โครงตาข่ายนาโน S-COFs ช่วยดักจับยูเรเนียมจากน้ำทะเลได้แม่นยำขึ้น

เวลาที่เราไปเดินเล่นริมชายหาดแล้วตักน้ำทะเลขึ้นมาสักถังหนึ่ง หลายคนอาจนึกถึงเกลือ แร่ธาตุ หรือเม็ดทรายเล็ก ๆ ที่ปะปนอยู่ในน้ำทะเลเท่านั้น แต่ในน้ำทะเลสีครามนั้นยังมี “ยูเรเนียม” ละลายอยู่ในปริมาณเจือจางมากด้วย

หากมองรวมทั้งมหาสมุทรทั่วโลก มีการประเมินว่ายูเรเนียมในน้ำทะเลมีอยู่ราว 4.5 พันล้านตัน มากกว่าทรัพยากรยูเรเนียมบนบกหลายเท่า แต่ปัญหาใหญ่คือความเข้มข้นต่ำมาก เฉลี่ยเพียงประมาณ 3 ไมโครกรัมต่อน้ำทะเล 1 ลิตร ทำให้การสกัดออกมาใช้จริงยังเป็นเรื่องยากและมีต้นทุนสูง

งานวิจัยล่าสุดในกลุ่มวัสดุนาโนจึงได้รับความสนใจ เพราะนักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบโครงสร้างโมเลกุลชนิดใหม่ที่ช่วยจับไอออนยูเรเนียมในน้ำทะเลได้ดีขึ้น และอาจเป็นอีกก้าวหนึ่งของการพัฒนาแหล่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จากมหาสมุทรในอนาคต

เจาะลึกนวัตกรรม S-COFs กับดักโมเลกุลสุดแม่นยำ

ความก้าวหน้านี้มาจากงานวิจัยของทีมนักวิทยาศาสตร์ที่พัฒนา “โครงตาข่ายอินทรีย์แบบโคเวเลนต์” หรือ Covalent Organic Frameworks ในกลุ่ม S-COFs เพื่อใช้เป็นวัสดุดักจับยูเรเนียมโดยเฉพาะ

หัวใจสำคัญไม่ได้อยู่แค่การสร้างวัสดุที่มีรูพรุน แต่เป็นการควบคุมการเรียงตัวของโครงสร้างในระดับโมเลกุลให้พอดีกับไอออนยูเรนิล ซึ่งเป็นรูปแบบของยูเรเนียมที่ละลายอยู่ในน้ำทะเล

ปรับการเรียงชั้นแบบสลับ หรือ AB stacking: ทีมวิจัยเปลี่ยนจากการวางชั้นโมเลกุลซ้อนกันตรง ๆ แบบเดิม มาเป็นการจัดเรียงแบบสลับชั้น ทำให้เกิดช่องว่างขนาดจิ๋วราว 0.9 นาโนเมตร ขนาดนี้เหมาะกับการรองรับไอออนยูเรนิลได้พอดีมากขึ้น

ล็อกได้แน่นกว่าเดิม: โครงสร้างที่ออกแบบใหม่นี้ช่วยให้หมู่ฟังก์ชันในวัสดุจับกับยูเรเนียมได้หลายตำแหน่งในคราวเดียว งานวิจัยรายงานว่าความสามารถในการยึดจับสูงกว่ารูปแบบการเรียงชั้นเดิมอย่างมาก

ลดปัญหาโลหะชนิดอื่นเข้ามาแย่งจับ: ในน้ำทะเลจริงไม่ได้มียูเรเนียมเพียงอย่างเดียว แต่ยังมีไอออนโลหะอื่น ๆ รวมอยู่ด้วย เช่น วาเนเดียม ซึ่งมักเป็นตัวรบกวนในการสกัดยูเรเนียม วัสดุ S-COFs แบบใหม่นี้จึงน่าสนใจตรงที่มีความจำเพาะต่อยูเรเนียมมากขึ้น

จากการทดสอบในน้ำทะเลธรรมชาติ วัสดุ S-COFs แบบ AB-stacked สามารถดักจับยูเรเนียมได้ 31.5 มิลลิกรัมต่อวัสดุ 1 กรัม ภายใน 1 วัน ตัวเลขนี้ถือว่าสูงมากเมื่อเทียบกับงานวิจัยในกลุ่มวัสดุดูดซับยูเรเนียมจากน้ำทะเล และทำให้แนวคิดการใช้มหาสมุทรเป็นแหล่งยูเรเนียมระยะยาวกลับมาได้รับความสนใจอีกครั้ง

ยูเรเนียมที่ได้จากกระบวนการลักษณะนี้ยังไม่ใช่เชื้อเพลิงพร้อมใช้ทันที แต่เป็นวัตถุดิบตั้งต้นที่ต้องผ่านขั้นตอนทางนิวเคลียร์เชื้อเพลิงต่อไป เช่น การแปรรูปและการเสริมสมรรถนะ ก่อนจะนำไปใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบฟิชชันได้

ความท้าทายในโลกความจริง: คุ้มค่ากับการลงทุนหรือยัง?

แม้งานวิจัยจะให้ผลน่าสนใจในระดับห้องปฏิบัติการและการทดสอบกับน้ำทะเลจริง แต่หากถามว่าเทคโนโลยีนี้พร้อมสำหรับโรงงานสกัดยูเรเนียมเชิงพาณิชย์แล้วหรือไม่ คำตอบยังคงเป็น “ยังไม่ถึงจุดนั้น”

ข้อจำกัดสำคัญไม่ได้อยู่ที่วัสดุเพียงอย่างเดียว แต่อยู่ที่ระบบวิศวกรรมทั้งหมด เพราะยูเรเนียมในน้ำทะเลมีความเจือจางมาก การจะได้ปริมาณที่คุ้มค่าต้องให้น้ำทะเลมหาศาลไหลผ่านวัสดุดักจับ หากใช้การปั๊มน้ำจำนวนมาก ต้นทุนพลังงานและค่าเดินระบบอาจสูงจนไม่คุ้มกับยูเรเนียมที่ได้กลับมา

ด้วยเหตุนี้ แนวทางที่นักวิจัยและวิศวกรให้ความสนใจมากขึ้นคือระบบสกัดแบบอาศัยกระแสน้ำธรรมชาติ หรือ passive extraction เช่น การนำวัสดุดูดซับไปติดตั้งในทะเล แล้วปล่อยให้น้ำทะเลไหลผ่านเองตามธรรมชาติ แทนการใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อสูบน้ำเข้าระบบ

อีกโจทย์ใหญ่คือความทนทานของวัสดุ เพราะน้ำทะเลมีความเค็ม มีสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก และมีการกัดกร่อนตลอดเวลา วัสดุที่ใช้จริงจึงต้องรับมือได้ทั้งเรื่องประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน การนำกลับมาใช้ซ้ำ และต้นทุนการดูแลในทะเลเปิด

โครงตาข่ายนาโน S-COFs จึงยังไม่ใช่คำตอบสำเร็จรูปของพลังงานนิวเคลียร์จากทะเลในวันนี้ แต่เป็นก้าวสำคัญที่ช่วยให้เห็นว่า การดักจับยูเรเนียมจากน้ำทะเลอาจทำได้แม่นยำและมีประสิทธิภาพขึ้นกว่าเดิมมาก หากวันหนึ่งสามารถแก้โจทย์เรื่องต้นทุน ระบบติดตั้ง และความทนทานของวัสดุได้ มหาสมุทรอาจกลายเป็นแหล่งยูเรเนียมระยะยาวที่มีบทบาทต่ออนาคตของพลังงานนิวเคลียร์มากขึ้น