นักฟิสิกส์สาธิตการกักเก็บพลังงานคลื่นโดยปราศจากการสูญเสียพลังงาน

          การกักเก็บพลังงานคลื่นในปัจจุบันมักจะมีการสูญเสียพลังงานในรูปพลังงานความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมนักวิจัยได้ทดลองสาธิตการกักเก็บพลังงานคลื่นโดยตรงโดยปราศจากการสูญเสียพลังงาน พลังงานคลื่นที่ถูกกักเก็บไว้ยังสามารถดึงออกมาใช้เมื่อไหร่ก็ได้ตามต้องการ งานวิจัยนี้ปูทางไปสู่การคิดค้นอุปกรณ์แบบใหม่สำหรับกักเก็บพลังงานคลื่นโดยไม่สูญเสียพลังงาน


          คลื่นเป็นการถ่ายเทพลังงานจากแหล่งกำเนิดที่แกว่งซ้ำไปซ้ำมาสู่ตัวกลางที่อยู่โดยรอบแหล่งกำเนิด คลื่นกล (mechanical wave) จะอาศัยการแกว่งซ้ำไปซ้ำมาของตัวกลางเพื่อถ่ายเทพลังงาน ในขณะที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) จะอาศัยการแกว่งซ้ำไปซ้ำมาของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าภายในตัวมันเองเพื่อถ่ายเทพลังงานไปสู่บริเวณโดยรอบ ตัวอย่างของคลื่นกลคือ คลื่นในเส้นเชือก คลื่นน้ำ และคลื่นเสียง ส่วนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเราใช้กันอยู่เป็นประจำทุกวันเพื่อโทรหากันผ่านทางคลื่นวิทยุ หรือเพื่ออุ่นอาหารให้อร่อยโดยอาศัยคลื่นไมโครเวฟ แสงอาทิตย์ก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ขยายผ่านห้วงอวกาศที่แสนยาวไกลมายังพื้นโลก สร้างความอบอุ่นให้กับสรรพชีวิตมาตั้งแต่ดึกดำบรรพ์ 


          ในปัจจุบันได้มีวิธีการมากมายในการเก็บเกี่ยวพลังงานคลื่นเพื่อผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้า เช่น เซลล์แสงอาทิตย์เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง หรือจะใช้กระจกรวมแสงเพื่อเปลี่ยนแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานความร้อนสูงก่อน จากนั้นค่อยนำเอาพลังงานความร้อนสูงไปสร้างไอน้ำแรงดันสูงเพื่อหมุนกังหันไอน้ำผลิตพลังงานไฟฟ้า พลังงานคลื่นน้ำสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยใช้ปรากฏการณ์ไตรโบอิเล็กทริก (triboelectric effect) ^[1] หรือวัสดุไพอิโซอิเล็กทริก (piezoelectric material) ^[2] เป็นต้น  

            หากพลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นมีปริมาณมากเกินความจำเป็นในขณะนั้น พลังงานไฟฟ้าส่วนเกินสามารถเก็บไว้ในแบตเตอรี่หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ (supercapacitor) แต่แบตเตอรี่หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่สามารถเก็บพลังงานไว้ได้เยอะเป็นเวลานานยังมีราคาค่อนข้างแพงในปัจจุบัน ปัญหานี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าเหล่านี้ไม่ถูกนำมาติดตั้งใช้งานอย่างแพร่หลาย 


          วิธีทางเลือกในการกักเก็บพลังงานที่มีราคาถูกกว่าคือ การกักเก็บพลังงานในรูปพลังงานความร้อนโดยใช้วัสดุเปลี่ยนเฟส (phase-change material) ^[3] พลังงานความร้อนจากวัสดุเปลี่ยนเฟสจะถูกดึงออกมาใช้เพื่อผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าก็ต่อเมื่อมีความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้า เมื่อวัสดุเปลี่ยนเฟสสูญเสียพลังงานความร้อน มันก็จะกลายสภาพเป็นของแข็งที่เราสามารถนำกลับไปหมุนเวียนใช้ต่อได้อีก แต่อย่างไรก็ตาม ระบบนี้ต้องการฉนวนความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งอาจจะทำให้ตัวระบบมีราคาเพิ่มมากขึ้น หากฉนวนความร้อนไม่ดีพอแล้วก็อาจะเกิดการสูญเสียพลังงานความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ 


          การสร้างระบบกักเก็บพลังงานที่มีราคาถูกและปราศจากการสูญเสียพลังงาน เป็นแรงบันดาลใจให้ G. Trainiti และคณะวิจัยได้หาแนวทางการกักเก็บพลังงานคลื่นโดยปราศจากการสูญเสียพลังงาน ^[4] ภาพสุดท้ายที่ทีมวิจัยนี้กล้าหาญที่จะฝันถึงคือ “โพรง” หรือ “คาวิตี้” (cavity) ที่มีพลังงานคลื่นถูกบีบอัดอยู่ภายใน และพลังงานคลื่นนี้สามารถดึงออกไปใช้เมื่อไหร่ก็ได้ตามต้องการ    


          วิธีการที่ G. Trainiti และคณะวิจัยใช้เพื่อกักเก็บพลังงานคลื่นโดยปราศจากการสูญเสียพลังงานมีชื่อเรียกว่า coherent perfect absorption หรือ CPA โดยวิธี CPA นี้จะต้องใช้คลื่นสองขบวนที่มีคุณสมบัติ coherent ต่อกันเพื่อกระตุ้นโพรง คลื่นสองขบวนที่ coherent กันนี้หมายถึงคลื่นที่มีความถี่เท่ากัน เดินทางด้วยความเร็วเท่ากัน และความต่างเฟสระหว่างคลื่นทั้งสองขบวนมีค่าคงที่ ถ้าปล่อยให้คลื่นสองขบวนที่ coherent กันเคลื่อนที่เข้าหาโพรงในทิศทางตรงกันข้ามแล้ว การรวมกันของคลื่นทั้งสองขบวนภายในโพรงจะก่อเกิดเป็นคลื่นนิ่งได้ถ้าความถี่ของคลื่นมีค่าตรงกันกับความถี่สั่นพ้อง (resonant frequency) ของโพรง ดังนั้นพลังงานคลื่นทั้งสองขบวนจะถูกกักเก็บไว้ภายในโพรงในรูปของคลื่นนิ่ง เนื่องจากโพรงทำมาจากวัสดุที่ปราศจากการสูญเสียพลังงาน (lossless material) ดังนั้นพลังงานคลื่นที่ถูกกักเก็บไว้ภายในโพรงจึงไม่สูญเสียออกสู่สิ่งแวดล้อมในรูปของพลังงานความร้อน

             เมื่อคลื่นทั่วไปเคลื่อนที่ตกกระทบลงบนแผ่นวัสดุ คลื่นบางส่วนจะเกิดการสะท้อนกลับไปตามกฎของการสะท้อนที่พื้นผิวของวัสดุ และคลื่นบางส่วนอาจจะสามารถทะลุผ่านแผ่นวัสดุไปได้ ถ้าพลังงานรวมระหว่างคลื่นสะท้อนและคลื่นทะลุผ่านมีค่าน้อยกว่าพลังงานของคลื่นตกกระทบแล้ว จะมีคลื่นบางส่วนถูกดูดกลืนไว้โดยแผ่นวัสดุตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานคลื่นที่ถูกดูดกลืนนี้อาจจะกลายเป็นพลังงานความร้อนถ้าแผ่นวัสดุมีคุณสมบัติสูญเสียพลังงานหรือเป็น lossy medium แต่ถ้าแผ่นวัสดุไม่มีคุณสมบัติการสูญเสียพลังงานเลย พลังงานที่หายไปนี้จะถูกกักเก็บไว้ภายในแผ่นวัสดุ กระบวนการ CPA เป็นกระบวนการที่ลดทอนพลังงานของการสะท้อนและการทะลุผ่านภายในแผ่นวัสดุที่ไม่มีการสูญเสียพลังงานให้เป็นศูนย์ทั้งหมด เพื่อกักเก็บพลังงานทั้งหมดไว้ภายในแผ่นวัสดุที่มักจะเรียกว่าเป็นโพรง    

 

          กระบวนการ CPA แบบไม่สูญเสียพลังงานจะต้องใช้คลื่น coherent สองขบวนที่มีค่าความถี่เท่ากัน (หรือใกล้เคียงกัน) กับค่าความถี่สั่นพ้องของโพรงที่เป็นตัวกลางแบบไม่สูญเสียพลังงาน (lossless medium) ความถี่สั่นพ้องนี้สามารถวิเคราะห์คำนวณได้อย่างแม่นยำ และที่สำคัญ คลื่นทั้งสองขบวนจะต้องมีแอมพลิจูดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามเวลา ลักษณะของการเพิ่มของแอมพลิจูดของคลื่นตามเวลาก็จะถูกกำหนดโดยความถี่สั่นพ้องของโพรงเช่นกัน หากเงื่อนไขเหล่านี้เป็นจริง คลื่น coherent สองขบวนจะเกิดการแทรกสอดกันและเกิดการสั่นพ้องภายในโพรง ทำให้พลังงานคลื่นถูกกักเก็บไว้ภายในโพรงโดยปราศจากการสูญเสียพลังงาน พลังงานที่ถูกกักเก็บไว้ภายในโพรงจะถูกปลดปล่อยออกมาก็ต่อเมื่อมีการหยุดกระตุ้นโพรง หรือคลื่นที่ตกกระทบโพรงมีแอมพลิจูดลดลง
            ในขณะที่ทฤษฎีของ CPA ได้รับการพัฒนาจนได้รับการยอมรับแล้ว แต่นักฟิสิกส์ก็ยังไม่สามารถสาธิตการทดลองการกักเก็บพลังงานคลื่นโดยปราศจากการสูญเสียพลังงานให้เห็นจริงได้ จนกระทั่งเมื่อเร็วๆ นี้ G. Trainiti และคณะวิจัยได้เริ่มต้นทดสองสาธิตการกักเก็บพลังงานคลื่นกลในแท่งอลูมิเนียมให้เห็นเป็นครั้งแรก การทดลองนี้เป็นก้าวสำคัญที่จะผลักดันให้เกิดการออกแบบระบบกักเก็บพลังงานคลื่นแบบอื่น โดยเฉพาะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความสำคัญในอุตสาหกรรมพลังงานหมุนเวียน 


          ชุดการทดลองของ G. Trainiti และคณะวิจัยประกอบไปด้วยโพรงซึ่งเป็นแท่งอลูมิเนียมรูปทรงกระบอกตันขนาดความยาว 20 cm และเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 cm ปลายทั้งสองข้างของโพรงต่อเข้ากับแขนอลูมิเนียมรูปทรงกระบอกตันความยาวเท่ากับ 20 cm เช่นกันแต่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าสองเท่า แขนอลูมิเนียมทั้งสองนี้ทำหน้าที่ส่งผ่านพลังงานกลจากแหล่งกำเนิดคลื่นไปยังโพรงอลูมิเนียม นักวิจัยสร้างคลื่นกลที่ส่วนปลายของแขนอลูมิเนียมทั้งสองโดยสั่นด้วยหัวขับไพอิโซอิเล็กทริก (piezoelectric actuator: PZT) ที่ความถี่ 64.85 kHz ซึ่งตรงกับความถี่ธรรมชาติค่าหนึ่งของโพรง แอมพลิจูดของคลื่นกลจะถูกบังคับให้มีค่าเพิ่มขึ้นด้วยตัวคูณที่เป็นฟังก์ชัน exponential เท่ากับ exp(2.11t) เมื่อ t คือเวลาในหน่วยวินาที การเคลื่อนที่ของคลื่นจะถูกสังเกตการณ์โดยใช้เลเซอร์ Doppler vibrometer สแกนตลอดความยาวของโพรงเพื่อวัดความเร็วคลื่นที่ตำแหน่งต่างๆ ตามความยาวของโพรง ถ้าพบว่าความเร็วคลื่นไม่เท่ากับศูนย์แสดงว่าคลื่นกำลังเคลื่อนที่ แต่หากความเร็วคลื่นเท่ากับศูนย์แล้วจะหมายความว่าคลื่นกำลังหยุดนิ่งอยู่ในรูปของคลื่นนิ่ง 

            นักวิจัยทดลองสาธิตให้เห็นว่า ในขณะที่ทำการปล่อยคลื่นกลภายในช่วงเวลา 0.27 ms นั้น จะไม่มีคลื่นกลเกิดการสะท้อนออกจากแท่งอลูมิเนียมตรงกลางเลย และคลื่นกลจะถูกกักเก็บไว้ภายในแท่งอลูมิเนียมตรงกลางเท่านั้น แต่หลังจากที่นักวิจัยทำการหยุดปล่อยคลื่นกล ณ เวลา 0.27 ms แล้วคลื่นกลจะถูกปลดปล่อยออกจากแท่งอลูมิเนียมตรงกลาง คลื่นกลที่ถูกปลดปล่อยออกมานี้จะเคลื่อนที่เข้าหาแหล่งกำเนิดคลื่นกลที่ตรงส่วนปลายของแขนอลูมิเนียมทั้งสอง การทดลองนี้สอดคล้องเป็นการอย่างดีกับการจำลอง นี่เป็นสิ่งยืนยันว่ากระบวนการ CPA สามารถกักเก็บพลังงานคลื่นได้โดยปราศจากการสูญเสียพลังงาน 

            แต่มันคงไม่ดีแน่ๆ ถ้าหากว่าคลื่นที่ตกกระทบลงบนโพรงจะต้องมีแอมพลิจูดที่สูงขึ้นเรื่อยๆ สม่ำเสมอตลอดเวลา เพราะนั่นอาจจะทำให้พลังงานภายในโพรงมีค่าสูงเกินไปซึ่งอาจจะทำให้โพรงเสียหายได้ ดังนั้นนักวิจัยจึงสาธิตให้เห็นว่า พลังงานสามารถถูกกักเก็บและถูกปลดปล่อยได้เรื่อยๆ โดยไม่จำเป็นต้องทำการกักเก็บและปลดปล่อยพลังงานเพียงแค่ครั้งเดียว โดยวิธีการปลดปล่อยพลังงานคลื่นกลสามารถทำได้ 2 วิธี นั่นคือวิธีการหยุดกระตุ้นโพรงชั่วคราว และวิธีการดัดแปลงความต่างเฟสระหว่างคลื่นตกกระทบทั้งสอง ทั้งสองวิธีสามารถควบคุมได้ตามที่ต้องการ    
    

          งานวิจัยนี้ได้พิสูจน์ให้เห็นเป็นประจักษ์ว่ากระบวนการ CPA สามารถกักเก็บพลังงานคลื่นกลไว้ภายในโพรงที่ทำมาจากวัสดุของแข็ง เทคนิคเดียวกันนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับคลื่นวิทยุและแสง ซึ่งจะเป็นประโยชน์ในการสร้างอุปกรณ์การเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ และการถ่ายโอนกำลังไฟฟ้าแบบไร้สาย   
 
 

อ้างอิง
 

• [1] J. Chen, J. Yang, Z. Li, X. Fan, Y. Zi, Q. Jing, H. Guo, Z. Wen, K. C. Pradel, S. Niu, and Z. L. Wang, “Networks of Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Water Wave Energy: A Potential Approach toward Blue Energy,” ACS Nano 9(3), 3324-3331 (2015). 
• [2] N. V. Viet, N Wu, and Q. Wang, “A review on energy harvesting from ocean waves
• by piezoelectric technology,” J. of Model. in Mech. and Mater. 1(2), 17 pages (2017). 
• [3] A. Sharma, V. V. Tyagi, C. R. Chen, and D. Buddhi, “Review on thermal energy storage with phase change materials and applications,” Renew. & Sustain. Ener. Rev. 13, 318-345 (2009). 
• [4] G. Trainiti, Y. Ra'di, M. Ruzzene, and A. Alù, “Networks of Triboelectric Nanogenerators for Harvesting Water Wave Energy: A Potential Approach toward Blue Energy,” Sci. Adv. 5, 7 pages (2019).