การวิจัยวัสดุรูพรุนเพื่อใช้ในยานยนต์พลังงานสะอาด

          ใน ณ ปัจจุบัน เราอาจจะปฏิเสธไม่ได้เลยว่า เทคโนโลยีพลังงานสะอาดนั้น กำลังเป็นที่จับตาในทั่วทุกมุมโลกเลยจริงๆ สืบเนื่องมาจาก ควันฝุ่น PM2.5 ก๊าซคาร์บอนมอนออกไซด์ที่ส่งผลให้เกิดก๊าซเรือนกระจก เป็นภาวะโลกร้อนที่เกิดขึ้นในปัจจุบัน จึงเลยทำให้เกิดเทรนยานยนต์พลังงานสะอาดไม่ว่าจะเป็น ยานยนต์แบบใช้แบตเตอร์รี่ไฟฟ้า ยานยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิง รวมทั้งมีงานวิจัยจาก Northwestern University ได้ทำการคิดค้นและออกแบบ โดยสังเคราะห์วัสดุขึ้นมาใหม่โดยที่วัสดุชนิดนี้จะมีความเป็นรูพรุนเป็นอย่างมาก และ อีกทั้งยังมีพื้นที่ผิวสำหรับบรรจุก๊าซไฮโดรเจน และ มีเทน สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงในยานยนต์ ในส่วนของการออกแบบวัสดุนั้นจะเป็นชนิด โลหะ-ออร์แกนิก หรือ metal-organic framework (MOF) ที่จะสามารถบรรจุไฮโดรเจนและมีเทนได้ในปริมาณที่มากอีกทั้งยังปลอดภัยจากความดันที่เกิดขึ้นภายในถังบรรจุก๊าซ และ อีกทั้งยังมีราคาที่ต่ำอีกด้วย จึงเหมาะสำหรับนำมาใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานสะอาด


          แต่ก่อนอื่นแล้วอะไรคือ Metal-Organic-framework (MOF) สสาร MOF ทำมาจากโมเลกุลของออร์แกนิกเคมี และ ไอออนของโลหะ ที่เมื่อนำมารวมกันแล้วจะทำให้เกิดการวางตัวของโครงสร้างที่มีหลายมิติมากยิ่งขึ้น และอีกทั้งยังมีความเป็นผลึกที่สูง และ มีความพรุนของตัววัสดุอีกด้วย เมื่อไฮโดรเจน และ มีเทน ที่บรรจุอยู่ในตัวถังบรรจุก๊าซในรถยนต์นั้นจะมีความดันที่ถูกอัดลงไปที่ตัวถังนั้นสูงมาก จะทำให้ความสามารถในการบรรจุความดันของแก๊สออซิเจนนั้นสามารถบรรจุได้ถึง 300 ครั้ง เพราะว่า ไฮโดนเจนนั้นมีความหนาแน่นต่ำ มีข้อดีไปแล้วก็ต้องมีข้อบกพร่องเล็กน้อยในเรื่องความไม่ปลอดภัย เพราะว่า ก๊าซไฮโดรเจนนั้นสามารถติดไฟได้ง่าย เมื่อเกิดอุบัติเหตุเกิดขึ้นกับยานพาหนะ นำมาสู่ขั้นตอนในการแก้ปัญหาและออกแบบวัสดุตัวดูดซับที่สามารถบรรจุก๊าซไฮโดรเจนและมีเทนบนยานพาหนะนั้นจะต้องคำนึงถึงความปลอดภัยและความดันต่ำซึ่งจะสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสามารถพัฒนายานยนต์พลังงานสะอาดได้ไปอีกในระดับที่สูงขึ้นต่อไป           ซึ่งขั้นตอนในการพัฒนานั้นจะสามารถทำให้ประสบผลสำเร็จได้นั้นจะต้องทำให้ ขนาดและน้ำหนักของตัวถังนั้นสามารถปรับเปลี่ยนได้ โดยที่ตัววัสดุนั้นจะต้องมีความเป็นรูพรุนสูงเพราะ จะต้องสามารถดูดซับแก๊สไฮโดรเจนในตัวถังที่ได้บรรจุลงไปนั้นได้  และอีกทั้งยังจะต้องศึกษาปริมาตร และ มวลของตัวถังที่ใช้สำหรับบรรจุก๊าซไฮโดรเจน และ มีเทน ไปอีกในระดับขั้นต่อไป ในลำดับต่อมา Farha และ ทีมวิจัย ได้ทำการทดลองและวิจัยอีกทั้งได้กล่าวไว้ว่า ทางทีมวิจัยเขาได้ทำการบรรจุก๊าซไฮโดรเจนและมีเทนลงไปยังวัสดุรูพรุน MOF และนำไปติดตั้งที่ตัวยานพาหนะผลปรากฏว่า มีความดันที่เกิดในตัวถังที่ต่ำที่เหมาะสำหรับนำไปใช้ในยานยนต์ทางเลือกต่อไปในอนาคต ไม่ว่าจะเป็นพลังงานเซลล์เชื้อเพลิง พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อนำมาใช้ในยานยนต์ เป็นต้น ยังมีงานวิจัยอีกชิ้นนึงที่น่าสนใจไม่แพ้กันที่เป็นการนำวัสดุรูพรุนมาทำการศึกษาการเผาไหม้ภายในห้องเครื่องเพื่อลดการเกิดก๊าซมลพิษและฝุ่นควันที่ปล่อยออกมาสู่ชั้นบรรยากาศ


          อีกตัวอย่างนึง ที่เป็นงานวิจัยเกี่ยวกับการนำวัสดุรูพรุนมาใช้ในงานยานยนต์พลังงานสะอาดสมัยใหม่ ที่มีชื่อว่า Porous medium combustion ก่อนอื่นจะขอยกตัวอย่าง combustion หรือ การเผาไหม้ทั่วไปกันก่อน ในปกติแล้วการเผาไหม้เชื้อเพลิงปกตินั้น จะเป็นการนำเชื้อเพลิงไม่ว่าจะเป็น น้ำมัน ก๊าซต่าง ๆ มาทำการเผาไหม้ในห้องเครื่อง แล้วแปรสภาพเป็นพลังงานความร้อน ไปสู่ส่วนต่าง ๆในระบบ แต่ผลปรากฏว่า เกิดประสิทธิภาพการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์แบบจึงทำให้เกิดเขม่า และ ก๊าซคาร์บอนมอนออกไซด์ ลงเหลือและปล่อยสู่บรรยากาศ เพราะฉะนั้น จึงเกิดคำถามที่ว่าแล้วจะทำยังไงให้มีประสิทธิภาพการเผาไหม้ให้เกิดขึ้นได้มากที่สุด ลดการปล่อยมลพิษสู่สิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด ซึ่งทางทีมวิจัยจาก RMUTT ได้ทำการศึกษาการเผาไหม้ด้วยวัสดุที่มีรูพรุน ด้วยการนำวัสดุที่มีรูพรุนดั่งเช่น อะลูมิเนียม และ ถ่านไม้ มาทำการทดลองมาเผากับเตาเผาที่มีทิศทางการไหลของแก๊สในทางเดียวกัน           ในส่วนของขั้นตอนทำการทดลอง จะทำการควบคุมสวิตซ์วาลว์สลับทิศทางการไหลของแก๊สเข้าออก เพื่อรักษาจังหวะการไหลของแก๊สเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ ซึ่งจากผลการทดลอง ทางทีมวิจัยได้ผลสรุปดังว่า เมื่อวัสดุที่มีรูพรุนเพิ่มมากขึ้น บวกกับสลับทิศทางการไหลของแก๊สเข้าออกระหว่างห้องเผาไหม้ทุกๆ 10 นาที จะทำให้สมรรถนะเตาเผานั้นทำได้ดียิ่งขึ้นไปอีก เกิดการเผาไหม้ได้สมบูรณ์นั้นได้มากยิ่งขึ้น ซึ่งจะทำให้การปล่อยจำพวกของเสีย ดั่งเช่น เขม่า และ ก๊าซคาร์บอนมอนออกไซด์นั้นมีปริมาณที่ลดลง            จากตัวอย่างงานวิจัยนี้เป็นเพียงแค่นำวัสดุที่มีความเป็นรูพรุนสูงมาศึกษาและต่อยอดงานวิจัยที่เป็นพลังงานสะอาดและสามารถนำไปต่อยอดในวงการอุตสาหกรรมได้มากมาย ไม่เพียงแค่วงการอุตสาหกรรมยานยนต์ มีทั้งวงการอุตสาหกรรมด้านวัสดุ ที่สามารถปรับปรุงและพัฒนาเรื่องการขึ้นรูปวัสดุ และอื่นๆ อีกมากมาย

 

ที่มา 

• https://phys.org/news/2020-04-gas-storage-method-next-generation-energy.html
• https://science.sciencemag.org/content/368/6488/297
• https://www.nanowerk.com/mof-metal-organic-framework.php
• http://www.rdi.rmutsb.ac.th/2011/digipro/ProCeedingTREC8/12.Fullpaper/12.7IR-%