยนต์ทั่วโลกกำลังทำการวิจัยและพัฒนาอยู่ แม้จะมีข้อด้อยมากมาย แต่เราก็ต้องยอมรับว่า เซลล์ไฟฟ้าไฮโดรเจนเป็นแบตเตอรี่ที่สะอาดที่สุดในโลก

อ่านเพิ่มเติมจาก Fuel Cells: Current Technology Challenges and Future Research Needs โดย Noriko Hikosaka Behling จัดพิมพ์โดย Elsevier Academic Press ปี 2012


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์