การพัฒนาชุดอุปกรณ์เก็บกักพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นข้าว
- ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
วรัญญา นามนัด, ชนิกานต์ เนาวรัตน์, รัชนีกร เกิดตลาดแก้ว
- อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
กุลธิดา สุวัชระกุลธร, สราวุธ แท่นจินดารัตน์
- โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์
- ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์
การผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพ (Microbial Fuel Cell; MFC) เป็นหนึ่งทางเลือกที่กำลังได้รับความสนใจ และในช่วงหลายปีที่ผ่านมาได้มีการวิจัยและพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพโดยการนำพืชเข้ามาช่วยในการศึกษา เรียกว่า “เซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นพืช” หรือ “Plant Microbial Fuel Cell; PMFC” (ณัฐวุฒิ คล้ายสงคราม, 2558) โดยกลไกการผลิตกระแสไฟฟ้าของ MFC และ PMFC มีกลไกที่เหมือนกัน แต่ PMFC เป็นระบบที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าทางชีวภาพจากสารอินทรีย์ที่ใช้ต้นพืชเข้ามาช่วยในการผลิต โดยกระบวนการ Rhizodeposits ที่บริเวณรอบๆ รากพืช กลไกดังกล่าวอาศัยสารอินทรีย์ (C6H12O6) จากกระบวนสังเคราะห์แสงของพืชซึ่งส่งผ่านสารอินทรีย์บางส่วนไปยังรากพืช จุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่บริเวณรอบๆ รากพืชจะทำการย่อยสลายสารอินทรีย์ดังกล่าว ทำให้เกิดการปลดปล่อยโปรตอน (H+) และอิเล็กตรอน (e-) โดยจุลินทรีย์เป็นแบคทีเรียนในกลุ่ม “Electro-Chemical Active Bacteria” จากนั้นรากพืชจะทำหน้าที่เสมือนเมมเบนในการลำเลียงโปรตอนไปยังขั้วแคโทด ส่วนอิเล็กตรอนจะถูกรีดิวส์ด้วยขั้วแอโนดและเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วแคโทด ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์เป็นน้ำ (H2O) เกิดขึ้น (Gowtham and Sundar, 2015) หรือกล่าวได้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นพืช (PMFC) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านการออกซิเดชันของกระบวนการ Rhizodeposits โดยการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแบคทีเรีย นั่นเอง (Timmers and et al., 2010)
จากการศึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์ของวรัญญา วรจิตร และจุฑาภัทร รู้งาน (2559) นักเรียนโรงเรียนมาบตาพุดพันพิทยาคาร จังหวัดระยอง ที่ศึกษาเรื่อง “การผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นข้าว” ผลของปัจจัยภายนอก ได้แก่ ขนาดของขั้วเซลล์ไฟฟ้า ระยะห่างระหว่างขั้วเซลล์ไฟฟ้า และความหนาของขั้วเซลล์ไฟฟ้าที่มีผลต่อความต่างศักย์และความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นพืช และศึกษาแนวทางการนำเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นพืชไปใช้ประโยชน์ โดยในการศึกษาครั้งนี้พืชที่ใช้ คือ ข้าว และใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพแบบห้องเดี่ยว (Single Chamber Microbial Fuel Cell) ทำจากขวดพลาสติกขนาด 1.5 ลิตร จากผลการศึกษาพบว่า ค่าทางไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นข้าวมีค่าน้อยมาก ไม่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้
ดังนั้นในการศึกษาครั้งนี้ ผู้จัดทำจึงสนใจที่จะต่อยอดโครงงานวิทยาศาสตร์เรื่องดังกล่าว โดยพัฒนาชุดอุปกรณ์เก็บกักพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นข้าวให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โวลต์ต่ำผ่านช่อง USB ได้ โดยชุดอุปกรณ์เก็บกักพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงจุลชีพจากต้นข้าว ประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก 2 ส่วน คือ 1) โมดูลเก็บสะสมพลังงานไฟฟ้า และ 2) โมดูลเพิ่มแรงดันไฟฟ้า นอกจากนี้ในการศึกษาครั้งนี้มีการพัฒนาเครื่องมือวัดค่าทางไฟฟ้าโดยใช้บอร์ดสมองกลฝังตัว KidBright ในการสั่งงานเซนเซอร์วัดแรงดันไฟฟ้า (Voltage Sensor Module) และเซนเซอร์วัดกระแสไฟฟ้า (Current Sensor Module) เพื่อใช้ทดแทน Data Logger ในการเก็บข้อมูลด้วย