คอมเพรสเซอร์ของเครื่องปรับอากาศที่คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม
นอกจากเครื่องปรับอากาศเหล่านี้จะกินไฟแล้ว พวกมันยังส่งเสียงดังรบกวนการทำงานอีกด้วย
ยานของกาโมร่าถูกระเบิดเป็นจุนด้วยนำมือของเนบูลาผู้ซึ่งเป็นน้องสาวของเธอเอง ถึงตัวยานจะโดนระเบิดทำลายไป แต่น่าเหลือเชื่อที่ร่างกายของกาโมร่ากลับไม่เป็นอะไรเลย (ซึ่งขอละไว้ในฐานที่เข้าใจของผู้ชมแต่ละคน) ร่างกายของกาโมร่าลอยแน่นิ่งเคว้งคว้างอยู่กลางอวกาศ ควิลล์เฝ้ามองดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นด้วยสีหน้าตื่นตะลึงอยู่ภายในยานของตัวเอง ถึงแม้เพื่อนกึ่งมนุษย์กึ่งแร็คคูนที่ชื่อร็อคเก็ตจะเตือนคลิลล์แล้วว่าไม่มีอะไรที่พวกเขาจะสามารถช่วยกาโมร่าได้ แต่ความเป็นฮีโร่และความรักของคลิลล์ผลักให้เขาพุ่งทะยานตัวออกจากยานของตัวเองพร้อมด้วยหน้ากากออกซิเจนที่เขามีอยู่เพียงอันเดียวเพื่อช่วยชีวิตกาโมร่า เขาถอดหน้ากากออกซิเจนออกแล้วใส่มันให้กับกาโมร่า เหงื่อบนใบหน้าที่เปลือยเปล่าของคลิลล์เปลี่ยนสภาพเป็นเกล็ดน้ำแข็งอย่างรวดเร็ว ดวงตาของเขาเริ่มแดงก่ำ ความเหน็บหนาวของอวกาศกำลังจะกลืนกินชีวิตเขา
นั่นเป็นฉากสำคัญของภาพยนตร์ฮอลลีวูดชื่อ Guardian of the Galaxy ภาค 1 ฉากนี้ฉายให้เห็นว่าร่างกายมนุษย์จะเป็นอย่างไรเมื่ออยู่ภายใต้อุณหภูมิประมาณ 3 เคลวิน หรือ -270 องศาเซลเซียสของอวกาศ อุณหภูมิเฉลี่ยของร่างกายควิลล์อยู่ที่ 37 องศาเซลเซียส (หรือ 310 เคลวิน) ซึ่งมากกว่าอุณหภูมิของอวกาศอยู่ถึง 307 องศาเซลเซียส ดังนั้นกฎทางฟิสิกส์จึงบังคับให้ร่างกายของควิลล์ต้องถ่ายเทพลังงานความร้อนออกจากตัวควิลล์ไปสู่อวกาศในรูปของรังสีหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นักฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการถ่ายเทความร้อนด้วยการแผ่รังสี
ภายในช่วงเวลา 1 วินาที พลังงานความร้อนที่ควิลล์แผ่ออกสู่อวกาศจะมีค่าเท่ากับพื้นที่ผิวหนังทั้งหมดของควิลล์คูณกับค่าคงที่ตัวหนึ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า “ค่าคงที่สเตฟานโบลทซ์มานน์” (Stefan-Boltzmann constant) และคูณกับผลต่างระหว่างกำลังสี่ของอุณหภูมิของควิลล์ในหน่วยเคลวินและกำลังสี่ของอุณหภูมิของอวกาศในหน่วยเคลวิน ดังนั้นเราจึงสามารถประมาณได้ว่า ผิวหนังของควิลล์ 1 ตารางเมตรจะแผ่พลังงานความร้อนประมาณ 524 จูล ดังนั้นภายในเวลา 1 นาทีหรือ 60 วินาที ควิลล์จะสูญเสียพลังงานความร้อนเท่ากับ 524 x 60 = 31,440 จูล การสูญเสียพลังงานความร้อนระดับนี้สามารถทำให้อุณหภูมิของน้ำปริมาตร 0.1 ลิตรมีอุณหภูมิลดลงถึง 75 องศาเซลเซียสได้
เรื่องเลวร้ายที่เกิดขึ้นกับควิลลค์กลับเป็นเรื่องดีสำหรับเรา อวกาศเป็นบริเวณที่กว้างใหญ่ไพศาล อุณหภูมิโดยเฉลี่ยของอวกาศมีค่าคงที่ประมาณ 3 เคลวินเสมอ ดังนั้นอวกาศจึงเปรียบเสมือนบ่อทิ้งความร้อนที่ลึกไร้ขีดจำกัด ถ้ารังสีความร้อนที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากวัตถุบนพื้นโลกสามารถวิ่งฝ่าชั้นบรรยากาศโลกเพื่อออกสู่ห้วงอวกาศได้แล้ว วัตถุนี้ก็จะเย็นลงโดยไม่จำเป็นต้องพึ่งพาพลังงานไฟฟ้าเลย แถมยังไม่มีเสียงรบกวนจากกระบวนการนี้อีกด้วย นี่คือการทำความเย็นด้วยการแผ่รังสี
การทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีอาศัยหน้าต่างแคบๆ ของชั้นบรรยากาศโลกที่ยอมให้รังสีในย่านความยาวคลื่น 8-13 ไมโครเมตรเล็ดลอดผ่านไปได้ ต่อไปนี้ผู้เขียนจะขอเรียกรังสีในแถบนี้ว่า “รังสีความเย็น (cold ray)” เพื่อความสะดวกในการอธิบาย
รังสีในย่านความยาวคลื่น 8-13 ไมโครเมตรเล็ดลอดผ่านบรรยากาศไปได้
รังสีความเย็นเป็นรังสีอินฟราเรดที่ถูกแผ่ออกมาจากวัตถุซึ่งมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับสิ่งแวดล้อมบนพื้นโลก ดังนั้นเราจึงสังเกตเห็นว่าพื้นโลกในยามราตรีมีอุณหภูมิลดต่ำลงกว่ายามกลางวันอันเนื่องมาจากการแผ่รังสีความเย็นของพื้นดินนั่งเอง ปรากฏการณ์นี้เห็นได้ชัดเจนในทะเลทราย อุณหภูมิในตอนกลางคืนยามหนาวของทะเลทรายอาจจะลดลงต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียส ในขณะที่อุณหภูมิในตอนกลางวันอาจจะสูงกว่าสี่สิบองศาเซลเซียส
อุปกรณ์ทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีจะต้องทำมาจาก “พื้นผิวแบบเลือก (selective surface)” ที่สามารถดูดกลืนรังสีความเย็นได้ดีเยี่ยม 100% แต่ทว่าดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นอื่นๆ นอกเหนือจากนี้ได้ยอดแย่ 0% นั่นคือสภาพการดูดกลืนรังสี (absorptivity) ของมันจะต้องมีค่าดังแสดงในรูปที่ 1 และจากกฎของเคอร์ชอฟฟ์ (Kirchoff’s law) ซึ่งกล่าวว่าสภาพการดูดกลืนรังสีมีค่าเท่ากับสภาพการปลดปล่อยรังสี (emissivity) อุปกรณ์นี้จึงสามารถแผ่รังสีความเย็นออกสู่ชั้นบรรยากาศโลกได้โดยปราศจากการรับพลังงานความร้อนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นอื่นๆ เข้ามายังตัวมันเอง เช่น แสงอาทิตย์และรังสีจากสิ่งแวดล้อมรอบๆ อุปกรณ์ เป็นต้น ด้วยเหตุนี้ตัวอุปกรณ์จึงสามารถเย็นลงได้จากความร้อนที่ถูกนำไปทิ้งในอวกาศ สังเกตว่าวัตถุประเภทนี้ไม่ใช่วัตถุดำในเชิงฟิสิกส์ (black body)
รูปที่ 1 สภาพการดูดกลืนรังสี (absorptivity) และสภาพการปลดปล่อยรังสี (emissivity)
ของพื้นผิวแบบเลือกในอุดมคติของการทำความเย็นด้วยการแผ่รังสี
เพื่อทำความเข้าใจฟิสิกส์ของอุปกรณ์ทำความเย็นด้วยการแผ่รังสี เราจะสมมติให้อุปกรณ์ทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีมีลักษณะเป็นแผ่นสี่เหลี่ยมที่ตั้งอยู่บนฐานตั้งซึ่งทำมาจากฉนวนความร้อนที่สมบูรณ์แบบ ทั้งตัวอุปกรณ์และฐานตั้งถูกวางไว้ภายในโถสุญญากาศดังแสดงด้วยภาพตัดขวางในรูปที่ 2 โถสุญญากาศและฐานตั้งจะช่วยลดช่องทางของการถ่ายเทความร้อนด้วย “การนำความร้อน” และ “การพาความร้อน” ระหว่างสิ่งแวดล้อมและตัวอุปกรณ์ ส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนระหว่างตัวอุปกรณ์และสิ่งแวดล้อมมีเพียงแค่การถ่ายเทความร้อนด้วย “การแผ่รังสี” เท่านั้น
รูปที่ 2 อุปกรณ์การทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีอย่างง่าย
เราสามารถกำหนด “กำลังการทำความเย็น (cooling power)” ซึ่งก็คือพลังงานสุทธิที่อุปกรณ์สามารถปลดปล่อยออกจากตัวมันเองได้ภายในเวลา 1 วินาที เมื่อเราแทน (1) กำลังการทำความเย็นด้วย Pcool (2) กำลังการแผ่รังสีของอุปกรณ์ด้วย Pout และ (3) กำลังการดูดกลืนรังสีของอุปกรณ์ด้วย Pin แล้วเราจะได้สมการง่ายๆ สำหรับกำลังการทำความเย็นดังต่อไปนี้
Pcool = Pout – Pin
เมื่ออุปกรณ์ทำความเย็นเริ่มต้นทำงาน อุณหภูมิของอุปกรณ์ทำความเย็นจะเท่ากันกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม ถ้าขณะนั้นอุปกรณ์ทำความเย็นสามารถทำให้ Pout > Pin หรือ Pcool > 0 ได้แล้วอุณหภูมิของอุปกรณ์ทำความเย็นจะเริ่มลดลง โดยอุณหภูมิของอุปกรณ์ทำความเย็นจะลดลงเรื่อยๆ จนกระทั่ง Pcool = 0 ซึ่งอุปกรณ์จะเข้าสู่สภาวะคงตัวและมีอุณหภูมิคงที่ จากกระบวนการนี้เราจึงสามารถหากำลังการทำความเย็นของอุปกรณ์ทำความเย็นจากการกำหนดให้อุณหภูมิของอุปกรณ์ทำความเย็นเท่ากันกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม และหาอุณหภูมิของอุปกรณ์ทำความเย็นที่สภาวะคงตัวจากการกำหนดให้ Pcool = 0
ถ้า Pin = 0 นั่นคืออุปกรณ์ไม่ดูดกลืนรังสีจากสิ่งแวดล้อมรอบๆ ตัวมันเลย อุณหภูมิของอุปกรณ์จะลดลงเรื่อยๆ จนเท่ากันกับอุณหภูมิของอวกาศ กรณีเช่นนี้เกิดขึ้นกับกาโมร่าและควิลล์ที่ลอยเคว้งคว้างอยู่กลางอวกาศที่มืดมิด ถ้าปล่อยทั้งคู่ไว้อย่างนั้น ไม่นานอุณหภูมิของทั้งคู่จะเท่ากับ 3 เคลวิน กลายเป็นส่วนหนึ่งของอวกาศ
แต่แน่นอนว่า Pin ไม่เท่ากับศูนย์บนพื้นโลก โลกมีอากาศ อากาศมีอุณหภูมิ ดังนั้นจึงมีรังสีถูกแผ่ออกมาจากอากาศ ยิ่งอากาศร้อนรังสีที่ถูกแผ่ออกมายิ่งมีกำลังสูง
ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สหรัฐอเมริกา นำโดยโปรเฟสเซอร์ซานฮุย ฟาน (Shanhui Fan) ได้ทำการคำนวณอุปกรณ์ทำความเย็นง่ายๆ นี้เมื่อมันทำงานในเวลา “กลางคืน” แล้วพบว่า ถ้าใช้วัสดุพิเศษซึ่งมีคุณสมบัติการดูดกลืนและปลดปล่อยรังสีดังแสดงในรูปที่ 1 แล้ว อุณหภูมิของอุปกรณ์ทำความเย็นจะลดลงถึง 60 °C จากอุณหภูมิอากาศ 20 °C ณ มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด [1]
มีวัสดุหลายชนิดที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับพื้นผิวแบบเลือกในอุดมคติสำหรับการทำความเย็นด้วยการแผ่รังสี เช่น พลาสติก PVF (พลาสติก Tedlar ผลิตโดย DuPont), SiO2, SiO, Si3N4, และ TiO2 (วัสดุที่เป็นส่วนประกอบของสีทาสีขาว) เป็นต้น การศึกษาการทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีในเวลากลางคืนของวัสดุเหล่านี้เริ่มต้นในช่วงยุค 70s ยกตัวอย่างในปี ค.ศ. 1974 S. Catalanotti และคณะ ได้ทดลองให้เห็นว่าพลาสติก Tedlar ซึ่งผลิตโดย DuPont สามารถแผ่รังสีจนมีความอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมถึง 12 °C ในเวลากลางวัน [2] แต่อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ของ S. Catalanotti และคณะต้องอาศัยตัวบังแดดเพื่อลดค่าของ Pin ทำให้อุปกรณ์นี้ไม่สามารถทำงานในที่แจ้งได้โดยตรง
ถึงแม้ว่าวัสดุทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีเหล่านี้จะแผ่รังสีความเย็นได้ดี แต่พวกมันก็ดูดกลืนพลังงานบางส่วนของแสงแดด ซึ่งทำให้เราไม่สามารถนำเอาวัสดุเหล่านี้มาช่วยทำให้บ้านเรือนเย็นลงโดยไม่ใช้ไฟฟ้าในเวลากลางวันได้ คุณอาจจะแก้ปัญหานี้โดยการทำที่บังแดดให้กับบ้านเหมือนในการทดลองของ S. Catalanotti และคณะ โดยตัวบังแดดนี้อาจจะเป็นกำแพงสูงที่ปลูกสร้างอยู่ข้างตัวบ้านในทิศทางหันเข้าหาดวงอาทิตย์ กำแพงบังแดดนี้อาจจะช่วยให้หลังคาบ้านที่มีวัสดุแผ่รังสีความเย็นผสมอยู่ได้ทำหน้าที่ในการปั๊มเอาความร้อนภายในตัวบ้านออกสู่อวกาศได้อย่างภาคภูมิ
ถ้าสมมติว่าวัสดุแผ่รังสีความเย็นมีลักษณะเป็นแผ่นฟิล์มซึ่งมีพื้นผิวเป็นพื้นผิวแบบเลือกในอุดมคติดังแสดงในรูปที่ 1 และอุณหภูมิเริ่มต้นของพื้นผิวเท่ากับ 30 °C แล้วแผ่นฟิล์มนี้จะปลดปล่อยรังสีความเย็นครอบคลุมปริมาตรรูปวงกลมรอบๆ ตัวมันเองด้วยกำลัง Pout = 156 วัตต์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตรของแผ่นฟิล์ม [3]
ผู้เขียนเคยใช้ลักซ์มิเตอร์ของที่ทำงานตรวจวัดกำลังของแสงแดดในตอนเที่ยงของช่วงกลางเดือนพฤศจิกายนแล้วพบว่าภายในพื้นที่ 1 ตารางเมตรจะมีกำลังของแสงแดดมากสุดอยู่ถึง 1,100 วัตต์ ถ้าเรายังไม่คิดกำลังของรังสีที่แผ่ออกมาจากบรรยากาศรอบๆ วัสดุแล้ว เราจะได้ว่าภายในพื้นที่ 1 ตารางเมตรของวัสดุจะมีกำลังเท่ากับ 1,100 วัตต์ตกกระทบลงบนแผ่นวัสดุ ดังนั้นแผ่นฟิล์มจะต้องดูดกลืนแสงแดดโดยเฉลี่ยน้อยกว่า 14.1% ซึ่งจะทำให้ Pin < 156 วัตต์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร แล้วทำให้ Pcool > 0 ส่งผลให้ให้แผ่นฟิล์มมีอุณหภูมิลดลงได้ ตัวอย่างของวัสดุที่ทำเช่นนั้นได้คือวัสดุจำพวกโลหะเงิน โลหะเงินสะท้อนแสงแดดได้ดีเยี่ยมซึ่งส่งผลให้มันดูดกลืนแสงแดดน้อยมากจะเห็นได้ว่าความท้าทายของการสร้างอุปกรณ์ทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีในตอนกลางวันคือ วัสดุจะต้องมีพื้นผิวเป็นแบบเลือกปลดปล่อยรังสีความเย็นและจะต้องไม่ดูดกลืนแสงแดดโดยเด็ดขาด
ทีมวิจัยที่ประสบความสำเร็จในการเตรียมและสาธิตอุปกรณ์ทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีในตอนกลางวันเมื่อตัวอุปกรณ์หันเข้าหาดวงอาทิตย์โดยตรงคือทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่นำโดยโปรเฟสเซอร์ซานฮุย ฟาน[3] ภายในอุปกรณ์นี้มีโครงสร้างนาโนเชิงทัศนศาสตร์ (optical nanostructure) ขั้นสูงที่ทำหน้าที่ปลดปล่อยรังสีความเย็นและสะท้อนแสงแดดออกจากตัวอุปกรณ์ โครงสร้างนาโนเชิงทัศนศาสตร์นี้เป็นโครงสร้างแบบหลายชั้นที่ประกอบไปด้วยแผ่น SiO2 จำนวน 3 แผ่นและแผ่น HfO2 จำนวน 4 แผ่นวางสลับกันอยู่บนแผ่นโลหะเงิน (แผ่น HfO2 อาจแทนด้วยแผ่น TiO2 ที่มีราคาถูกกว่า) นักวิจัยคำนวณหาความหนาของแต่ละแผ่นที่ดีที่สุดที่ทำให้กำลังการทำความเย็นของโครงสร้างนี้ยอดเยี่ยมที่สุดโดยใช้ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก่อนที่จะเตรียมโครงสร้างนี้ด้วยเครื่อง electron beam evaporation
นอกจากโครงสร้างนี้จะมีคุณสมบัติพื้นผิวแบบเลือกที่สามารถแผ่รังสีความเย็นได้แล้ว มันยังสามารถสะท้อนแสงแดดได้ดีถึง 97% นั่นหมายความว่ามีพลังงานแสงแดดเพียงแค่ 3% เท่านั้นที่ถูกดูดกลืนโดยโครงสร้าง เนื่องจากกำลังแสงแดดที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดอยู่ในช่วง 800-870 วัตต์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร โครงสร้างนี้จึงได้รับกำลังแสงแดดอยู่ในช่วง 24-26.1 วัตต์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตรซึ่งน้อยกว่ากำลังของรังสีเย็นที่ถูกแผ่ออกจากตัวโครงสร้าง ทีมของโปรเฟสเซอร์ซานฮุย ฟาน ได้ทำการทดสอบการทำงานของตัวอุปกรณ์ที่พวกเขาเตรียมขึ้นในช่วงเวลา 13:00-14:00 น. แล้วพบว่าอุณหภูมิของตัวอุปกรณ์ลดต่ำลงกว่า 5 °C และกำลังการทำความเย็นของอุปกรณ์นี้มีค่าประมาณ 40 วัตต์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร
งานวิจัยในสาขานี้เป็นไปอย่างรวดเร็ว นักวิจัยต้องการเพิ่มกำลังการทำความเย็น เพิ่มขนาดของตัวอุปกรณ์ และค้นหาวิธีการเตรียมใหม่ๆ ที่ช่วยลดราคาของตัวอุปกรณ์ เช่น อนุภาคไมโคร SiO2 (SiO2 microparticles) ที่ฝังอยู่ในแผ่นพลาสติกสามารถให้กำลังการทำความเย็นเฉลี่ยในช่วงเวลากลางวันสูงถึง 93 วัตต์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร [4] แผ่นพลาสติกนี้สามารถผลิตได้เป็นพื้นที่กว้างและในปริมาณมากซึ่งเหมาะต่อการนำไปใช้ประโยชน์จริงในเชิงการค้า แต่อย่างไรก็ตามแผ่นพลาสติกนี้ยังต้องอาศัยแผ่นกระจกเงินช่วยสะท้อนแสง ล่าสุด นักวิจัยสามารถเปลี่ยนพอลิเมอร์ที่แผ่รังสีความเย็นแต่ทว่าโปร่งแสงให้สามารถสะท้อนแสงได้ด้วยตัวเอง คุณสมบัติสะท้อนแสงเกิดขึ้นจากช่องว่างของอากาศที่อยู่ภายในพอลิเมอร์ กำลังการทำความเย็นในตอนกลางวันของพอลิเมอร์นี้เท่ากับ 96 วัตต์ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร ซึ่งส่งผลให้อุณหภูมิของพอลิเมอร์ลดต่ำลง 6 °C [5]
ที่กล่าวมาข้างต้นเป็นฟิสิกส์อย่างง่ายสำหรับผู้ที่สนใจเริ่มต้นศึกษาอุปกรณ์ทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำงาน แถมยังไม่ส่งเสียงรบกวนให้รำคาญใจอีกด้วย งานวิจัยเพื่อค้นหาวัสดุหรือโครงสร้างแบบใหม่ที่ให้กำลังการทำความเย็นยอดเยี่ยมที่สุดเป็นหนึ่งในแผนงานวิจัยขั้นแนวหน้า (frontier research) ทางด้านพลังงานในหัวข้อ active materials ของประเทศไทย[6] พวกเราคงต้องรอลุ้นกันต่อไปว่าโฉมหน้าของอุปกรณ์ทำความเย็นด้วยการแผ่รังสีฝีมือคนไทยที่ได้รับการยอมรับจากนักวิชาการทั่วโลกนั้นจะเป็นอย่างไร และอุปกรณ์นี้จะช่วยลดค่าไฟให้กับพวกเราได้จริงๆ หรือไม่
เรียบเรียงโดย
ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)