โครงการวิจัย 2: การคิดค้นวัสดุแมกนีโทแคลอริก สำหรับเครื่องทำความเย็น

โครงการวิจัย 2: การคิดค้นวัสดุแมกนีโทแคลอริก สำหรับเครื่องทำความเย็น

เทคโนโลยีทำความเย็น มีความสำคัญต่อชีวิตของมนุษย์เป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตามเครื่องทำความเย็นปัจจุบันเกือบทั้งหมดอาศัยวัฏจักรการอัดไอ (vapor compression cycle) ซึ่งต้องการสารในกลุ่มคลอโรฟลูโอโรคาร์บอน (CFC) หรือ ไฮโดรฟลูโอโรคาร์บอน (HFC) เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าสารดังกล่าวเป็นต้นเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดปัญหาภาวะโลกร้อน ดังนั้นการคิดค้นวัสดุหรือนวัตกรรมการทำความเย็นรูปแบบใหม่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง

ปรากฏการณ์แมกนีโทแคลอริก (Magnetocaloric Effect, MCE) ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2424 โดย E. Warburg นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน จากการนำแท่งเหล็กบริสุทธิ์วางในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิต่ำแล้วพบว่าแท่งเหล็กบริสุทธิ์มีการปล่อยและดูดกลืนความร้อนเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กการเกิดปรากฏการณ์แมกนีโตแคลอริกมีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของวัสดุแม่เหล็กเนื่องจากการจัดเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก โดยวัสดุแมกนีโทแคลอริกเป็นวัสดุที่นักวิจัยแสดงให้เห็นแล้วว่ามีศักยภาพสูงเพียงพอที่จะสามารถพัฒนาเพื่อประยุกต์ใช้ในระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กได้ [1] อีกทั้งจากการศึกษาในทางทฤษฏีพบว่า เป็นระบบที่สามารถพัฒนาให้มีประสิทธิภาพดีกว่าระบบที่อาศัยวัฏจักรอัดไอที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้แต่ยังมีอุปสรรคที่ต้นทุนในการผลิตที่สูงและยังต้องอาศัยสนามแม่เหล็กที่มีความแรงมากๆ ดังนั้นการคิดค้นวัสดุที่สามารถแสดงปรากฏการณ์แมกนีโทแคลอริกได้ดีโดยอาศัยสนามแม่เหล็กน้อยๆ ในระดับที่สามารถสร้างโดยใช้แม่เหล็กถาวรได้นั้นจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการทำความเย็นรวมถึงอุตสาหกรรมต่างๆ ที่เกี่ยวข้องซึ่งจะส่งผลให้สามารถเพิ่มศักยภาพในการแข่งขันทางเศรษฐกิจของประเทศได้เป็นอย่างมาก

การประยุกต์ใช้วัสดุ MCE สำหรับการทำความเย็น ยังมีอุปสรรคหลักๆ อยู่ 3 ประการด้วยกัน กล่าวคือวัสดุ MCE มีราคาสูงเนื่องจากมีธาตุหายาก (rare earth) เป็นส่วนประกอบ ช่วงอุณหภูมิที่สามารถแสดงปรากฏการณ์ MCE ที่แคบ และต้องการสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง ด้วยอุปสรรคดังกล่าวทำให้การประยุกต์ใช้วัสดุ MCE สำหรับการทำความเย็นในปัจจุบันไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควร

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีในการสังเคราะห์วัสดุ ทำให้สามารถสังเคราะห์วัสดุ MCE ที่ไม่ใช้ธาตุหายากเป็นองค์ประกอบและสามารถแสดงสมบัติแมกนีโทแคลอริกที่อุณหภูมิใกล้เคียงอุณหภูมิห้อง ซึ่งวัสดุดังกล่าวเป็นอัลลอยที่ประกอบด้วย NiMnCrIn [2] การค้นพบวัสดุ MCE ที่ไม่ใช้ธาตุหายากเป็นองค์ประกอบจึงเป็นการจุดประกายในการประยุกต์วัสดุ MCE เพื่อการทำความเย็น อย่างไรก็ตามการศึกษาวิจัยยังจำเป็นต้องดำเนินการอย่างต่อเนื่อง เพื่อปรับช่วงอุณหภูมิของการแสดงปรากฏการณ์ MCE ให้กว้างขึ้น

แม่เหล็กถาวร (permanent magnets) เป็นส่วนประกอบสำคัญในเครื่องทำความเย็นที่ใช้วัสดุ MCE เนื่องจากสนามแม่เหล็กส่งผลโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัสดุ MCE การสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงต้องใช้ต้นทุนที่สูงตามไปด้วย ถึงแม้จะมีการนำแม่เหล็กถาวรมาจัดเรียงกันเพื่อให้ได้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงได้แต่ผลที่ตามมาคือต้องใช้แท่งแม่เหล็กถาวรจำนวนมากทำให้เครื่องทำความเย็นมีขนาดใหญ่และนำหนักมากตามไปด้วย การพัฒนาวัสดุ MCE ให้สามารถแสดงปรากฏการณ์ MCE โดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มต่ำได้จะช่วยลดขนาดและน้ำหนักของเครื่องทำความเย็นลงได้ถือเป็นความท้าทายของการวิจัยเป็นอย่างมาก

วัสดุแม่เหล็กอ่อน(soft magnets) มีคุณสมบัติพิเศษคือสามารถแสดงความเป็นแม่เหล็กได้มากเมื่อได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กเพียงเล็กน้อยและจะมีการอิ่มตัวทางแม่เหล็กอย่างรวดเร็ว โดยสนามแม่เหล็กที่ถูกเหนี่ยวนำขึ้น (saturation induction magnetic field, B^s ) ในวัสดุแม่เหล็กประเภทนี้จะมีค่าสูงในขณะที่สนามลบล้างแม่เหล็ก (coercive field) มีค่าน้อย โดยวัสดุที่แสดงค่า Bs สูงที่สุดในปัจจุบันจะพบในอัลลอยที่ประกอบด้วย CoFe โดยค่า B^s จะสูงถึง 24 กิโลเออร์สเต็ด (kOe) หรือ 2.4 เทสลา (T) ในขณะที่สนามลบล้างมีค่าน้อยเพียง 8 Oe [3]

โครงการวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นการพัฒนาวัสดุ MCE เพื่อประยุกต์ใช้ในเครื่องทำความเย็น โดยให้ความสำคัญกับต้นทุนในการสังเคราะห์วัสดุ และการลดความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ต้องใช้ วัสดุ MCE จะถูกศึกษาเพื่อปรับช่วงอุณหภูมิในการแสดงปรากฏการณ์ MCE และวัสดุที่ถูกเลือกจะถูกเคลือบด้วยแม่เหล็กอ่อน เพื่อให้สามารถประยุกต์วัสดุ MCE ในการทำความเย็นโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างโดยขดลวดหรือแม่เหล็กถาวรที่มีน้ำหนักเบาและขนาดที่เล็กลง

เอกสารอ้างอิง

[1] I. Takeuchi  and K. Sandeman, “Solid-state Cooling with Caloric Materials”, Phys Today 68(12), 2015), 48-54.

[2] V.K. Sharma, M.K. Chattopadhyay and S.B. Roy, “Large Magnetocaloric Effect in Ni⁵⁰ Mn^33.66 Cr^0.34 In¹⁶  Alloy”, J Phys D: ApplPhys 43, 2010, 225001.

[3] T. Osaka, T. Yokoshima, D. Shiga, K. Imai and  K. Takashima, “High Moment CoFe Soft Magnetic Thin Film Prepared by Electrodeposition”, Electrochem Solid State Lett 6(4), 2003, 53-55.

หัวหน้าโครงการ: ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร. พงศกร  จันทรัตน์¹⁾

นักวิจัยสมทบ: รศ.ดร. ยุทธนันท์ บุญยงมณีรัตน์²⁾ , ผศ.ดร. ศิริกาญจนา ทองมี¹⁾ , ผศ.ดร. วีรพัฒน์  พลอัน¹⁾

หน่วยงานต้นสังกัด: 1) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 2) สถาบันวิจัยโลหะและวัสดุ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย