เทคโนโลยีการสร้างเมฆและแผงโซลาร์เซลล์ที่ผลิตไฟฟ้าจากหิมะ

          เมื่อเข้าสู่ฤดูแล้ง หลายพื้นที่ทั่วโลกก็เริ่มอยู่ในภาวะสุ่มเสี่ยงต่อการขาดแคลนน้ำสำหรับอุปโภคบริโภคและทำเกษตรกรรม เมื่อแหล่งน้ำผิวดินลดน้อยลง ความหวังที่จะได้น้ำเข้ามาบรรเทาความขาดแคลนก็หนีไม่พ้นฝนหรือหิมะจากเมฆที่ลอยอยู่บนฟ้า จากความรู้วิชาฟิสิกส์ของเมฆ (Cloud Physics) เมฆในธรรมชาติเกิดจากการรวมตัวกันของละอองน้ำหรือเกล็ดน้ำแข็งขนาดเล็กจำนวนมาก หากเสถียรภาพของบรรยากาศ (Atmospheric Stability) อยู่ในภาวะไม่เสถียร (Unstable Air) มวลของอากาศก็จะยกตัวสูงขึ้นจนถึงจุดหนึ่งแล้วก่อตัวเป็นเมฆ และหากในอากาศมีอนุภาคขนาดเล็กล่องลอยอยู่ อนุภาคเหล่านั้นจะทำหน้าที่เป็นแกนควบแน่นของเมฆ (Cloud Condensation Nuclei หรือ CCN) และส่งผลให้เมฆก่อตัวได้ง่ายขึ้น


          ปกติแล้วนักอุตุนิยมวิทยา นักวิทยาศาสตร์บรรยากาศ และนักฟิสิกส์บรรยากาศสามารถหาความสูงของฐานเมฆ (Cloud Base) ได้จากแผนภูมิ Skew-T/log-P ซึ่งเป็นแผนภูมิที่แสดงข้อมูลการตรวจลมชั้นบนด้วยวิธีหยั่งอากาศ (Sounding) เพื่อแสดงอุณหภูมิ ความชื้น ความเร็วลม และทิศทางลม อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์หลายท่านได้สร้างสมการอย่างง่ายเพื่อใช้ประมาณค่าความสูงของฐานเมฆ (Lifting Condensation Level หรือ LCL) ซึ่งเป็นจุดที่อากาศเกิดการควบแน่นและก่อตัวเป็นก้อนเมฆ

          โดยสมการดังกล่าวจำเป็นต้องทราบค่าของตัวแปร 2 ตัว ได้แก่ อุณหภูมิของอากาศ (Air Temperature หรือ T) และอุณหภูมิจุดน้ำค้าง (Dew Point Temperature หรือ Td) ในหน่วยองศาเซลเซียส เมื่อกำหนดให้ H คือความสูงของฐานเมฆ (เมตร) ตัวแปรทั้ง 3 จะสัมพันธ์กันตามสมการ

            หยาดน้ำฟ้า (Precipitation) ที่ตกลงมาจากเมฆจะอยู่ในรูปของหยดน้ำและน้ำแข็ง ในภาวะที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเยือกแข็ง เม็ดน้ำหรือเม็ดเมฆ (Cloud Droplet) ขนาดเล็กสามารถพุ่งชนและรวมตัวกันเป็นหยดน้ำที่มีขนาดใหญ่ขึ้น (Collision-Coalescence Process) แล้วตกลงมาเป็นฝน ส่วนในภาวะที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง เม็ดเมฆขนาดเล็กที่มีความบริสุทธิ์สูงจะอยู่ในสภาพน้ำเย็นยิ่งยวด (Supercooled Water) และจะเกิดการแข็งตัวเป็นผลึกน้ำแข็งเมื่อถูกกระตุ้นจากแรงกระทำภายนอกหรือจับตัวกับอนุภาคขนาดเล็กในอากาศที่มีสมบัติเป็นแกนควบแน่น จากนั้นผลึกน้ำแข็งจะดึงโมเลกุลของน้ำในบรรยากาศเข้ามาจนทำให้ผลึกน้ำแข็งมีขนาดใหญ่ขึ้น (Bergeron-Findeisen Process) แล้วจึงกลายเป็นเกล็ดหิมะ (Snowflake) แต่ถ้าระหว่างทางที่หิมะตกลงมามีอุณหภูมิสูงขึ้น หิมะเหล่านั้นก็จะกลายเป็นฝน
 

          อย่างไรก็ตาม ฝนและหยาดน้ำฟ้าที่ตกลงมาจากเมฆมักเกิดขึ้นในสถานที่และช่วงเวลาที่มนุษย์ไม่ต้องการ ดังนั้นจึงต้องมีเทคโนโลยีในการดัดแปลงสภาพอากาศ (Weather Modification) โดยการกระตุ้นการก่อตัวของเมฆ (Cloud Seeding) เพื่อทำให้เมฆก่อตัวได้เร็วขึ้นและตกลงสู่บริเวณที่กำหนดในรูปของฝนเทียม (Artificial Rain) กระบวนการดังกล่าวสามารถทำได้โดยการก่อกวนเมฆ (Triggering) ด้วยการโปรยสารเคมีจากเครื่องบินเพื่อทำให้มวลอากาศที่ระดับฐานเมฆและยอดเมฆยกตัวสูงขึ้น จากนั้นจะเข้าสู่กระบวนการเลี้ยงให้อ้วน (Fatten) ด้วยการโปรยสารเคมีเพื่อเพิ่มความหนาแน่นและขนาดของหยดน้ำในเมฆ และขั้นตอนสุดท้ายจะเป็นการโจมตี (Attack) ด้วยการโปรยสารเคมีเพื่อทำให้เมฆในสภาวะโตเต็มที่ปลดปล่อยหยาดน้ำฟ้าลงมา การทำ Cloud Seeding ของแต่ละประเทศจะมีกระบวนการปลีกย่อยและสารเคมีที่ใช้แตกต่างกันไปตามความเหมาะสม ซึ่งมีทั้งแบบที่ทำในเมฆร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 องศาเซลเซียส และแบบที่ทำในเมฆเย็นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส

          ทั้งนี้ ประสิทธิภาพของการทำ Cloud Seeding เพื่อสร้างหยาดน้ำฟ้ามีตัวแปรสำคัญคือความชื้นในอากาศและความเร็วลม หากความชื้นมีไม่เพียงพอ (ต่ำกว่า 60 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์โดยประมาณ) หรือความเร็วลมมีค่ามากเกินไป การก่อตัวของเมฆก็อาจล้มเหลวหรือเมฆอาจเคลื่อนตัวไปที่อื่น ดังนั้นก่อนการทำ Cloud Seeding แต่ละครั้งจึงต้องประเมินว่ามีโอกาสสำเร็จมากน้อยเพียงใด และอาจไม่สามารถการันตีได้ว่าฝนหรือหิมะจะตกลงมาทุกครั้ง ซึ่งหากตัวแปรต่างๆ ไม่เอื้ออำนวยแต่ยังฝืนทำ Cloud Seeding ก็อาจส่งผลให้ความชื้นในอากาศลดลงและมีฝนตกน้อยลงในเวลาต่อมา


          ตลอดเวลาเกือบศตวรรษที่ผ่านมาที่มีการวิจัยและทดลองทำ Cloud Seeding นักวิจัยทั่วโลกยังคงถกเถียงกันว่าการทำ Cloud Seeding สามารถสร้างหยาดน้ำฟ้าได้มากน้อยขนาดไหน กระทั่งเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ.2020 ที่ผ่านมา ทีมนักวิทยาศาสตร์บรรยากาศจาก University of Colorado Boulder ได้รายงานผลการศึกษาใน Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) เกี่ยวกับการทดสอบประสิทธิภาพของ Cloud Seeding ด้วยเรดาร์และมาตรวัดหยาดน้ำฟ้า ผลการคำนวณของทีมนักวิจัยพบว่าการทำ Cloud Seeding ด้วยการพ่นอนุภาคของ Silver Iodide สามารถทำให้เกิดหิมะตกนาน 67 นาที แล้วกลายเป็นชั้นหิมะบางๆ ครอบคลุมบริเวณกว้างราว 900 ตารางไมล์ ก่อนที่จะละลายเป็นน้ำปริมาณเท่ากับสระว่ายน้ำโอลิมปิกจำนวน 282 แห่งในเวลาต่อมา


          หากพิจารณาพื้นที่ทั่วโลก เราจะพบว่าหลายประเทศบนโลกมีหิมะตกในฤดูหนาว หิมะเหล่านี้มีประโยชน์ต่อธุรกิจการเล่นสกีตามสถานที่ท่องเที่ยว ก่อนจะละลายเป็นน้ำจืดไหลลงสู่แหล่งน้ำ ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยหลายท่านจึงพยายามนำหิมะเหล่านี้มาใช้ให้เกิดประโยชน์ด้านอื่น ยกตัวอย่างเช่นเมื่อปี ค.ศ.2019 ที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยจาก University of California, Los Angeles ได้ตีพิมพ์งานวิจัยลงในวารสาร Nano Energy เกี่ยวกับการพัฒนาอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าจากหิมะที่มีน้ำหนักเบา บาง ยืดหยุ่น และราคาไม่แพง เรียกว่า Snow-Based Triboelectric Nano-generator (snow TENG) ซึ่งสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าจากประจุไฟฟ้าด้วยการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนระหว่างพื้นผิวสัมผัสของหิมะที่มีประจุบวกกับวัสดุที่ประกอบขึ้นจากอะตอมของซิลิกอน ออกซิเจน คาร์บอน ไฮโดรเจน และธาตุอื่นๆ ที่มีประจุลบ

          ขณะนี้ ทีมนักวิจัยสามารถสร้างอุปกรณ์ snow TENG ได้ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติและวางแผนที่จะใช้อุปกรณ์ดังกล่าวร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์ที่ติดตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีหิมะตกเพื่อชดเชยพลังงานไฟฟ้าที่ลดลงจากการที่แผงโซลาร์เซลล์ถูกหิมะปกคลุม (Shading Effect) ซึ่งไม่กี่ปีก่อนหน้านี้ ทีมนักวิจัยจาก Soochow University ก็ได้พัฒนาอุปกรณ์ TENG ร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์เพื่อทำให้แผงโซลาร์เซลล์สามารถผลิตไฟฟ้าขณะมีฝนตกกระทบเช่นกัน หากผู้อ่านสนใจงานวิจัยดังกล่าวก็สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในบทความชื่อ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้จากฝนและแสงแดด ซึ่งงานวิจัยเหล่านี้อาจเป็นความหวังใหม่ที่จะทำให้พลังงานแสงอาทิตย์มีความมั่นคงมากขึ้นในทุกสภาพอากาศ


          สุดท้ายนี้ การที่แผงโซลาร์เซลล์สามารถผลิตไฟฟ้าได้ทั้งจากแสง ฝน และหิมะก็หมายความว่าเราอาจใช้ข้อมูลทางไฟฟ้าขณะที่ฝนหรือหิมะตกเป็น “ข้อมูลทางอ้อม” เพื่อประเมินว่าในขณะนั้นฝนหรือหิมะตกเบาหรือหนักแค่ไหน เห็นไหมครับว่าเมฆ ฝน หิมะ น้ำ และพลังงานมีแง่มุมที่น่าสนใจซึ่งหลายคนอาจคิดไม่ถึง


 

อ้างอิง

• หนังสือ อุตุนิยมวิทยาเบื้องต้น โดย รังสรรค์ อาภาคัพภะกุล
• https://m.phys.org/news/2020-02-cloud-seeding.html?fbclid=IwAR34mrUdpq2NHoyokA46RDkPTJ7c86OkrUW_PiK12icnpy1AJcGLcXBhCuk
• https://m.phys.org/news/2019-04-scientific-device-electricity-snowfall.html?fbclid=IwAR11hboBV3XCwVbGxsCnCtyC9MaRWE-h9PaMUOpev1MNvJqtjgRgM3XL3Yg
• https://www.pnas.org/content/115/6/1168?fbclid=IwAR3xd8AbZcZerRrPQ3j3QHqF1SVMm3h4JcxeBoEyDaBPw3bvbKXVr-E11-o
• https://vortex.plymouth.edu/precip/precip2aaa.html