สีทาบ้านผลิตไฟฟ้าได้

สีทาบ้านในวันนี้กำลังจะเป็นมากกว่าสีที่ไว้เพิ่มความสวยงามหรือไว้ป้องกันตัวบ้านเท่านั้น เนื่องจากนักวิจัยได้พัฒนาสีโฟโตวอลเทอิก (photovoltaic paint) ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการทาสีบนเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งดูดกลืนพลังงานจากดวงอาทิตย์และเปลี่ยนไปเป็นกระแสไฟฟ้าได้ ในการศึกษาใหม่นี้ นักวิจัยได้สร้างสีเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric) ที่จะนำความร้อนเหลือทิ้ง (waste heat) จากพื้นผิวที่เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนและแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า

Jae Sung Son หนึ่งในผู้ที่ศึกษาและวิจัยที่ Ulsan สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (UNIST) ประเทศเกาหลีใต้ ให้สัมภาษณ์ใน Phys.org ว่า "ผมคาดหวังว่าเทคนิคการใช้สีเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถนำไปใช้กับความร้อนที่ถูกแผ่ออกมาจากพื้นผิวขนาดใหญ่ได้ เช่น อาคาร รถยนต์ หรือเรือ"

"ตัวอย่างเช่นอุณหภูมิของดานฟ้าอาคารและผนังซึ่งเพิ่มสูงขึ้นถึงกว่า 50 องศาเซลเซียสในช่วงฤดูร้อน ถ้าเราใช้สีเทอร์โมอิเล็กทริกทาบนผนัง, เราก็จะสามารถแปลงความร้อนจำนวนมากนั้นไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้" Jae Sung Son กล่าว

ตอนนี้เรามาทำความรู้จักกับสีเทอร์โมอิเล็กทริกอิเล็กทริกกันดีกว่า

เทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric, TE) คือการศึกษาการเปลี่ยนพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยใช้ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของตำแหน่งสองตำแหน่ง ในวัสดุที่เป็นเทอร์โมอิเล็กทริก อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังตำแหน่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่ออิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ก็จะทำให้เกิดขั้วไฟฟ้าและความต่างศักย์ขึ้น ซึ่งเราสามารถนำพลังงานไฟฟ้าไปใช้ประโยชน์ได้

โดยปกติประสิทธิภาพของการผลิตพลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่จะขึ้นกับสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกเอง ซึ่งประมาณได้จากค่า figure-of-merit หรือค่า ZT (เป็นค่าที่บงบอกคุณสมบัติการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าสูงสุด) โดย

โดย  คือ สัมประสิทธิ์ซีเบ็ค (Seebeck coefficient), สภาพนำไฟฟ้า (electrical conductivity), สภาพนำความร้อน (thermal conductivity) และ อุณหภูมิ ตามลำดับ

ข้อดีของสีเทอร์โมอิเล็กทริกคือ ลักษณะที่แตกต่างกับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกทั่วไปซึ่งส่วนใหญ่มักจะเป็นของแข็งที่มีรูปร่างแบน แต่สีเทอร์โมอิเล็กทริกจะเป็นของเหลว สามารถทาลงไปบนวัตถุหรือสิ่งก่อสร้างรูปร่างใด ๆ ก็ได้ ดังนั้นสีเทอร์โมอิเล็กทริกจึงสามารถยึดติดกับวัตถุที่มีรูปร่างผิดปกติที่ปล่อยความร้อนเหลือทิ้ง เช่น เครื่องยนต์, โรงไฟฟ้า และตู้เย็น ได้ดีกว่าวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกทั่วไป ทำให้ประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าของสีเทอร์โมอิเล็กทริกดีกว่าวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกทั่วไป เนื่องจากการที่วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ไม่สามารถยึดติดแหล่งกำเนิดความร้อนได้ดีจะทำให้มีการสูญเสียพลังงานความร้อนไป

โดยงานวิจัยนี้ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications, Sung Hoon Park และคณะ นักวิจัยจาก UNIST สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (KIST) แห่งชาติ และสถาบันเทคโนโลยีไฟฟ้า ประเทศเกาหลีใต้ ได้กล่าวถึงประเด็นของการยึดติดของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกกับแหล่งกำเนิดความร้อน โดยแสดงให้เห็นว่าสีเทอร์โมอิเล็กทริก สามารถยึดติดกับแหล่งกำเนิดความร้อนได้อย่างง่ายดายเพราะสามารถเกาะไปบนพื้นผิวของรูปทรงใด ๆ ได้จริง

รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบการผลิตพลังงานไฟฟ้าระหว่างตัวเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกรูปร่างแบนราบและการใช้สีเทอร์โมอิเล็กทริกบนแหล่งกำเนิดความร้อนที่มีผิวโค้ง (ภาพจาก https://www.nature.com/articles/ncomms13403)

ภาพ a) เป็นรูปแบบของอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกแบบแบนราบ ภาพ b) เป็นภาพจำลองการผลิตพลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์กำเนิด
เทอร์โมอิเล็กทริกและสีเทอร์โมอิเล็กทริกบนแหล่งกำเนิดความร้อนผิวโค้ง

(ภาพจากวารสาร Nature communications)

สีเทอร์โมอิเล็กทริกมีอนุภาคเทอร์โมอิเล็กทริก (TE particle) คือ บิสมัทเทลลูไรด์ (bismuth telluride, Bi2Te3) ซึ่งเป็นที่นิยมใช้ในอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกทั่วไป นอกจากนี้นักวิจัยยังได้เพิ่มโมเลกุลของสารที่ช่วยในการหลอมตัว (molecular sintering aids) ซึ่งเมื่อให้ความร้อนก็จะทำให้อนุภาคเทอร์โมอิเล็กทริกเชื่อมต่อกัน เพิ่มความหนาแน่นของอนุภาคเหล่านี้ในสี ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น (ค่า ZT เพิ่มขึ้นถึง 0.67 สำหรับ N – Type และ 1.21 สำหรับ P– Type)

ในงานวิจัย นักวิจัยจากเกาหลีใต้ยังได้แสดงให้เห็นว่าสีเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถทาบนพื้นผิวความร้อนได้หลากหลายพื้นผิว โดยหลังจากทาสีลงบนพื้นผิวแล้วนำพื้นผิวนั้นไปเผาที่อุณหภูมิ 450 ° C เป็นเวลา 10 นาที โดยชั้นสีที่ถูกทานั้นอยู่ในรูปแบบของฟิล์มซึ่งมีความหนาประมาณ 50 ไมโครเมตร ขั้นตอนดังกล่าวอธิบายได้จากภาพด้านล่าง

รูปที่ 2 แสดงการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ทาด้วยสีเทอร์โมอิเล็กทริกที่ทำจากสารสังเคราะห์บิทมัทเทลลูไรด์ (Bi2Te3) (ภาพจาก https://phys.org/news/2016-11-thermoelectric-enables-walls-electricity.html)

ภาพ a คือภาพถ่ายอนุภาคเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีลักษณะเป็นผงเล็ก ๆ (ในงานวิจัยนี้ใช้บิทมัทเทลลูไรด์) ผสมกับโมเลกุลของแอนทิโมนีเทลลูไรด์ ชาล์โคจีนีโดเมทเลท (Antimony telluride chalcogenidometalate, Sb2Te3 ChaM) โมเลกุลของสารที่ช่วยในการหลอมตัว ในการผสมสารทั้งสองตัวนี้จะใช้วิธีที่เรียกว่า Sonication หรือการให้พลังงานเสียงแก่อนุภาคโดยใช้คลื่นเหนือเสียง (ultrasonic)

ภาพ b คือภาพถ่ายของสีเทอร์โมอิเล็กทริกและกระบวนการทาสีลงบนออกไซต์ของอะลูมิเนียมครึ่งทรงกลม (alumina hemisphere)

ภาพ c คือภาพจำลองการรวมตัวของ Sb2Te3 ChaM (อนุภาคสีเหลือง) และ Ball-milled TE particle (อนุภาคสีดำ) ซึ่งเมื่อให้ความร้อนแล้วจะทำให้สีเทอร์โมอิเล็กทริกมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น

ภาพ d คือภาพถ่ายอุปกรณ์ที่ทาด้วยสีเทอร์โมอิเล็กทริก

ภาพ e คือกราฟเปรียบเทียบค่า ZT ที่ได้จากงานวิจัยนี้ (แทนด้วยกราฟแท่ง n-paint และ p-paint) กับค่า ZT ในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่เป็นโครงสร้างผลึก (แทนด้วยกราฟแท่ง n-bulk และ p-bulk) และค่า ZT ของวัสดุที่ถูกพิมพ์ขึ้น (printed materials) (แทนด้วยกราฟแท่ง n-paste และ p-paste)

ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ที่ถูกทาด้วยสีเทอร์โมอิเล็กทริกให้พลังงานออกมาให้ค่าที่สูง โดยค่าเหล่านี้ถือว่าสามารถแข่งขันกับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกแบบธรรมดาและดีกว่าอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกทั้งหมดที่อยู่ในรูปของการพิมพ์ด้วยหมึกพิมพ์และการวาง

นอกจากนี้นักวิจัยยังคาดหวังว่าสีเทอร์โมอิเล็กทริกมีศักยภาพพอที่จะนำมาประยุกต์ใช้เป็นเครื่องผลิตพลังงาน และเทคโนโลยีนี้ยังสามารถพัฒนาไปเป็นเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในอนาคตได้อีกด้วย

เรียบเรียงโดย

นราภรณ์ ตั้งหทัยทิพย์

• [1] Thermoelectric paint enables walls to convert heat into electricity. http://phys.org/news/2016-11-thermoelectric-enables-walls-electricity.html
• [2] Sung Hoon Park et al. "High-performance shape-engineerable thermoelectric painting." Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms13403
• [3] Bell, L. E. Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat withthermoelectric systems. Science 321, 1457–1461 (2008).
• [4] Rowe, D. M. Thermoelectric Handbook (CRC Press, 1995).