ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบใหม่

ตัวต้นแบบของตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบใหม่

       พลังงานกลที่สะสมอยู่ในเกลียวคลื่นทะเลเป็นทางเลือกหนึ่งของแหล่งพลังงาน ทุกๆ นาทีจะมีคลื่นทะเลหลายลูกสาดกระทบฝั่ง ทำให้น้ำทะเลบนชายฝั่งเคลื่อนที่ขึ้นลงตามจังหวะของคลื่นทะเล พลังงานกลจากการเคลื่อนที่นี้สามารถนำไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ แต่ระดับความสูงของคลื่นน้ำทะเลบริเวณชายฝั่งมีความสูงไม่มากนัก ทำให้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้มีปริมาณน้อย เมื่อเร็วๆ นี้ นักฟิสิกส์ได้ออกแบบและสาธิตตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบใหม่ที่สามารถรวมคลื่นน้ำทะเลให้มีระดับสูงขึ้นได้ คล้ายกับตัวรวมแสงที่สามารถรวมแสงให้มีความเข้มแสงสูงขึ้นได้ ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลที่นักฟิสิกส์สร้างขึ้นจะเป็นประโยชน์ในการสร้างพลังงานไฟฟ้าจากคลื่นน้ำทะเล


       ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบเก่าใช้อาเรย์ของแท่งทรงกระบอกหลายๆ อันวางไว้ใต้น้ำหรือกำแพงที่เจาะเป็นช่องที่แคบลง (ลักษณะเหมือนรูปกรวย) เพื่อรวมคลื่นน้ำทะเล^[2] แต่ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบเก่าเหล่านี้สะท้อนคลื่นทะเลเยอะ ทำให้มีพลังงานของคลื่นน้ำทะเลบางส่วนโดนสะท้อนกลับไป ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบใหม่แก้ปัญหาเรื่องการสะท้อนของคลื่นน้ำทะเล ทำให้พลังงานของคลื่นน้ำที่มันรวมได้มีค่าสูงขึ้น   


       ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบใหม่นี้ถูกออกแบบและสร้างขึ้นโดย Chunyang Li และคณะจากประเทศจีน^[1] โดยนักวิจัยได้รับแรงบันดาลใจมาจากตัวรวมคลื่นไมโครเวฟซึ่งมีสมการรูปแบบเดียวกันกับสมการของคลื่นน้ำ ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลแบบใหม่ประกอบไปด้วยช่องแคบที่วางตัวอยู่ในแนวรัศมีในลักษณะแบบวงแหวน ช่องแคบมีความสูงไม่คงที่ กล่าวคือความสูงของผนังช่องแคบที่ตำแหน่งของรัศมีภายในมีค่าน้อยกว่าความสูงของผนังช่องแคบที่ตำแหน่งรัศมีภายนอก ทำให้ช่องแคบมีลักษณะลาดเอียงจากบริเวณด้านในออกมาสู่บริเวณด้านนอก ซึ่งส่งผลให้ระดับความลึกของน้ำที่บริเวณด้านในตื้นกว่าระดับความลึกของน้ำที่บริเวณด้านนอก นอกจากนี้ช่องแคบยังมีลักษณะเรียวจากด้านนอกเข้าสู่ด้านในอีกด้วย    
 เมื่อนำอุปกรณ์นี้ไปวางไว้ใต้น้ำโดยให้กำแพงของช่องแคบโผล่พ้นผิวของคลื่นน้ำแล้ว คลื่นน้ำจะสามารถเคลื่อนที่ผ่านเฉพาะบริเวณช่องแคบของอุปกรณ์นี้เข้าไปสู่บริเวณภายในของมันได้ จากนั้นคลื่นน้ำบริเวณภายในของอุปกรณ์นี้จะเกิดการรวมกันจนทำให้ระดับความสูงของคลื่นน้ำเพิ่มสูงขึ้น 


       การออกแบบให้ช่องแคบมีความลาดเอียงเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้คลื่นน้ำสามารถทะลุผ่านอุปกรณ์นี้เข้าไปสู่บริเวณภายในอุปกรณ์แล้วเกิดการรวมกันจนทำให้ความสูงของคลื่นน้ำเพิ่มขึ้นได้ ความลาดเอียงถูกกำหนดโดยรัศมีภายใน รัศมีภายนอก ความสูงของผนังช่องแคบที่ตำแหน่งของรัศมีภายใน และความสูงของผนังช่องแคบที่ตำแหน่งรัศมีภายนอก การปรับความลาดเอียงของช่องแคบจะช่วยปรับระยะทางสุทธิที่คลื่นน้ำเคลื่อนที่ได้ภายในช่องแคบ ถ้าระยะทางสุทธินี้มีค่าเท่ากับจำนวนเต็มบวก 1,2,3,… คูณกับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของคลื่นน้ำที่มาตกกระทบลงบนอุปกรณ์นี้แล้ว คลื่นน้ำภายในช่องแคบจะเข้าสู่สภาวะของการสั่นพ้อง (resonance) ซึ่งจะส่งผลให้พลังงานของคลื่นน้ำทั้งหมดที่ตกกระทบลงบนช่องแคบทะลุผ่านช่องแคบไปได้โดยปราศจากการสะท้อน 
ดังนั้นอุปกรณ์นี้จึงจัดได้ว่าเป็นอุปกรณ์จำเพาะ กล่าวคือมันทำงานได้เฉพาะกับความยาวคลื่นน้ำตกกระทบหรือค่าความถี่ของคลื่นน้ำตกกระทบที่จำเพาะเจาะจงค่าหนึ่งเท่านั้น ถ้าความถี่ของคลื่นน้ำตกกระทบเปลี่ยนแปลงไปแล้ว เราจะต้องปรับความลาดเอียงของช่องแคบใหม่เพื่อให้ได้เงื่อนไขของสภาวะการสั่นพ้องตามที่ต้องการ
ทีมนักวิจัยเตรียมตัวรวมคลื่นน้ำทะเลขึ้นมา 2 ตัว ตัวหนึ่งมีขนาดเล็กและตัวหนึ่งมีขนาดใหญ่ เพื่อแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์นี้สามารถขยายสเกลให้ใหญ่ขึ้นเพื่อใช้งานได้จริง


       ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลขนาดเล็กถูกเตรียมขึ้นด้วยเครื่องปริ้น 3D มันมีรัศมีภายในและภายนอกเท่ากับ 35 มิลลิเมตรและ 70 มิลลิเมตรตามลำดับ ส่วนความสูงของผนังช่องแคบที่ตำแหน่งรัศมีภายในและที่ตำแหน่งรัศมีภายนอกมีค่าเท่ากับ 2 มิลลิเมตรและ 8 มิลลิเมตรตามลำดับ ความกว้างของช่องแคบที่ตำแหน่งรัศมีภายในและที่ตำแหน่งรัศมีภายนอกมีค่าเท่ากับ 3.3 มิลลิเมตรและ 7.7 มิลลิเมตรตามลำดับ และจำนวนของแผ่นผนังของช่องแคบเท่ากับ 50 อัน นั่นคือจำนวนของช่องแคบเท่ากับ 49 นั่นเอง  
นักวิจัยสาธิตการทำงานของตัวรวมคลื่นน้ำทะเลขนาดเล็กที่ความถี่ของคลื่นน้ำ 2 ค่าคือ 4.95 รอบ/วินาที และ 7.05 รอบ/วินาที ความถี่เหล่านี้ตรงกับเงื่อนไขการสั่นพ้องของคลื่นน้ำภายในช่องแคบ นักวิจัยใช้กล้องถ่ายภาพบันทึกการเคลื่อนที่ของคลื่นน้ำที่เวลาต่างๆ กัน แล้วพบว่าคลื่นน้ำตกกระทบที่อยู่รอบๆ ตัวอุปกรณ์มีลักษณะเหมือนเดิมเพราะมันไม่ถูกรบกวนเลย นั่นแสดงให้เห็นว่าคลื่นน้ำตกกระทบสามารถเดินทางผ่านตัวอุปกรณ์ไปได้โดยปราศจากการสะท้อน ความยาวคลื่นของคลื่นน้ำลดลงเมื่อมันวิ่งละทุเข้าไปสู่บริเวณภายในของตัวอุปกรณ์ และที่สำคัญที่สุด นักวิจัยพบว่าระดับความสูงของคลื่นน้ำที่จุดศูนย์กลางของบริเวณภายในของตัวรวมคลื่นน้ำทะเลเพิ่มสูงขึ้น 2 เท่า   

ภาพการทดลองวัดความสูงของคลื่นน้ำภายในตัวรวมคลื่นน้ำทะเลขนาดใหญ่

       ตัวรวมคลื่นน้ำทะเลขนาดใหญ่มีรัศมีภายในและภายนอกเท่ากับ 24.8 เซนติเมตรและ 42.9 เซนติเมตรตามลำดับ ส่วนความสูงของผนังช่องแคบที่ตำแหน่งรัศมีภายในและที่ตำแหน่งรัศมีภายนอกมีค่าเท่ากับ 6.7 เซนติเมตรและ 10 เซนติเมตรตามลำดับ ความกว้างของช่องแคบที่ตำแหน่งรัศมีภายในและที่ตำแหน่งรัศมีภายนอกมีค่าเท่ากับ 3.1 เซนติเมตรและ 5.3 เซนติเมตรตามลำดับ และจำนวนของแผ่นผนังของช่องแคบเท่ากับ 50 อัน


       นักวิจัยวางเรืออันเล็กๆ ไว้ตรงจุดศูนย์กลางของบริเวณภายในของตัวรวมคลื่นน้ำอันใหญ่เพื่อให้เห็นระดับความสูงของน้ำได้อย่างชัดเจน บนเรือมีเซนเซอร์วัดระดับที่เปลี่ยนแปลงไปของผิวน้ำติดอยู่ดังแสดงในรูปที่ 1 นักวิจัยพบว่าความสูงของคลื่นน้ำที่ตำแหน่งนี้เพิ่มขึ้นถึง 3 เท่าเมื่อความถี่ของคลื่นน้ำตกกระทบเท่ากับ 1.5 รอบ/วินาที ระดับความสูงของผิวคลื่นมีค่าลดลงเมื่อความถี่ของคลื่นน้ำตกกระทบขยับออกจากความถี่ 1.5 รอบ/วินาที  


       นักวิจัยเชื่อว่าโครงสร้างนี้สามารถขยายให้มีขนาดใหญ่ขึ้นได้อีก เพื่อที่จะทำให้ระดับของคลื่นน้ำที่รวมได้ภายในอุปกรณ์นี้มีขนาดสูงขึ้น นอกจากนี้มันยังเป็นไปได้ที่เราจะประยุกต์ใช้อุปกรณ์คล้ายกันนี้กับการรวมคลื่นชนิดอื่น เช่น คลื่นเสียง เนื่องจากสมการฟิสิกส์ที่ควบคุมคลื่นเสียงมีรูปแบบเดียวกันกับสมการของคลื่นน้ำ (และคลื่นแสง)  


 

เรียบเรียงโดย

ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] C. Li, L. Xu, L. Zhu, S. Zou, Q. H. Liu, Z. Wang, and H. Chen, “Concentrators for Water Waves,” Phys. Rev. Lett. 121, 104501 (2018).
• [2] https://physics.aps.org/articles/v11/89