ท่อนาโนคาร์บอนสีเขียว เป็นความจริง หรือ การประชาสัมพันธ์ที่ดี

ตลาดวัสดุนาโน โดยเฉพาะนาโนคาร์บอน ยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงศักยภาพในการปลดล็อกทางเทคโนโลยีสำหรับยุคหน้าหลายอย่าง สิ่งที่โดดเด่นที่สุดสำหรับท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotubes; CNT) คือ การเข้าไปรวมตัวกันในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (lithium-ion) ดังที่เห็นได้จากยอดการผลิตเพิ่มขึ้นเพื่อตอบสนองตามความต้องการ ในขณะที่ผู้เล่นหลัก มีให้เห็นทั้งที่กำลังเข้าซื้อกิจการและขยายกิจการ ซึ่งจะนำไปสู่การรวมตลาดต่อไป

อย่างไรก็ตาม เมื่อกระแสนิยมด้านสิ่งแวดล้อมแรงขึ้น พร้อมกันนั้นก็มีคำถามที่ยังค้างคาอยู่ว่า CNT ยังเป็นวัสดุสีเขียวอยู่หรือไม่

รายงาน IDTechEx ฉบับใหม่ “Carbon Nanotubes 2023-2033: Market, Technology & Players” ได้นำเสนอภาพรวมที่ครอบคลุมตลาด CNT รวมถึงการประเมินขอบเขตการใช้งานหลักและผู้เล่นหลัก รวมทั้งคาดการณ์ตลาดในอีก 10 ปีอย่างละเอียด ทั้งความต้องการ CNT (tpa) และมูลค่าตลาด (US$) แบ่งตามพื้นที่การใช้งาน โดย IDTechEx คาดการณ์ว่าตลาดจะเติบโตตามตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่กำลังเติบโต โดยพิจารณาจากการใช้ CNT เป็นสารเติมแต่งให้มีสภาพนำทางไฟฟ้า

เมื่อพิจารณาถึงความเขียวโดยธรรมชาติของวัสดุ จุดเทียบประการแรก คือ การเปรียบเทียบกับวัสดุทางเลือก ในฐานะที่เป็นสารเติมแต่งคาร์บอน (เพื่อเพิ่มสภาพนำไฟฟ้า) CNT ควรนำไปเปรียบเทียบกับคาร์บอนแบล็ค (carbon black) และกราฟีน (graphene) ในแบบวัสดุสองมิติที่ได้รับความนิยมอย่างมาก

โดยทั่วไปแล้ว คาร์บอนแบล็คจะมีปริมาณ CO₂ ต่อกิโลกรัมสูงกว่ากราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน แต่ขณะเดียวกันก็มีภาระที่มากกว่าจากการที่ต้องประกอบขึ้นมาจากหลายส่วน โดยที่ยางรถยนต์นั้นถือเป็นกรณีการใช้งานที่สำคัญสำหรับวัสดุเหล่านี้ และจากการศึกษาของมิชลินในปี ค.ศ. 2020 แสดงให้เห็นว่า ยางรถยนต์ที่เสริมด้วย CNT นั้นมีการปล่อยอนุภาคนาโนต่ำกว่านาโนคาร์บอนทางเลือก

ส่วนวิธีการผลิตกราฟีนแบบ “บนลงล่าง” (top-down production) ก็มีปัญหาเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งประสิทธิภาพทางพลังงาน ความต้องการน้ำที่สูง และการใช้สารเคมีที่รุนแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตกราฟีนด้วยวิธีการของ Hummer ยังต้องเผชิญกับความท้าทายในระดับที่มีนัยสำคัญ

ในกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมสำหรับ CNT มีทั้งวิธีการระเหยด้วยเลเซอร์ และการปล่อยอาร์ก ในขณะที่การสะสมไอสารเคมี (CVD) ได้กลายเป็นกระบวนการเชิงพาณิชย์ที่โดดเด่นในปัจจุบัน ส่วนวิธีการเร่งปฏิกิริยา-CVD แบบดัดแปลง รวมทั้งวิธีการต่างๆ เหล่านั้น จะมีการใช้คาร์บอนมอนอกไซด์เป็นวัตถุดิบตั้งต้น อย่างไรก็ตาม ในพื้นที่เกิดใหม่สำหรับท่อนาโนคาร์บอน นั่นคือ การใช้ประโยชน์จากวัตถุดิบที่เป็นสีเขียวหรือจากของเสีย

อิเล็กโทรไลซิสของ CO₂ ที่ถูกจับในเกลือหลอมเหลวเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการผลิต CNT จากวัตถุดิบตั้งต้นสีเขียว อย่างไรก็ตาม ยังมีความกังวลเกี่ยวกับคุณภาพของวัสดุที่ผลิตในกระบวนการนี้

มีเทนไพโรไลซิส (methane pyrolysis) คือ การสลายตัวด้วยความร้อนโดยตรงของมีเทนให้เป็นไฮโดรเจนและคาร์บอนแบล็คที่เป็นของแข็ง (หรือนาโนคาร์บอน รวมถึง CNT) มีหลายบริษัท เช่น CarbonMeta Technologies และ Huntsman ต่างกำลังสำรวจการใช้ของเสียหรือผลพลอยได้จากมีเทนเป็นวัตถุดิบตั้งต้น โดยล็อคการปล่อยคาร์บอนได้อย่างมีประสิทธิผล ด้วยการทำให้อยู่ในรูปแบบทางกายภาพแทนที่จะปล่อยก๊าซเรือนกระจกออกไป

อีกด้านหนึ่งของห่วงโซ่คุณค่า ท่อนาโนคาร์บอนมีความเป็นไปได้ที่จะใช้เทคโนโลยีสีเขียวได้หลายชนิด โดยเฉพาะในพื้นที่การใช้งาน อย่างเช่น คอนกรีต เมมเบรน และแม้แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ล้วนมีตัวขับเคลื่อนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอยู่แล้ว และยังมีการสำรวจวิธีการที่อยู่บนพื้นฐานของ CNT อีกด้วย อย่างไรก็ตาม ภาคตลาดหลักสำหรับ CNT ในการเป็นเทคโนโลยีสีเขียว นั่นก็คือ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างไม่ต้องสงสัย

การทำให้คาร์บอนลดลง ถือเป็นตัวขับเคลื่อนการพัฒนาทางไฟฟ้าของยานยนต์ ตลาดลิเธียมไอออนจึงอยู่ในช่วงเฟื่องฟูในตอนนี้ โดย CNT มีบทบาทสำคัญจากการเป็นสารเติมแต่งให้เกิดสภาพนำไฟฟ้า ซึ่งโดยส่วนใหญ่นำไปใช้เป็นแคโทด ที่เป็นส่วนหนึ่งของสารละลายข้นที่มีสภาพนำไฟฟ้า

จากการเผยแพร่ผลการศึกษาเชิงวิชาการหลายฉบับ ได้ชี้ให้เห็นถึงบทบาทของท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (single-walled carbon nanotubes; SWCNT) ที่จะนำไปสู่การใช้งานแบตเตอรี่รุ่นต่อไป เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศ (lithium-air) หรือแบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ (lithium-sulfur) รวมถึงขั้วแอโนดที่เป็นโลหะลิเธียม

ถึงตรงนี้แล้ว เราควรพิจารณาว่าท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างแท้จริงได้หรือไม่ ซึ่งเราต้องมองในทุกแง่มุมของวงจรชีวิต ตั้งแต่วัตถุดิบตั้งต้น ไปจนถึงกระบวนการผลิต และการใช้งานในที่สุด ขณะเดียวกัน ยังจำเป็นต้องเปรียบเทียบกับสารเติมแต่งคาร์บอนชนิดอื่นๆ ที่นำมาใช้เพื่อการนำไฟฟ้าอีกด้วย รวมถึงการเปรียบเทียบมาตรฐานของวัสดุที่ผลิตจากวัตถุดิบตั้งต้น และกระบวนการต่างๆ ซึ่งหลายบริษัทมีความกระตือรือร้นในการแสดงหลักฐานการเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของวัสดุของตน

แต่อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ต้องระมัดระวังภายใต้ความเป็นสีเขียว ที่ต้องนำมาพิจารณาด้วยเสมอก็คือ ประสิทธิภาพ ระดับราคา หรือตัวชี้วัดอื่นๆ ที่สามารถนำไปเทียบเคียงได้กับวิธีการผลิตแบบดั้งเดิม

ที่มา: IDTechEx