วัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสี (Radiative cooling materials)

การระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีเป็นปรากฎการณ์ที่วัสดุสามารถลดอุณหภูมิภายในระบบ อาคาร หรือยานพาหนะ ซึ่งการลดอุณหภูมิที่เกิดขึ้นไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า การระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีเกิดกับวัสดุบางประเภทที่สามารถแผ่รังสีความร้อนจากภายในระบบ ส่งผ่านชั้นบรรยากาศ ออกสู่อวกาศได้โดยตรง รังสีความร้อนที่ปลดปล่อยจะอยู่ในช่วงความยาวคลื่น 8 – 13 ไมครอน ในชั้นบรรยากาศของโลกประกอบไปด้วยองค์ประกอบธาตุต่าง ๆ มากมาย เช่น ก๊าซออกซิเจน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ โอโซน และความชื้น เมื่อพิจารณาความสามารถในการดูดซับรังสีจะพบว่า ในช่วงความยาวคลื่น 8 – 13 ไมครอน ก๊าซต่าง ๆ ในชั้นบรรยากาศจะไม่มีการดูดซับรังสี จึงทำให้รังสีสามารถแผ่จากพื้นโลกออกสู่อวกาศได้โดยตรง เรียกช่วงความยาวคลื่นที่ไม่มีการดูดซับนี้ว่า “หน้าต่างบรรยากาศ (Atmospheric window)”  ตามหลักการถ่ายโอนความร้อน ความร้อนจะส่งจากพื้นที่อุณหภูมิสูงสู่พื้นที่อุณหภูมิต่ำ ในกรณีนี้เมื่อพิจารณาจากหน้าต่างชั้นบรรยากาศ  และอุณหภูมิของโลกโดยเฉลี่ย 35 องศาเซลเซียส และอวกาศมีอุณหภูมิ -269 องศาเซลเซียส ความร้อนจึงสามารถถ่ายเทออกสู่อวกาศได้อย่างดี และโดยตรง จึงเป็นอีกวิธีการหนึ่งที่สามารถลดอุณหภูมิของอาคาร หรือยานพาหนะได้ ทำให้สามารถลดปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าจึงเหมาะสมเป็นอย่างมาก สำหรับพื้นที่ที่มีสภาพอากาศแบบร้อนชื้นอย่างประเทศไทย ทำให้ลดปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าสำหรับเครื่องปรับอากาศ หรือไม่จำเป็นต้องใช้เลย นอกจากนั้นหากมองในแง่มุมของค่าต้นทุนวัสดุที่ใช้สำหรับการวัสดุที่สามารถระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีวัสดุจะเป็นสร้างจากพอลิเมอร์เป็นองค์ประกอบหลัก เมื่อพิจารณาของค่าต้นทุนของการผลิตวัสดุระบายความร้อนแบบแผ่รังสีจะมีราคาประมาณ 200 – 500 บาทต่อตารางเมตรในท้องตลาด งานวิจัยนี้สามารถเคลือบวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีวัสดุในราคาไม่เกิน 50 บาทต่อตารางเมตร หากวัสดุสามารถลดอุณหภูมิได้ 1 – 2 องศาเซลเซียส จะทำให้สามารถช่วยลดปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าประมาณ 5 – 15 เปอร์เซ็นต์ และจะคืนต้นทุนให้กับผู้ใช้ในเวลาเพียงไม่กี่เดือน ทำให้เป็นประโยชน์ต่อผู้ใช้ และสภาพแวดล้อม

การพัฒนาวัสดุลดความร้อนแบบแผ่รังสีจึงมีจุดมุ่งหมายในเพิ่มการสะท้อนรังสีช่วงความยาวคลื่นอัลตราไวโอเลต แสงขาว และใกล้อินฟราเรด (0.3 – 2.5 ไมครอน) เพื่อลดความร้อนที่จะเข้าสู่ระบบ และเพิ่มการปลดปล่อยรังสีอินฟราเรดในช่วง 8 -13 ไมครอน โดยสามารถสรุปได้ 3 ขั้นตอนดังนี้

1.การเลือกใช้วัสดุ คือ การเลือกวัสดุที่มีคุณสมบัติในการปลดปล่อยรังสีในช่วง 8 – 13 ไมครอน เช่น PDMS, PMMA, PVDF, EVA หรือ PET เป็นต้น

2.การเติมแต่งอนุภาค คือ การเติมอนุภาคขนาดนาโนหรือไมครอนลงในวัสดุเพื่อเพิ่มการปลดปล่อยรังสีอินฟราเรดและ/หรือการการสะท้อนแสง เช่น SiO₂, TiO₂, ZnO หรือ CaCO₃ เป็นต้น

3.การทำรูปทรงต่าง ๆ คือ การทำให้รูปทรบแบบต่าง ๆ ลงบนพื้นผิวโดยมีจุดประสงค์หลักในการเพิ่มการปลดปล่อยรังสีอินฟราเรดและ/หรือการการสะท้อนแสง โดยสามารถทำได้หลากหลายรูปทรงเช่น ทรงกลมกลวง, ทรงกระบอก, ทรงสี่เหลี่ยม, ทรงปิรามิด หรือรูพรุน เป็นต้น

ผลลัพธ์ที่ได้

ฟิล์มที่ถูกสร้างขึ้นมาจะมีชั้นแรกเป็นฟิล์มบางขนาด 10 ไมครอน และถูกเคลือบด้วยหยดน้ำลงบนพื้นผิวเป็นชั้นที่สอง ในเบื้องต้นกลไกการขึ้นรูปแบบฉีดพ่นจากแปรงพ่นสีสามารถปรับลักษณะที่ต้องการได้ขึ้นอยู่อัตราการฉีดพ่น และอัตราเร็วของสเปรย์ โดยอัตราเร็ว และอัตราฉีดพ่นที่เหมาะสมสามารถสร้างขนาดหยดน้ำได้เฉลี่ย 20 ไมครอน และมีจำนวนของขนาดหยดน้ำในช่วง 8 – 13 ไมครอนร้อยละ 30 นอกจากนั้นเพื่อแสดงความสามารถในการขยายขนาดการผลิต กาพ่นสีขนาดใหญ่ถูกนำมาพัฒนาเพื่อสร้างฟิล์มที่ลักษณะคล้ายคลึงกัน

การพัฒนาวัสดุให้สามารถแผ่รังสีความร้อนในช่วง 8 – 13 ไมโครมิเตอร์ให้ดีนั้นสามารถทำได้หลักๆ 3 วิธี คือ 1) การเลือกวัสดุ (materials) ที่มีพันธะเคมีที่เหมาะสมที่ให้สามารถแผ่รังสีความร้อนในช่วง 8 – 13 ไมโครมิเตอร์ 2) ในกรณีวัสดุหลักที่สนใจใม่มีพันธะเคมีที่เหมาะสม สามารถใช้สารเจือปน (additives) วัสดุที่มีพันธะเคมีที่เหมาะสมเพื่อส่งเสริมการแผ่รังสีความร้อนในช่วง 8 – 13 ไมโครมิเตอร์ 3) การทำให้เกิดรูปทรงและรูร่าง (patterning) และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของดัชนีการสะท้อนแสงที่แตกต่างกันแบบไม่เป็นเนื้อเดียว โดยรูปทรงเหล่านั้นต้องมีขนาดในช่วง 8 – 13 ไมโครมิเตอร์ การเปลี่ยนแปลงในช่วงนี้ทำให้เกิดการแผ่รังสีความร้อนอินฟราเรดในช่วง 8 – 13 ไมโครมิเตอร์เช่นกัน

การยื่นจดสิทธิบัตรการประดิษฐ์ เลขที่คำขอ 2201006598 เรื่อง “กรรมวิธีการขึ้นรูปฟิล์มบางระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีด้วยการฉีดพ่น” ยื่นจดวันที่ 10/10/2565 และผลงานตีพิมพ์ในนิตยสาร Cell Reports Physical Science ตีพิมพ์วันที่ 02/04/2567 (impact factor = 8.9, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101899) นี้มุ่งเน้นไปที่การพัฒนากระบวนการที่ 3 ให้ถูกลงและเพิ่มรูปแบบการนำไปใช้งานให้หลากหลายอย่างมาก ในปัจจุบันการทำให้เกิดรูปทรงและรูปร่าง (patterning) เป็นการใช้กระบวนการราคาแพงและทำได้ค่อนข้างยาก เช่น chemical vapor deposition (CVD) และ soft lithography เพื่อให้เกิดรูปทรงต่างๆที่ควบคุมได้อย่างชัดเจน เช่น ทรงพีระมิด ทรงสามเหลี่ยม ทรงกลม ทรงสี่เหลี่ยม นอกจากนั้นกระบวนการของเราสามารถใช้ได้กับวัสดุที่หลากหลายตามกระบวนการที่ 1 และ 2 อีกด้วย

กระบวนการฉีดพ่นเพื่อสร้างวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสี

แนวคิดที่แปลกใหม่ของงานเราที่ถูกพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรกของโลกคือการใช้กระบวนการฉีดพ่น ที่มีอัตราการพ่น เวลาในการพ่น ความหนืดของสาร ระยะการพ่น ความเข้มข้นของสารที่พ่น และการใช้ความร้อนที่เหมาะสม ทำให้การพ่นที่ไม่เรียบเหมือนการพ่นสีรถ แต่เกิดรูปทรงและรูปร่าง (patterning) ของสารที่พ่น เป็นหยดน้ำทรงแบน ที่มีขนาดแนวราบในช่วง 8 – 13 ไมโครมิเตอร์ และมีความหนาน้อยกว่า 0.5 ไมโครมิเตอร์ ให้มากที่สุด ผ่านกระบวนการราคาถูกและขยายขนาดได้ ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิดคือเราสามารถสร้างวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีขนาดใหญ่ตามต้องการ ที่มีต้นทุนถูกกว่าเทคโนโลยีที่มีขายในท้องตลาด 10 เท่า โดยมีประสิทธิภาพแตกต่างเพียงเล็กน้อยขึ้นอยู่กับรูปแบบบ้านจำลองที่ใช้ นอกจากข้อดีของการฉีดพ่นที่ทำได้ง่ายและขยายขนาดได้ง่ายแล้ว ปริมาณสารระบายความร้อนในการสร้างหยดน้ำทรงแบนจำนวนมากต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตรของเราเป็นการประหยัดสารเคมีเป็น 100 เท่า เทียบกับปริมาณสารระบายความร้อนในการสร้างทรงกลมหรือทรงอื่นเป็น 100 เท่า หยดน้ำทรงแบนของเรามีความหนาเพียง 100-300 นาโนมิเตอร์ เทียบกับทรงกลมหรือทรงอื่นๆที่ผู้อื่นพัฒนาจากกระบวนการที่มีความที่ซับซ้อนกว่ามาก และมีความหนาหลักสิบไมโครมิเตอร์ขึ้นไป

การทดสอบประสิทธิภาพ a) บนพื้นผิวต่างๆ b) ความสามารถในการลดอุณหภูมิของพื้นผิวที่ถูกเคลือบด้วยกระบวนการฉีดพ่นเทียบกับพื้นผิวที่ไม่ถูกเคลือบด้วยกระบวนการฉีดพ่น c) การทดสอบระยะยาวเทียบกับสินค้าที่เพิ่งเริ่มขายในตลาดโลก

อีกหนึ่งข้อดีสำคัญของกระบวนการฉีดพ่นที่เราพัฒนาขึ้น คือความสามารถในการเคลือบพื้นผิวที่หลากหลาย ต่างจากคู่แข่งที่เป็นมีสินค้าเป็นสติ๊กเกอร์ที่เหมาะสำหรับติดกับวัสดุผิวเรียบเท่านั้น แต่กระบวนการฉีดพ่นของเราสามารถใช้ได้กับลักษณะพื้นผิวที่หลากหลายเนื่องจากการใช้การบวนการฉีดพ่น และเราสามารถปรับสารลดความร้อนด้วยการแผ่รังสีที่ใช้ในฉีดพ่นและกระบวนการให้เหมาะสมกับพื้นผิวนั้นๆ

เราได้ลองเคลือบลงบนแก้ว กระจก แผ่นโลหะสำหรับหลังคา (metal sheet) ปูน (concrete) และกระเบื้องหลังคา และค้นพบว่าวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีแบบใสด้วยการฉีดพ่นที่เราพัฒนาขึ้นสามารถลดความร้อนโดยเฉลี่ย สำหรับแก้วได้ 0.84 องศา สำหรับกระจกได้ 0.82 องศาเซลเซียส สำหรับแผ่นโลหะได้ 0.25 องศาเซลเซียส สำหรับแผ่นไม้ได้ 2.20 องศาเซลเซียส สำหรับปูนได้ 1.03 องศาเซลเซียส สำหรับกระเบื้องหลังคาได้ 1.21 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับการไม่เคลือบ โดยสารเคลือบของเรามีลักษณะใส ไม่เปลี่ยนสีของวัสดุมากนัก

เมื่อเทียบกับสินค้าคู่แข่งที่เป็นแผ่นสติ๊กเกอร์ติดเพื่อลดความร้อนโดยใช้หลักการแผ่รังสีความร้อนเหมือนกัน ซึ่งถูกเรียกว่า R เพื่อป้องกันการถูกฟ้องร้อง พบว่าวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีด้วยการฉีดพ่นที่เราพัฒนาขึ้น (เรียกว่า optimized condition) สามารถลดความร้อนได้ใกล้เคียงกับ R ตลอดระยะเวลา 2 เดือนของการทดสอบการใช้งานจริง โดยสามารถลดอุณหภูมิได้ในช่วง 1 – 2 องศาเซลเซียส การลดอุณหภูมิมากน้อยในแต่ละวัน ขึ้นอยู่กับความชื้นและสภาพอากาศซึ่งส่งผลต่อการดูดกลืนความร้อนของชั้นบรรยากาศ

ผลกระทบของผลงาน

1) นวัตกรรมการผลิตวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีด้วยการฉีดพ่น ที่ใช้ได้จริง ลดความร้อนได้จริง ผ่านการทดสอบภาคสนาม โดยในปัจจุบัน รศ. ดร. พงศกร กาญจนบุษย์ ซื้อที่ดินในซอยสหพร ติดกับ ม. มหิดล ศาลายา เพื่อการทดสอบวัสดุที่พัฒนาขึ้นในการใช้งานจริงในภาคสนาม ร่วมกับการทดสอบภาคสนามที่ดาดฟ้าของตึก SC1 ของคณะวิทยาศาสตร์ รศ. ดร. พงศกร กาญจนบุษย์ จะมีการหา partner เพื่อทดสอบการใช้งานจริงควบคู่กันไปในระดับที่ใหญ่ขึ้นอีกด้วย

2) เมื่อเปรียบเที่ยบกับคู่แข่งรายใหญ่ในท้องตลาดในปัจจุบัน

ในแง่ของราคา: นวัตกรรมของเรามีต้นทุนวัสดุถูกกว่า 10 บาทต่อตารางเมตร ถ้ารวมต้นทุนอื่นๆ เช่น การขึ้นรูปที่ง่ายกว่าคู่แข่ง การขนส่งที่สะดวกกว่าคู่แข่ง การตลาดสินค้าไทยเพื่อคนไทย โดยเป็นสินค้าที่ไม่ส่งผลต่อความปลอดภัย ทำให้คนทั่วไปมีโอกาสเปิดใจยอมรับได้ง่ายกว่า นวัตกรรมของเรามีต้นทุนรวมอยู่ในช่วงไม่เกิน 50 บาทต่อตารางเมตร ต้นทุนอาจลดลงได้อีกมากขึ้นอยู่กับปริมาณการผลิต เทียบกับราคาขายของคู่แข่งในท้องตลาด ที่ 200 – 500 บาทต่อตารางเมตร

ในแง่ของความหลากหลายของการใช้งาน: นวัตกรรมของเราสามารถเคลือบบนวัสดุที่หลากหลาย เช่น วัสดุที่มีรูปทรงที่หลากหลาย เช่น แก้ว กระจก แผ่นโลหะ แผ่นไม้ ปูน กระเบื้องหลังคาที่มีลักษณะเป็นคลื่นได้ ต่างจากคู่แข่งที่สามารถใช้บนวัสดุผิวเรียบ เช่น แก้ว กระจก และวัสดุหลังคาแบบเรียบเท่านั้น วัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีด้วยการฉีดพ่นที่เราพัฒนาขึ้นสามารถลดความร้อนโดยเฉลี่ย สำหรับแก้วได้ 0.84 องศา สำหรับกระจกได้ 0.82 องศาเซลเซียส สำหรับแผ่นโลหะได้ 0.25 องศาเซลเซียส สำหรับแผ่นไม้ได้ 2.20 องศาเซลเซียส สำหรับปูนได้ 1.03 องศาเซลเซียส สำหรับกระเบื้องหลังคาได้ 1.21 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับการไม่เคลือบ

ในแง่ของความเร็วในการเคลือบ การฉีดพ่นสามารถถูกทำได้เร็วกว่าการติดสติ๊กเกอร์ของคู่แข่ง เมื่อต้องการใช้กับพื้นผิวขนาดใหญ่ โดยสารเคลือบของเรามีลักษณะใส ไม่เปลี่ยนสีของวัสดุมากนัก

ในแง่ของปริมาณสารเคมี: การฉีดพ่นสามารถประหยัดสารเคมีได้มากเป็น 100 เท่า เพราะสามารถเคลือบบางๆได้

ในแง่ของประสิทธิภาพการลดความร้อน: ใกล้เคียงกับคู่แข่งในท้องตลาดโลกและที่จะนำมาขายในไทยในอนาคต ในการทดสอบจำลองสำหรับบ้านทรงกล่องสี่เหลี่ยมที่มีการระบายความร้อนน้อย นวัตกรรมของเราสามารถลดอุณหภูมิเฉลี่ยได้สูงถึง 3.94 องศาเซลเซียส เทียบกับ R ที่ลดลดอุณหภูมิเฉลี่ยได้ 3.67 องศาเซลเซียส

3) เราแบ่งผลวิจัยบางส่วนไปตีพิมพ์ และเก็บผลวิจัยที่เหลือเป็นการพัฒนาต่อเนื่อง ผลงานวิจัยก็ยังได้รับตีพิมพ์ระดับ Top3% ของสาขา engineering (miscellaneous) โดยนิตยาสารมีค่า impact factor สูงถึง 8.9 ผลงานวิจัยถูกตอบรับให้ตีพิมพ์ เมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์ 2567 ที่ผ่านมา ผลงานได้ถูกยื่นจดสิทธิบัตรปลายปี 2565 โดย ม. มหิดล ร่วมกับศูนย์ THEP

4) การใช้วัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีเป็นหนึ่งในวิธีที่สามารถช่วยให้ประเทศไทย สามารถเข้าถึงเป้าหมาย Carbon neutrality การที่บ้านหรือโรงงานมีอุณหภูมิพื้นฐานก่อนการเปิดเครื่องปรับอากาศที่น้อยลงเพียง 1 – 2 องศาเซลเซียส จะช่วยลดการใช้พลังงานของระบบเครื่องปรับอากาศอย่างเป็นรูปธรรม โดยปรกติแล้วการปรับอุณหภูมิเครื่องปรับอากาศเพิ่มขึ้น 1 องศา จะลดการใช้พลังงานของเครื่องปรับอากาศได้ 10% (โดยคิดอุณหภูมิเฉลี่ยอากาศภายนอกทั้งปีเท่ากับ 35 องศา) โดยหลักการเดียวกัน การลดอุณหภูมิพื้นฐานของอาคารลงเพียง 1 – 2 องศาเซลเซียส โดยการใช้วัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีที่ถูกพัฒนาขึ้น จะลดการใช้พลังงานของเครื่องปรับอากาศได้ 10 – 20% ถ้าตั้งเครื่องปรับอากาศไว้ที่อุณหภูมิเดิม

5) เมื่อพิจารณาพลังงานไฟฟ้าโดยรวมของเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านของประเทศไทย มากถึง 50 – 80 เปอร์เซ็นต์เป็นการใช้พลังงานกับเครื่องปรับอากาศ นวัตกรรมนี้จึงส่งผลกระทบอย่างมากถ้าสามารถถูกนำไปใช้จริงอย่างแพร่หลาย โดยครัวเรือนจะประหยัดค่าไฟฟ้าได้มากถึง 5 – 15% จากค่าไฟฟ้ารวมต่อเดือน สมมุติหลังคามีพื้นที่ 50 ตารางเมตร ราคาวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสี 50 บาทต่อตารางเมตร ราคารวม 2,500 บาทต่อหลัง สมมุติค่าไฟฟ้าต่อเดือนอยู่ที่ 2,500 บาทต่อเดือน และนวัตกรรมนี้ประหยัดค่าไฟได้ 10 % หรือ 250 บาทต่อเดือน การติดตั้งนวัตกรรมนี้จะคืนทุนในระยะเวลาน้อยกว่า 1 ปี หลังจากนั้น เจ้าของบ้านจะประหยัดค่าไฟฟ้า 5 – 15% ต่อเดือน

6) คนไทยใช้พลังงานไฟฟ้ากว่า 5 หมื่นล้านบาทต่อเดือน การประหยัดพลังงานไฟฟ้าเพียง 5% จะสามารถสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจได้ถึง 2500 ล้านบาทต่อเดือน ถ้าเทคโนโลยีถูกพัฒนาจนใช้ได้จริงอย่างแพร่หลายในไทย มูลค่าจะยิ่งสูงขึ้นถ้าถูกนำไปใช้ในต่างประเทศ

งานวิจัยถูกตีพิมพ์ในวารสาร Cell Reports Physical Science
Published: April 02, 2024

ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101899

รายชื่อนักวิจัย

Patawee Sakata, Kullachate Muangnapoh, Worawut Rueangsawang, Chattrarat Ponghiransmith, Chatchai Pornmanat, Napan Phuphathanaphong, Pornnapha Mangthong, Jakrapong Kaewkhao, Supakij Suttiruengwong, Pongsakorn Kanjanaboos

บทความโดย
รศ. ดร.พงศกร กาญจนบุษย์
email:  pongsakorn.kan@mahidol.edu