ไม่ว่าคุณจะชิงชังเจ้าพลังงานสกปรกนี้ขนาดไหน แต่เชื้อเพลิงฟอสซิลกำลังผลิตอาหารเลี้ยงดูคนบนโลกเกือบครึ่ง
ตั้งแต่ช่วงศตวรรษที่ 18 จนถึงกลางทศวรรษ 1960 ผู้เชี่ยวชาญหลายคนเชื่อและวิตกว่าจะเกิดปัญหาประชากรล้นโลก และผู้คนจะอดอยากล้มตาย (คุณก็อาจเคยเห็นในหนังอยู่บ้าง) ความกลัวที่ว่าอาจไม่ได้เกินเลยอะไร เมื่อคิดว่าในเวลานั้น โลกยังไม่รู้จักสิ่งมหัศจรรย์สิ่งหนึ่ง
ผลผลิตการเกษตรที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดหล่อเลี้ยงคน 7 พันล้านกว่าคนให้มีชีวิตบนโลกใบนี้ ผลผลิตต่อไร่ทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตั้งแต่ปี 1900 เช่น ผลผลิตข้าวสาลี ข้าวบาร์เลย์ และข้าวโอ๊ต เพิ่มขึ้นเป็น 3-4 เท่า ในอังกฤษ หรือ ผลผลิตข้าวโพดเพิ่มขึ้นเป็น 5 เท่า ในสหรัฐอเมริกา
อะไรทำให้เกิดการก้าวกระโดดนี้
จริงๆ ก็หลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นการคัดพันธุ์พืชที่ให้ผลผลิตสูง การชลประทานที่ดี เทคนิคการเกษตรที่พัฒนาขึ้น และที่ขาดไม่ได้ก็คือ ปุ๋ยไนโตรเจน
ปุ๋ยไนโตรเจน
นอกจากแสงแดด คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำแล้ว พืชต้องใช้สารอาหารอย่างไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และโพแทสเซียม ในการเจริญเติบโต และหลายครั้งก็เป็นไนโตรเจนที่ไม่เพียงพอนี่แหละที่ทำให้พืชเติบโตได้ไม่เต็มที่
แม้ว่าในอากาศจะเต็มไปด้วยไนโตรเจน (มากกว่า 78%) แต่ก็อยู่ในรูปแบบที่พืชเอามาใช้ไม่ได้ เราเลยต้องใช้ปุ๋ยไนโตรเจน
ทุกวันนี้เราใส่ปุ๋ยสังเคราะห์ไนโตรเจนเพื่อการเกษตรปีละ 100 กว่าล้านตัน ถ้าไม่มีปุ๋ยนี้ คาดว่าผลผลิตจะหายไปเกือบครึ่ง นั่นหมายความว่าผู้คนครึ่งนึงจะไม่มีอาหารกิน หรือไม่งั้นเราก็ต้องทำลายป่าไม้จำนวนมากเพื่อเปลี่ยนมาเป็นพื้นที่เกษตรเพิ่มเติม
แล้วปุ๋ยไนโตรเจนนี้มาจากไหนล่ะ
กระบวนการฮาเบอร์-บ็อช (Haber-Bosch)
ในปี 1909 ฟริทซ์ ฮาเบอร์ (Fritz Haber) นักเคมีชาวเยอรมันพัฒนากระบวนการดึงไนโตรเจน (N2) ในอากาศ มาประกบกับไฮโดรเจน (H2) เพื่อผลิตแอมโมเนีย (NH3) ได้ในห้องแล็บ ในปีต่อมา คาร์ล บ็อช (Carl Bosch) ก็พัฒนากระบวนการนี้ให้ผลิตได้ในระดับอุตสาหกรรม [ N2 + 3H2 = 2NH3 ]
แอมโมเนียนี้แหละมีไนโตรเจนแบบที่พืชต้องการ (เคยได้ยินปุ๋ยแอมโมเนียไหมครับ) นอกจากนั้นยังเอาไปทำระเบิดได้อีก (ซึ่งตอนนั้นเกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 พอดีและก็ถูกเอาไปใช้จริงๆ)
ก่อนหน้าที่โลกจะผลิตแอมโมเนียจำนวนมากได้แบบนี้ เราจะต้องขุดแร่ที่มีโซเดียมไนเตรทมาทำเป็นปุ๋ย ซึ่งแน่นอนว่ามีจำนวนจำกัด หรือไม่ก็ปลูกพืชตระกูลถั่วเพราะมันดึงไนโตรเจนในอากาศมาเก็บไว้ในดินได้ แต่พอมีกระบวนการฮาเบอร์-บ็อช โลกก็ผลิตอาหารได้เพียงพอ
จริงๆ แล้วครึ่งหนึ่งของไนโตรเจนในร่างกายคุณก็น่าจะมาจากกระบวนการฮาเบอร์-บ็อชนี่แหละ!
เอาล่ะ ตอนนี้ทุกอย่างเหมือนจะแฮปปี้เอ็นดิ้ง แต่…เรื่องราวยังไม่จบแค่นี้น่ะสิ
กระบวนการฮาเบอร์-บ็อช ต้องใช้ไฮโดรเจนจำนวนมาก ไฮโดรเจนพวกนี้มาจากไหน และการกระหน่ำใส่ปุ๋ยไนโตรเจนเพื่อการเกษตรมีผลเสียอะไรบ้างหรือเปล่า
ปุ๋ยทำให้โลกร้อนและทำลายสิ่งแวดล้อมยังไง
ถ้าคุณอ่านมาถึงตรงนี้ คุณอาจงงว่าที่เล่ามาตั้งนานมันเกี่ยวกับเชื้อเพลิงฟอสซิลตรงไหน
คำตอบอยู่ที่ ไฮโดรเจนที่เอามาผลิตแอมโมเนีย ที่มากกว่า 95% ผลิตจากกระบวนการ SMR (steam methane reforming) ซึ่งใช้ก๊าซเมธเทนเป็นหลัก กระบวนการนี้ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมามหาศาล
นอกจากคาร์บอนไดออกไซด์จากกระบวนการ SMR แล้ว ที่ดินเกษตรที่ใส่ปุ๋ยไนโตรเจนยังปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์ (N2O) ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่รุนแรงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ 265 เท่า ออกมาเยอะมากด้วย (ผลงานของแบคทีเรียในดิน)
ตั้งแต่กระบวนการผลิต ไปจนถึงสารไนโตรเจนตกค้างในระบบนิเวศ การใช้ปุ๋ยไนโตรเจนปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั้งหมด 2% กว่าๆ ของก๊าซเรือนกระจกทั้งหมด
นอกจากปัญหาโลกร้อนแล้ว การใช้ปุ๋ยไนโตรเจนที่มากเกิน ยังทำให้ส่งผลให้เกิดไนโตรเจนตกค้างและไหลสู่แม่น้ำหรือทะเล สร้างมลภาวะไนโตรเจน ทำให้เกิดการขยายพันธุ์ของสาหร่าย (algae bloom) เกิดเขตมรณะ (dead zone) ในทะเลอีก อย่างเช่นในอ่าวเม็กซิโก
จริงอยู่ที่ยิ่งได้ไนโตรเจนเยอะพืชก็ยิ่งเติบโตได้ดี แต่พืชก็ใช้ไนโตรเจนได้จำกัด ใส่ปุ๋ยเยอะเกิน พืชก็ใช้ได้ไม่หมดอยู่ดี ประสิทธิภาพการใช้ไนโตรเจน (nitrogen use efficiency, NUE) วัดสัดส่วนของไนโตรเจนที่พืชเอาไปใช้เทียบกับปริมาณที่ใส่ลงไป ค่า NUE ยิ่งมากก็ยิ่งดี แปลว่าพืชเอาไนโตรเจนไปใช้ได้เยอะและเหลือไนโตรเจนตกค้างสร้างมลภาวะน้อย ฝรั่งเศสหรือไอร์แลนด์ใช้ไนโตรเจนอย่างมีประสิทธิภาพ โดยค่า NUE มากถึง 70%-80% ส่วนค่า NUE ของจีนอยู่ที่ 32% ของไทยอยู่ที่ 38%
การเทียบค่า NUE ตรงๆ อาจจะไม่แฟร์เท่าไหร่ เพราะประสิทธิภาพการใช้ไนโตรเจนแปรเปลี่ยนไปตามสภาพภูมิอากาศและพืชที่ปลูก ดังนั้นปกติแล้วเวลาจะดูว่าประเทศไหนสร้างไนโตรเจนตกค้างเยอะเป็นพิเศษก็จะต้องเปรียบเทียบค่า NUE กับประเทศเพื่อนบ้าน สิ่งที่น่าตกใจก็คือ พอดูแผนที่โลกแล้ว ประเทศไทยนี่สีแดงแป๊ด แสดงว่าเทียบกับ ลาว (NUE = 69%) พม่า (NUE = 60%) กัมพูชา (NUE = 48%) หรือ มาเลเซีย (NUE = 262% อันนี้คือใส่ปุ๋ยน้อยเกิน) แล้ว เราแพ้หมด
แล้วจะแก้ปัญหายังไงได้บ้าง
จะแก้ปัญหาแบบเบ็ดเสร็จ เอาจริงๆ คงยาก ยังไงซะเราก็มีประชากรโลกที่ต้องเลี้ยงดู
สำหรับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากจากกระบวนการ SMR เพื่อผลิตไฮโดรเจน ทางเทคนิคแล้ว เราหลีกเลี่ยงได้ เพราะถ้าเราใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสแยกไฮโดรเจนกับออกซิเจนจากน้ำแทนได้ ก็ไม่ต้องปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ แต่กระบวนการนี้ต้องใช้ไฟฟ้า ดังนั้นถ้าเราผลิตไฟฟ้าจากพลังงานสะอาดได้มากพอ ปัญหานี้ก็พอแก้ได้
ส่วนไนตรัสออกไซด์ที่ออกมาจากดิน จะกำจัดให้หมดนั้นก็คงยาก อย่างมากก็ทำได้แค่พยามใส่ปุ๋ยให้พอเหมาะ ให้ได้ค่า NUE มากที่สุด ไม่ใส่มากเกิน แต่ก็ไม่น้อยลงจนทำให้ผลผลิตลดลง
การใช้ปุ๋ยพอเหมาะนอกจากจะลดการปล่อยไนตรัสออกไซด์แล้ว ยังทำให้ไนโตรเจรตกค้างน้อยลงและลดปัญหามลภาวะไนโตรเจนไปด้วย
อีกวิธีที่ช่วยได้ก็คือการใช้ปุ๋ยคอก (มูลสัตว์) แทนปุ๋ยสังเคราะห์ให้มากที่สุด ยังไงซะตอนนี้เราก็มีปศุสัตว์เยอะแยะอยู่แล้ว วิธีแก้นี้ยังไงก็ต้องยกเครดิตให้ฮาเบอร์-บ็อชอยู่ดี เพราะเมื่อคิดว่าเรามีสัตว์มากมายเหมือนทุกวันนี้ได้ยังไง คำตอบก็เพราะเราปลูกธัญพืชมากมายมหาศาลให้สัตว์กิน แล้วธัญพืชพวกนี้มาจากไหนล่ะ ถ้าไม่ใช่จากกระบวนการฮาเบอร์-บ็อชตั้งแต่แรก พูดง่ายๆ ว่ากระบวนการฮาเบอร์-บ็อช ได้ดึงไนโตรเจนไนอากาศ มาหมุนเวียนในระบบเกษตรอย่างแยกไม่ออกแล้ว
กระบวนการฮาเบอร์-บ็อช ในโลกสีเขียว
นอกจากเลี้ยงดูคนครึ่งโลกแล้ว ความฮีโร่ของกระบวนการฮาเบอร์-บ็อชอาจยังไม่หยุดแค่นั้น เพราะมันอาจเป็นทางแก้ปัญหาความไม่ต่อเนื่องของพลังงานสะอาด
ปัญหาหลักของพลังงานแสงอาทิตย์และลมคือ เราผลิตไฟฟ้าได้แค่ตอนที่แดดออกหรือลมพัดเท่านั้น เวลาที่ผลิตไฟได้ เราต้องเก็บไว้ให้ได้มากที่สุด จะได้มีใช้ได้ทุกเมื่อ แต่แบตเตอรี่ขนาดใหญ่แบบที่พอใช้กันทั้งบ้านก็แพงเกินที่คนปกติจะซื้อได้
วิธีหนึ่งที่จะเก็บพลังงานเอาไว้คือ เก็บในรูปแบบเชื้อเพลิงไฮโดรเจน นั่นคือเอาไฟฟ้าสะอาดไปแยกไฮโดรเจนจากน้ำมาเก็บไว้ พอจะใช้ไฟฟ้าก็เผาเชื้อเพลิงไฮโดรเจน ซึ่งถึงจะฟังดูดีแต่การเก็บหรือขนส่งไฮโดรเจนนั้นอันตราย เพราะไฮโดรเจนรั่วไหลและระเบิดได้ง่าย
ตรงนี้แหละที่กระบวนการฮาเบอร์-บ็อชอาจมารับบทพระเอกอีกครั้ง โดยเอาไฮโดรเจนไปทำแอมโมเนียเก็บไว้ก่อน แอมโมเนียมีความเสถียรและปลอดภัยกว่าไฮโดรเจนมาก พอจะใช้ไฟฟ้าค่อยแตกไฮโดรเจนออกมาใช้แล้วปล่อยไนโตรเจนคืนอากาศ
เชื่อว่าถึงตรงนี้คุณคงลืมกระบวนการฮาเบอร์-บ็อชไม่ลงหรอก เพราะคุณจะเห็นมันในทุกมื้ออาหารที่คุณกิน
ป.ล. เรื่องราวชีวิตของฮาเบอร์นั้นมีหลายมิติและดราม่ามาก นอกจากคิดกระบวนการผลิตแอมโมเนียได้แล้ว ฮาเบอร์ยังเป็นบิดาแห่งอาวุธเคมีอีก เขาพัฒนาแก๊สพิษสังหารในสงครามโลกครั้งที่ 1 ใครสนใจลองหาประวัติอ่านดูนะครับ
ภาพประกอบโดย Shohei Ohara จาก Pexels
อ้างอิง:
https://ourworldindata.org/crop-yields
https://ourworldindata.org/fertilizers
https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process
