กระบวนการทำให้หลอดมีไส้ไม่สูญเสียพลังงานในรูปความร้อน

นับตั้งแต่หลอดไฟดวงแรกได้มีการสร้างสำเร็จขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1879 โดย Thomas A. Edison ^[1] หลังจากนั้นโลกของเราก็ได้พบแสงสว่างที่มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง หลอดไฟที่ถูกคิดค้นขึ้นครั้งแรกนั้นเรียกว่า หลอดไส้ (Incandescent light bulb) เพราะแสงสว่างเกิดขึ้นได้จากไส้หลอดลวดโลหะที่มีอุณหภูมิสูง หลอดชนิดนี้สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังแสงได้แค่ 10% ส่วนอีก 90% ที่เหลือจะสูญเสียอยู่ในรูปแบบของความร้อน ซึ่งสอดคล้องกับการพิจารณาในรูปแบบของย่านความยาวคลื่นแสงที่แผ่ออกมาจากหลอดไส้ จะพบว่ามีแค่ประมาณ 2% เท่านั้นที่อยู่ในย่านตามองเห็น (Visible region) ส่วนอื่น ๆ จะอยู่ในย่านอินฟราเรด (Infrared region) ทั้งหมด ด้วยประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่ต่ำ รวมถึงผลของความร้อนที่เกิดขึ้นที่ตัวหลอดไฟ จึงทำให้เกิดการพัฒนาหลอดไฟชนิดอื่นที่มีประสิทธิภาพดีกว่ามาทดแทนหลอดไฟชนิดนี้


ถึงแม้ว่าจะมีหลอดไฟชนิดต่าง ๆ ถูกสร้างขึ้นมากมายในปัจจุบัน ยกตัวอย่างเช่น หลอดนีออน (Neon light bulb) หลอดฮาโลเจน (Halogen light bulb) หลอดคอมแพ็คฟลูออเรสเซนต์ (Compact fluorescence, CFL, light bulb) และหลอดไดโอดเปล่งแสง (Light emitting diode, LED) แต่หลอดมีไส้ก็ยังมีการผลิตและนำมาขายตามท้องตลาดเช่นเดิม เนื่องจากมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน มีขนาดเล็ก ใช้งานง่าย และราคาถูก อย่างไรก็ตามด้วยข้อด้อยหลายอย่างของหลอดไฟชนิดนี้ จึงมีการคาดการณ์ว่าอีกไม่นานคงไม่มีการนำมาใช้งานต่อ เพราะฉะนั้น ถ้ามีกระบวนการที่สามารถปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานของหลอดมีไส้ชนิดดั้งเดิมนี้ให้ดียิ่งขึ้น ก็จะเปรียบเสมือนการต่ออายุชีวิตของหลอดไฟชนิดนี้ให้นานขึ้นเลยทีเดียว 


ในปัจจุบันมีความพยายามในการพัฒนาหลอดมีไส้แบบดั้งเดิมหลากหลายวิธี โดยที่วิธีส่วนมากจะพยายามมุ่งเน้นไปที่การลดความร้อนบนพื้นผิวของตัวหลอด เพื่อให้เกิดความปลอดภัยมากขึ้นในการใช้งาน โดยที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพไม่ให้ด้อยลงกว่าเดิม แต่อย่างไรก็ตามแนวคิดเหล่านี้ก็ยังไม่ประสบความสำเร็จมากนักในเชิงปฏิบัติ ^[2] ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมซซาชูเซตส์ ประเทศเยอรมันนี จึงได้เสนอแนวคิดแบบใหม่ ซึ่งมีการตีพิมพ์ผลงานลงในวารสาร Nature Nanotechnology โดยการสร้างผลึกแก้วโฟโตนิก (Photonic crystal) มาครอบไส้หลอดแทนที่หลอดแก้วครอบแบบใส ^[3] ซึ่งจะทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวกรองให้แสงในย่านที่ต้องการเท่านั้นที่สามารถส่งผ่านออกไปได้ และยังทำหน้าที่เป็นกระจกสะท้อนให้แสงย่านอินฟราเรด (ย่านความร้อน) ไม่สามารถส่งผ่านออกไปได้อีกด้วย แนวคิดนี้ประสบความสำเร็จอย่างมาก โดยทำให้ประสิทธิภาพของหลอดมีไส้เพิ่มขึ้นมากกว่า 3 เท่า ซึ่งใกล้เคียงกับหลอด CFL และ LED เลยทีเดียว 

โครงสร้างของหลอดมีไส้แบบใหม่ที่ใช้ผลึกโฟโตนิกแทนที่หลอดแก้วครอบแบบใส และย่านความยาวคลื่นแสงที่ถูกปลดปล่อยออกจากหลอดชนิดนี้

ต้นแบบผลึกแก้วโฟโตนิกที่ออกแบบนี้มีโครงสร้างที่ประกอบไปด้วยแผ่นแก้วที่ทำหน้าที่เป็นฐานรอง (Substrate) และเคลือบผิวด้วยชั้นซิลิกา (SiO₂) ที่มีค่าดัชนีหักเหของแสงต่ำ (Low refractive index) และไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ที่มีค่าดัชนีหักเหของแสงสูง (High refractive index) นำมาวางเป็นชั้น ๆ สลับกันเป็นจำนวน 90 ชั้น การเคลือบลักษณะนี้จะทำให้แก้วมีคุณลักษณะเหมือนกระจกที่ยอมปลดปล่อยให้แสงย่านตามองเห็น (ความยาวคลื่นประมาณ 400 – 700 นาโนเมตร) สามารถทะลุผ่านได้ และสะท้อนแสงในย่านอินฟราเรด (ความยาวคลื่นประมาณ 700 – 1000 นาโนเมตร) ที่ปกติแล้วสูญเสียไปโดยเปล่าประโยชน์ให้กลับไปยังไส้หลอด ซึ่งไส้หลอดจะดูดกลืนและทำให้ตัวเองร้อนยิ่งขึ้น ซึ่งหมายความว่าจะได้แสงสว่างกลับออกมามากขึ้นนั่นเอง โดยกระบวนการนี้ทีมนักวิจัยเรียกว่า การนำโฟตอนกลับมาใช้ใหม่ (Photon recycling)


ทีมนักวิจัยเชื่อว่าถ้าสามารถเพิ่มจำนวนชั้นของซิลิกาและไททาเนียมไดออกไซด์ให้มากขึ้น จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้มากกว่านี้ (โดยการดูจากแบบจำลองคอมพิวเตอร์) ยกตัวอย่างเช่น ถ้าจำนวนชั้นการเคลือบเพิ่มขึ้นเป็นจำนวน 300 ชั้น ประสิทธิภาพของหลอดไฟอาจมากถึง 40% เลยทีเดียว ซึ่งจะเป็นประสิทธิภาพที่สูงมากที่สุดในบรรดาหลอดไฟที่การคิดค้นขึ้นในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามงานวิจัยนี้ยังขาดการทดสอบการนำไปใช้งานจริงที่จำเป็นต้องมีการเปิดใช้งานเป็นระยะเวลานาน จึงต้องการความคงทนและความปลอดภัย ซึ่งเป็นสิ่งที่ทีมนักวิจัยต้องพิสูจน์ต่อไปว่าจะสามารถทำให้หลอดไฟชนิดนี้เหมาะสมในเชิงปฏิบัติและพร้อมที่จะผลิตในเชิงการค้าได้หรือไม่ 


 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] P. Israel, Edison: A Life of Invention; John Wiley & Sons, New York; 2000.
• [2] How to get that old-fashioned light bulb glow without wasting so much energy.https://www.sciencemag.org/news/2016/01/how-get-old-fashioned-light-bulb-glow-without-wasting-so-much-energy (สืบค้นเมื่อ 20 มิถุนายน พ.ศ. 2562)
• [3] O. Ilic et al., Tailoring high-temperature radiation and the resurrection of the incandescent source, Nature Nanotechnology 11 (2016), 320 – 324.