การพรางความร้อนจากกล้องอินฟาเรด

(ภาพจาก https://futurist.gr/graphene-could-give-you-predator-vision-contact-lenses-by-leslie-horn/)

ปี ค.ศ. 2018 มีภาพยนต์เรื่อง The Predator ซึ่งเป็นเรื่องราวการต่อสู้ของมนุษย์กับสิ่งมีชีวิตที่มาจากนอกโลกที่เรียกว่า พรีเดเตอร์ โดยตัวพรีเดเตอร์มีความสามารถพิเศษ คือ สามารถตรวจจับความร้อน และมองเห็นสิ่งต่าง ๆ ได้เหมือนกล้องอินฟาเรด ฉะนั้นมนุษย์จะไม่สามารถซ่อนตัวจากพรีเดเตอร์หลังสิ่งของหรือกำแพงได้เลย ทำให้มนุษย์เราเสียเปรียบมาก แต่ในภาคเก่า ๆ พระเอกของเราได้เอาโคลนมาทาตัว ทำให้สามารถหลบรอดสายตาของพรีเดเตอร์ได้ ซึ่งจากงานวิจัยล่าสุดเรามีอุปกรณ์เทคโนโลยีใหม่ๆ ที่ไม่ต้องใช้โคลนทาตัวเพื่อปิดบังความร้อนจากร่างกายแล้ว นักวิจัยได้คิดค้นการพรางความร้อนจากกล้องอินฟาเรดได้ ตีพิมพ์รายงานการวิจัยลงในวารสาร Nano Letters เดือนมิถุนายน ค.ศ. 2018


การพรางตัวมีความสำคัญมากในระบบนิเวศ สัตว์ต่างๆ ทั้งผู้ล่าและผู้ถูกล่าต่างก็ต้องแข่งขันกันเพื่อประโยชน์ของตัวเอง สัตว์หลายชนิดมีสีผิวกลมกลืนกับสภาพแวดล้อมทำให้ถูกตรวจจับสังเกตเห็นยาก สัตว์บางชนิดเช่นหมึกกระดอง (Cuttlefish) สามารถเปลี่ยนสีผิวให้กลมกลืนกับสภาพแวดล้อมได้ นี่เป็นการพรางโดยสี เป็นแรงบันดาลใจให้นักวิทยาศาสตร์สร้างเทคโนโลยีการพรางความร้อนจากกล้องอินฟาเรด


การพรางมีความสำคัญมากในวงการทหาร เสื้อลายพรางมิได้มีจุดมุ่งหมายเพื่อความสวยงามของผู้สวมใส่ แต่มีความหมายตามชื่อคือพรางตัวไว้หลบการสังเกตการณ์จากศัตรูในยามสู้รบให้มองเห็นยากขึ้น ไม่โดดเด่นจนเกินไป การสู้รบในอดีตเช่นสงครามเวียดนามมักต่อสู้กันในบริเวณป่าเขา ซึ่งมีต้นไม้อยู่มาก เสื้อลายพรางของทหารในหลายประเทศจึงมักมีโทนสีเขียวเพื่อกลมกลืนกับสภาพแวดล้อม ถ้าเราสามารถพัฒนาการพรางความร้อนจากกล้องอินฟาเรดและนำไปใช้ในสงครามได้จริง ทหารจะสามารถพรางตัวจากการตรวจจับด้วยกล้องอินฟาเรดจากทหารฝ่ายศัตรูและจากอากาศยานบนฟ้า เช่นโดรนที่อาจใช้กล้องอินฟาเรดตรวจจับความร้อนบริเวณพื้นดิน ทหารที่มีเทคโนโลยีการพรางความร้อนจากกล้องอินฟาเรดจะได้เปรียบในการรบมาก


นักวิทยาศาสตร์พัฒนาการพรางความร้อนจากกล้องอินฟาเรด การพัฒนานี้สามารถทำให้วัตถุดูเหมือนว่ามีอุณหภูมิเท่ากับพื้นหลัง โดยอุปกรณ์นี้เป็นแผ่นฟิล์มที่มีข้อดีคือมันทั้งมีน้ำหนักเบา บาง และงอได้ สามารถพรางความร้อนจากกล้องอินฟาเรดได้ ทำให้วัตถุที่ร้อนดูเหมือนเย็น วัตถุที่เย็นดูเหมือนร้อน ทำให้พรางอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิพิ้นหลัง


หลักการทำงานนี้เกี่ยวข้องกับการใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของฟิล์ม โดยเปลี่ยนวัตถุที่มีคุณสมบัติคล้าย วัดถุดำ ภาษาอังกฤษคือ Black body (นักศึกษาที่เรียนวิชากลศาสตร์ควอนตัมจะรู้จักกันดี เพราะเป็นเนื้อหาในบทแรกๆของวิชากลศาสตร์ควอนตัม กล่าวสั้นๆมันคือ วัตถุที่ดูดกลืนและปล่อยคลื่นแม่เหล็กๆไฟฟ้าแต่จะไม่มีการทะลุผ่านหรือสะท้อนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า)  ไปเป็นวัตถุที่คุณสมบัติคล้ายโลหะ คือสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดี แต่จะดูดกลืนหรือปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟ้าได้ไม่ดีนัก


แผ่นฟิล์มนี้ทำมาจากชั้นของไนลอน ทองคำ โพลีเอทิลีน จุ่มลงในของเหลวที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีประจุและชั้นของแกรฟีน ซึ่งแกรฟีนนั้นผลึกคาร์บอนชนิดหนึ่ง มีโครงสร้างแบบตารางผึ้งหกเหลี่ยม หนาเพียงหนึ่งอะตอมเรียงกันเป็นชั้นๆ มีความแข็งแรงมาก น้ำหนักเบา เป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี จึงถูกขนานนามว่าเป็นวัตถุมหัศจรรย์


แกรฟีนยังมีคุณสมบัติในการปล่อยความร้อนออกมาในรูปของการแผ่รังสีได้ดี ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือ เมื่อแผ่นฟิล์มไปอยู่บนมือของมนุษย์ ความร้อนที่ได้จากมือมนุษย์จะปลดปล่อยออกไปเป็นแสงอินฟาเรด เมื่อเราตรวจดูด้วยกล้องอินฟาเรด เราก็จะเห็นมือของมนุษย์

(ภาพจาก https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01746)

แต่นักวิจัยพบว่าเมื่อเราสร้างแรงดันไฟฟ้าขึ้นในแผ่นฟิล์ม โมเลกุลที่มีประจุในชั้นโพลีเอทิลีนจะรวมขั้นด้วยกันกับชั้นของแกรฟีน ผลลัพธ์ที่ได้คือมันลดการปลดปล่อยแสงอินฟาเรดที่แกรฟีนปลดปล่อยออกมา ดังนั้นเมื่อทีมนักวิจัยทดลองใส่แรงดันไฟฟ้า 3 โวลท์เข้าไปในแผ่นฟิล์ม รูปมือของคนเมื่อมองจากกล้องอินฟาเรดก็จะมองไม่เห็นอีกต่อไป


แล้วจะรู้ได้อย่างไรว่าจะต้องใส่แรงดันไฟฟ้าเข้าไปกี่โวลท์ คำตอบก็คือ นักวิจัยจะสร้างเซนเซอร์ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิบริเวณพื้นผิว และใช้ข้อมูลนี้เอง เพื่อที่จะปรับแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสม สามารถที่จะพรางอุณหภูมิได้


นักวิจัยยังพบว่าไม่เพียงการใส่แรงดันไฟฟ้าลงไปจะทำให้ลดการปลดปล่อยของรังสีอินฟาเรด มันจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการสะท้อนของรังสีอินฟาเรดอีกด้วย ถ้าสิ่งที่เราต้องการพรางนั้นอุ่นกว่าบริเวณสิ่งรอบข้าง เราใส่แรงดันไฟฟ้าเราไปจะช่วยลดการปลดปล่อยของรังสีอินฟาเรด และกรณีถ้าสิ่งที่เราต้องการพรางมีอุณหภูมิเย็นกว่าบริเวณสิ่งรอบข้าง เราใส่แรงดันไฟฟ้าเข้าไป มันจะดูอุ่นขึ้นเพราะตอนนี้จะมีรังสีอินฟาเรดให้สะท้อนมากขึ้นจากบริเวณสิ่งรอบข้าง


นักวิจัยกำลังทำงานเรื่องการพรางความร้อนนี้ในช่วงอุณหภูมิ 25-38 องศาเซียลเซียส คงยังอีกไกลกว่าเราจะสามารถนำแผ่นฟิล์มนี้ไปใช้พรางตัวในสมรภูมิรบจริงๆ แต่มันก็นับเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่อาจช่วยให้ทหารได้เปรียบในการรบและพระเอกหนังชวาร์เซเน็กเกอร์ของเราก็ไม่ต้องใช้โคลนมาพอกตัวเพื่อหลบการตรวจจับของพรีเดเตอร์อีกต่อไป


 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01746
• [2] https://www.theguardian.com/science/2018/jun/27/scientists-develop-thermal-camouflage-that-can-fool-infrared-cameras
• [3] https://newatlas.com/thermal-camouflage-material/55229/
• [4] https://cosmosmagazine.com/physics/hiding-in-plain-heat-thermal-camouflage-moves-one-step-nearer