น้ำพลาสมา (Plasma Activated Water) กับการให้ธาตุอาหารพืช: ตรึงไนโตรเจนจากอากาศได้จริงแค่ไหน

น้ำพลาสมา หรือ Plasma Activated Water (PAW) คือน้ำที่ผ่านการกระตุ้นด้วยพลาสมาเย็นจนมีสารประกอบไนโตรเจนในรูปที่ละลายน้ำและพืชดูดซึมได้ เกิดขึ้นโดยใช้เพียงอากาศ น้ำ และไฟฟ้า ไม่ต้องใช้แอมโมเนียเป็นวัตถุดิบตั้งต้น

คำถามที่ผู้ประกอบการถามทันทีคือ มันแทนปุ๋ยยูเรียได้ไหม คำตอบตรงไปตรงมาคือ ในระดับที่งานวิจัยไปถึงวันนี้ ยังไม่ได้ในระดับสายการผลิต (production line) จริง และบทความนี้อธิบายว่าติดตรงไหน

เหตุผลที่ยังควรติดตามเรื่องนี้คือโครงสร้างต้นทุนของปุ๋ยไนโตรเจนกำลังเปลี่ยน และ PAW เป็นหนึ่งในไม่กี่ทางที่ผลิตไนโตรเจนได้ที่หน้างานโดยไม่ต้องนำเข้า

01ทำไมโจทย์ไนโตรเจนถึงกลายเป็นเรื่องใหญ่

ระบบเกษตรทั่วโลกพึ่งพาปุ๋ยไนโตรเจนสังเคราะห์ที่ผลิตจากกระบวนการ Haber-Bosch ในระดับที่ราคาก๊าซธรรมชาติและการเมืองระหว่างประเทศส่งผลถึงต้นทุนการผลิตอาหารโดยตรง

ในด้านคาร์บอน สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศรายงานว่าอุตสาหกรรมแอมโมเนีย ซึ่งเป็นวัตถุดิบหลักของปุ๋ยไนโตรเจน คิดเป็นราวร้อยละ 1.3 ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั่วโลก และการผลิตแอมโมเนียหนึ่งตันใช้พลังงานในระดับ 30 ถึง 35 จิกะจูล พร้อมปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ราว 1.8 ตัน

ประเทศไทยนำเข้ายูเรียและปุ๋ยไนโตรเจนอื่นในระดับหลายล้านตันต่อปี ความผันผวนของราคาในตลาดโลกช่วงปี 2564 ถึง 2566 กระทบต้นทุนของเกษตรกรไทยอย่างชัดเจน ในเวลาเดียวกันยุทธศาสตร์เศรษฐกิจชีวภาพ เศรษฐกิจหมุนเวียน และเศรษฐกิจสีเขียว ก็ผลักให้มองหาแหล่งไนโตรเจนที่ผลิตได้ในประเทศและมีรอยเท้าคาร์บอนต่ำกว่าเดิม

อีกแรงกดดันที่กำลังมาถึงคือกลไกปรับคาร์บอนก่อนข้ามพรมแดนของสหภาพยุโรป ซึ่งจะทำให้ผลิตภัณฑ์เกษตรที่ใช้ปุ๋ยคาร์บอนสูงมีต้นทุนเพิ่มเมื่อส่งออกไปตลาดยุโรป ผู้ส่งออกสินค้าเกษตรพรีเมียมจึงเริ่มมองหาทางเลือกที่สำแดงการลดคาร์บอนได้

02น้ำพลาสมาเกิดขึ้นอย่างไร

เมื่อพลาสมาเย็นทำปฏิกิริยากับผิวน้ำ หรือเกิดขึ้นที่รอยต่อระหว่างแก๊สกับน้ำโดยตรง ไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศจะถูกแตกตัวแล้วรวมตัวกันใหม่ในน้ำ ได้เป็นไนเตรต (nitrate) ที่ละลายอยู่ในน้ำ พร้อมกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (hydrogen peroxide) และอนุภาคที่มีฤทธิ์อื่น ๆ

ไนเตรตคือรูปของไนโตรเจนที่รากพืชดูดซึมได้โดยตรง นี่คือเหตุผลเชิงเคมีที่ทำให้ PAW ถูกมองเป็นแหล่งไนโตรเจนที่เป็นไปได้

จุดที่ต้องเข้าใจให้ตรงคือ PAW ไม่ใช่ปุ๋ยเข้มข้น ความเข้มข้นของไนโตรเจนที่ได้จากระบบพลาสมาขนาดห้องปฏิบัติการอยู่ในระดับที่ต่ำกว่าปุ๋ยยูเรียเชิงพาณิชย์อย่างมีนัยสำคัญ การจะใช้ให้ได้ปริมาณไนโตรเจนเทียบเท่ากันต่อพื้นที่จึงต้องใช้น้ำในปริมาณมาก หรือต้องมีระบบผลิตที่ใหญ่กว่าที่มีอยู่ตอนนี้

อีกหนึ่งข้อจำกัดคือความคงตัว อนุภาคที่ให้ฤทธิ์ใน PAW เปลี่ยนแปลงตามเวลาและตามสภาวะการเก็บ การขนส่งในระบบกระจายสินค้าแบบปุ๋ยทั่วไปจึงยังไม่ใช่รูปแบบที่ใช้ได้ โดยธรรมชาติของมันแล้ว PAW เหมาะกับการผลิตที่จุดใช้งานมากกว่าการซื้อมาเก็บไว้

03งานวิจัยไปถึงไหนแล้ว

แนวคิดที่น่าสนใจที่สุดในกลุ่มนี้คือระบบที่ทำงานสองหน้าที่ คือใช้กระแสคาร์บอนไดออกไซด์จากภาคอุตสาหกรรมเป็นวัตถุดิบไปพร้อมกับการผลิตน้ำพลาสมา ซึ่งถ้าทำได้จริงในระดับที่ใหญ่พอ จะเปลี่ยนสมการต้นทุนไปทั้งชุด

อีกด้านหนึ่งที่งานวิจัยรายงานตรงกันคือ PAW ทำหน้าที่ได้มากกว่าหนึ่งอย่าง นอกจากเป็นแหล่งไนโตรเจน มันยังลดเชื้อที่ติดมากับวัสดุพืชได้ในเวลาเดียวกัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ปุ๋ยทั่วไปไม่มี

สิ่งที่ยังขาดคือการทดสอบแปลงเปรียบเทียบกับยูเรียหลายฤดูกาลในสภาวะปลูกของประเทศไทย ซึ่งเป็นงานที่ต้องใช้เวลาและไม่มีทางลัด

04ทำไม TIBD ยังไม่ประกาศเป็นบริการเชิงพาณิชย์

การประกาศว่าทดแทนยูเรียได้กี่เปอร์เซ็นต์ก่อนผ่านสี่ข้อนี้ จะเป็นคำมั่นที่หลักฐานยังตามไม่ทัน ซึ่งเป็นความเสี่ยงที่ทั้งผู้ให้และผู้รับไม่ควรรับ

05ใครที่เหมาะจะเป็นคู่ค้าวิจัยในเรื่องนี้

กลุ่มที่ไม่เหมาะคือผู้ที่ต้องการซื้อ PAW เป็นปุ๋ยพร้อมใช้ในฤดูกาลนี้ เพราะนั่นยังไม่ใช่สิ่งที่เทคโนโลยีอยู่ในจุดที่ส่งมอบได้

06โครงการวิจัยเดินอย่างไร

เริ่มจากการตรวจวัดคุณสมบัติของน้ำตั้งต้นที่จะใช้ผลิต ทั้งค่าความเป็นกรดด่าง (pH) ค่าการนำไฟฟ้า (electrical conductivity) ความเข้มข้นของไอออนพื้นฐาน และคุณภาพทางจุลชีววิทยา รวมถึงวัดองค์ประกอบทางเคมีก่อนและหลังผ่านกระบวนการพลาสมา เพราะน้ำที่ต่างกันให้ผลต่างกัน

จากนั้นเข้าสู่การศึกษาประสิทธิภาพเบื้องต้น ทั้งการวิเคราะห์ทางเคมีในห้องปฏิบัติการและการทดลองกับพืชเป้าหมายในขนาดกระถาง เพื่อสร้างชุดข้อมูลก่อนตัดสินใจขยายขนาด ผลที่ได้ไม่ใช่คำรับประกันผลผลิตที่จะเพิ่มขึ้นหรืออัตราการทดแทนยูเรียในระดับแปลง

เมื่อผลสนับสนุน จึงออกแบบเครื่องผลิตน้ำพลาสมาตามอัตราการไหลและสภาวะที่คู่ค้าต้องการ พร้อมคู่มือปฏิบัติงานและการฝึกอบรมทีม

การตรวจสอบดำเนินการโดย VISBIO ในฐานะผู้ตรวจสอบอิสระ ครอบคลุมการวิเคราะห์ทางเคมีของน้ำพลาสมา ความคงตัวของฤทธิ์ตามเวลา และการทดลองการเจริญเติบโตของพืชเทียบกับกลุ่มควบคุม

07สรุป สี่ข้อก่อนตัดสินใจ

08คำถามที่พบบ่อย

น้ำพลาสมาแทนปุ๋ยยูเรียได้เลยหรือไม่

ยังไม่ได้ในระดับสายการผลิตจริง ความเข้มข้นของไนโตรเจนที่ผลิตได้จากระบบปัจจุบันยังต่ำกว่าปุ๋ยเชิงพาณิชย์มาก สิ่งที่พอเป็นไปได้ในระยะใกล้คือการใช้เสริมในระบบที่มีการให้น้ำอยู่แล้ว มากกว่าการทดแทนเต็มรูปแบบ

เก็บน้ำพลาสมาไว้ได้นานแค่ไหน

ฤทธิ์ลดลงตามเวลา และอัตราการลดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ภาชนะ และแสง จึงต้องกำหนดอายุการใช้งานจากผลการทดสอบของแต่ละระบบ ไม่ใช่ตัวเลขกลาง โดยทั่วไปรูปแบบที่ใช้ได้จริงคือผลิตแล้วใช้เลยที่หน้างาน

ผลิตเองที่ฟาร์มได้ไหม

ในเชิงหลักการได้ เพราะวัตถุดิบคืออากาศ น้ำ และไฟฟ้า แต่ขนาดของระบบที่จะให้ปริมาณเพียงพอต่อพื้นที่จริงยังเป็นโจทย์ทางวิศวกรรมที่ต้องออกแบบเฉพาะราย ไม่ใช่เครื่องสำเร็จรูปที่ซื้อมาติดตั้งได้ทันที

ใช้กับเกษตรอินทรีย์ได้หรือไม่

เนื่องจากไม่มีการเติมสารสังเคราะห์เข้าไปในระบบ โดยหลักการจึงสอดคล้องกับแนวทางเกษตรอินทรีย์ แต่เพราะยังไม่มีกรอบการขึ้นทะเบียนเฉพาะในประเทศ การใช้ในระบบที่ต้องรักษาใบรับรองจึงต้องหารือกับหน่วยรับรองก่อนเสมอ

09คุยโจทย์ของคุณกับทีม TIBD

ถ้าคุณอยู่ในธุรกิจปุ๋ยหรือปัจจัยการผลิต และสนใจเส้นทางไนโตรเจนจากอากาศ เรื่องนี้ยังเป็นงานวิจัยร่วม ไม่ใช่สินค้าที่พร้อมส่งมอบ

TIBD ทำงานร่วมกับนักวิจัยและเจ้าของเทคโนโลยี เพื่อให้งานวิจัยเดินต่อจากห้องปฏิบัติการไปถึงสายการผลิตจริง สิ่งแรกที่เราทำคือประเมินร่วมกันว่าโจทย์ของคุณเหมาะกับเทคโนโลยีนี้จริงหรือไม่ ถ้าประเมินแล้วไม่เหมาะ เราจะบอกตั้งแต่ต้น

ทักไลน์ @tibdglobal หรือกรอกแบบฟอร์มที่ tibdglobal.com/contact แล้วเล่าโจทย์ในกระบวนการของคุณมาได้เลย