โปรแกรมวิจัยทางฟิสิกส์เพื่อการอุตสาหกรรม

โปรแกรมวิจัยนวัตกรรมทางฟิสิกส์สำหรับอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก

บทนำ                 

พลังงานเป็นสิ่งสำคัญและจำเป็นต่อการดำเนินชีวิตของมนุษย์ในปัจจุบัน อีกทั้งยังเป็นตัวแปรสำคัญในการพัฒนาเศรษฐกิจ การเพิ่มผลผลิต การพัฒนาคุณภาพทั้งด้านเกษตรกรรมและอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก พลังงานที่ใช้ในประเทศไทยส่วนมากมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล (ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน น้ำมัน) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้แล้วหมดไป ไม่สามารถหามาทดแทนได้(nonrenewable energy sources) ซึ่งมนุษย์ทำการขุดและนำเชื้อเพลิงฟอสซิลมาใช้มากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นไม่ช้าก็เร็วแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิลเหล่านี้จะหมดไปจากโลกของเรา ด้วยเหตุนี้จึงต้องทำการหาวิธีลดการใช้พลังงานลงจากที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน

เนื่องจากประเทศไทยเป็นเมืองร้อนและอยู่ในช่วงการขยายตัวทางเศรษฐกิจอย่างต่อเนื่องทำให้มีการใช้พลังงานเป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะการใช้พลังงานในการทำความเย็น (refrigeration) ซึ่งเป็นปัจจัยพื้นฐานสำคัญของประชาชนในประเทศ ทั้งภาคครัวเรือน ค้าปลีก และขนส่ง ระบบทำความเย็นส่วนมากใช้ในการปรับอากาศเพื่อควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น การไหลเวียนคุณภาพ ความสะอาดของอากาศ รวมถึงควบคุมเสียงรบกวนเพื่อให้เกิดความสบายและเป็นผลดีต่อสุขภาพของบุคลากรในพื้นที่นั้นๆ ระบบทำความเย็นที่เรารู้จักและคุ้นเคยได้แก่ ตู้เย็น ตู้แช่ เครื่องปรับอากาศรถยนต์ เครื่องปรับอากาศในบ้าน เครื่องปรับอากาศในอาคาร นอกจากนี้ระบบทำความเย็นยังเข้ามามีบทบาทสำคัญในกระบวนการผลิตอุตสาหกรรม เช่นอุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งที่ต้องการความเย็นสำหรับการเก็บรักษาอาหารให้มีความสดเป็นเวลานาน โดยการทำงานของระบบทำความเย็นจะใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นหลัก จากการสำรวจพบว่าระบบปรับอากาศที่ใช้ในอาคารขนาดใหญ่ จะใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่าครึ่งหนึ่งของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดในประเทศ ระบบทำความเย็นจึงส่งผลกระทบโดยตรงต่อการใช้พลังงานในประเทศ

ดังนั้น อุตสาหกรรมระบบทำความเย็น จึงเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมหลักของประเทศ โดยผู้ประกอบการภายในประเทศด้านอุตสาหกรรมระบบทำความเย็นนั้น มีศักยภาพในการแข่งขันทางการผลิตในระดับโลกได้อย่างเข้มแข็ง เนื่องจากองค์ความรู้ที่จำเป็นต้องใช้ต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์ทำความเย็น สอดคล้องกับความเชี่ยวชาญของผู้ประกอบการภายในประเทศ ที่สามารถออกแบบและผลิต แปรรูปวัสดุ ผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้อง จนถึงการประกอบชิ้นส่วน ได้ทั้งหมดภายในประเทศ ดังนั้นอุตสาหกรรมระบบทำความเย็นจึงมีศักยภาพในการพัฒนาเทคโนโลยีผลิตภัณฑ์ของตนเองได้ เช่น คอมเพรสเซอร์ ระบบเครื่องปรับอากาศ เป็นต้น  และเพื่อให้เกิดการพัฒนาต่อเนื่องอย่างยั่งยืน ให้อุตสาหกรรมระบบทำความเย็นสามารถแข่งขันได้ในเวทีระดับโลก การพัฒนานวัตกรรมใหม่ในระบบทำความเย็น ที่มุ่งเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน จึงเป็นแนวทางสำคัญที่จะช่วย เพิ่มความเข้มแข็งให้อุตสาหกรรมดังกล่าว และส่งเสริมการเติบโตทางเศรษฐกิจที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกเช่นกัน

สำหรับระบบทำความเย็นในปัจจุบัน ที่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายได้แก่ ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (vapor compression refrigeration) โดยมีหลักการคือ การใช้สารทำความเย็น (refrigerant)เป็นตัวกลางในการทำความเย็น ซึ่งสารทำความเย็นจะเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเนื่องจากการเพิ่มหรือลดความดัน (pressure)แต่ทว่าการทำงานของระบบทำความเย็นแบบนี้ ใช้พลังงานสูงเนื่องจากต้องใช้เครื่องคอมเพรสเซอร์ที่ทำหน้าที่เพิ่มความดันให้กับสารทำความเย็น ซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าที่สูงและมีประสิทธิภาพที่ต่ำเนื่องจากเป็นกระบวนการ irreversible processโดยระบบทำความเย็นแบบอัดไอ ที่ใช้ในปัจจุบัน มีประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า 10% ของ Carnot cycle ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงาน และยังส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยตรง เนื่องจากสารทำความเย็นที่ต้องใช้มีองค์ประกอบของ hydrofluorocarbons (HFCs) และ hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) ที่ส่งผลในการทำลายโอโซนในบรรยากาศชั้นสตราโทสเฟียร์ โดยหน่วยงานทางด้านสิ่งแวดล้อมที่สำคัญ ดังเช่น US Environmental Protection Agency (EPA) ได้ออกมาตรการที่จะเริ่มลดการใช้สารจำพวก HCFCs ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ ภายในปี 2020  จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีระบบทำความเย็นรูปแบบใหม่โดยการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบทำความเย็น เพื่อช่วยลดปริมาณการใช้พลังงานและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม [1]

ในปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาเทคโลยีทำความเย็นระบบ solid-state cooling ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่ใช้ตัวทำความเย็นแบบของแข็ง แทนที่สารทำความเย็น HCFCs โดยเทคโนโลยี Magnetocaloric  Coolings โดยจุดเด่นของตู้เย็นแม่เหล็ก (magnetic refrigerator) คือการใช้ของแข็งเป็นตัวทำความเย็น ไม่ต้องใช้สารทำความเย็นที่ไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม  ไม่ทำลายชั้นโอโซนและไม่ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ภาวะเรือนกระจก และการทำความเย็นแบบปรากฏการณ์ Magnetocaloric Effect (MCE) สามารถได้ประสิทธิภาพสูงถึง 60% ของ Carnot cycle ทำให้ตู้เย็นแม่เหล็ก มีศักยภาพที่จะเป็นแนวทางการทำความเย็นทั้งในภาคครัวเรือนและอุตสาหกรรมในอนาคต

ระบบทำความเย็นด้วยสนามแม่เหล็กหรือระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก อ้างอิงตามหลักทฤษฏีทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) โดยวัสดุที่ใช้ในระบบทำความเย็นนี้เรียกว่า วัสดุแมกนีโทแคลอริก (magnetocaloric materials) ที่มีความสามารถในการเปลี่ยนแปลงแปลงอุณหภูมิ ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของความเข้มสนามแม่เหล็ก ที่ส่งผลต่อการเกิด magnetization หรือ demagnetization ภายในวัสดุแมกนีโทแคลอริก ซึ่งสมบัติการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้สนามแม่เหล็กของวัสดุแมกนีโทแคลอริก จึงสามารถถูกนำมาใช้เป็นวัสดุทำความเย็น โดยหากเปรียบเทียบวัฏจักรการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัด และ ระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จะเห็นว่าระบบทำความเย็นแบบแม่เหล็กจะไม่จำเป็นต้องใช้สารทำความเย็น(HFC หรือ HCFC) และเครื่องคอมเพรสเซอร์ แต่ใช้วัสดุแมกนีโทแคลอริกจะทำหน้าที่เป็นสารทำความเย็น โดยมีอุณหภูมิสูงขึ้นเมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก (H field on) และเย็นตัวลงเมื่อปิดสนามแม่เหล็ก (H field off) โดยในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ วัสดุแมกนีโทแคลอริกจะอยู่ภายใต้สภาวะบรรยากาศปกติ ไม่จำเป็นต้องเพิ่มความดันเหมือนสารทำความเย็นแบบของเหลว จึงไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องคอมเพรสเซอร์ และสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้โดยใช้แม่เหล็กถาวรหมุนไปมาที่ความเร็วรอบไม่เกิน 10 รอบต่อนาที (ซึ่งเป็นความเร็วรอบที่ต่ำกว่าเครื่องคอมเพรสเซอร์มาก) นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้สนามแม่เหล็กของวัสดุแมกนีโทแคลอริก เป็นกระบวนการแบบ reversible process ที่มีประสิทธิภาพใกล้เคียงค่าประสิทธิภาพของ Carnot cycle ส่งผลให้ระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กมีศักยภาพในการประหยัดพลังงานและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่สูงมาก                          

อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการค้นพบปรากฏการณ์ MCE มานานเกิน 40 ปี ในปัจจุบัน นอกจากต้นแบบระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กจากบริษัทอุตสาหกรรมยักษ์ใหญ่ ดังเช่น GE หรือ Haier แล้ว เรายังไม่พบระบบทำความเย็นในเชิงพาณิชย์ที่ชัดเจน เนื่องจากข้อจำกัดบางส่วนที่เป็นจุดอ่อนในเชิงเศรษฐกิจ เช่น ราคาแม่เหล็กถาวรและวัสดุแมกนีโทแคลอริก ที่มีต้นทุนค่อนข้างสูง รวมไปถึงกระบวนการถ่ายเทความร้อน ที่ยังต้องพัฒนาอีกเพื่อให้ได้กำลังการทำความเย็นที่สูงตามความต้องการของตลาด ซึ่งข้อจำกัดเหล่านี้ เป็นข้อจำกัดที่สามารถปรับปรุงพัฒนาได้ด้วยกระบวนการวิจัยและพัฒนาด้านวัสดุแม่เหล็กสำหรับแม่เหล็กถาวรและวัสดุแมกนีโทแคลอริก ซึ่งในปัจจุบัน มีคณะวิจัยในต่างประเทศจำนวนมาก เร่งดำเนินการพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก เพื่อให้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้จริงในเชิงพาณิชย์ [2-4] จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ ที่เทคโนโลยีทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จะเริ่มเข้ามามีบทบาทในอุตสาหกรรมทำความเย็น ในอนาคตอันใกล้

ด้วยเหตุผลดังกล่าวข้างต้น อุตสาหกรรมระบบทำความเย็นจึงจำเป็นต้องเร่งสร้างความพร้อมทั้งทางด้านทรัพยากรบุคคลและหน่วยงานวิจัยเฉพาะทาง เพื่อสร้างองค์ความรู้วิจัยด้านวัสดุแม่เหล็กสำหรับแม่เหล็กถาวรและการทำความเย็น รวมไปถึงการสร้างความรู้และเข้าใจในระบบทำความเย็นดังกล่าว เพื่อให้ภาคอุตสาหกรรมมีความพร้อมปรับตัว เมื่อระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กเริ่มเข้ามามีบทบาทสำคัญ สามารถออกแบบ พัฒนาผลิตชิ้นส่วนและประกอบระบบทำความเย็นรูปแบบใหม่ได้ เพื่อมั่นใจให้ได้ว่าจะไม่เกิดการย้ายฐานการผลิตไปประเทศอื่นที่มีศักยภาพและความรู้ความเข้าใจด้านระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กที่ดีกว่า หรือมีต้นทุนทางการผลิตและแรงงานที่ถูกกว่า นอกจากนี้ การสร้างและพัฒนาต้นแบบของระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กให้มีประสิทธิภาพที่จะนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมของประเทศไทย จะช่วยลดการสิ้นเปลืองพลังงานจำนวนมหาศาลในด้านการใช้พลังงานไฟฟ้าและการสูญเสียความร้อนของระบบ อีกทั้งยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากเลิกใช้สารทำความเย็นที่ทำลายชั้นโอโซนและก่อให้เกิดปรากฏการณ์ภาวะเรือนกระจกดังระบบในปัจจุบัน

ในการนี้ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ได้เล็งเห็นความสำคัญของเทคโนโลยีแม่เหล็กที่จะมีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาความเข้มแข็งด้านพลังงานและอุตสาหกรรมของประเทศ จึงริเริ่มการสัมมนาแลกเปลี่ยนความรู้เพื่อพัฒนาโปรแกรมวิจัยทางแม่เหล็ก ที่ผนึกความร่วมมือ จากคณาจารย์และนักวิจัย ที่มีประสบการณ์ทางงานวิจัยทางด้านวัสดุแม่เหล็กและการพัฒนาต้นแบบเชิงวิศวกรรมในระดับชาติและนานาชาติ จากหลายหน่วยงานทั่วประเทศไทย ซึ่งประกอบด้วย ภาควิชาฟิสิกส์และภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์  ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดล สำนักวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี สำนักวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ รวมไปถึงที่ปรึกษาจากภาคเอกชน ได้แก่ บริษัท กุลธรเคอร์บี้ จำกัด (มหาชน) และบริษัท เควี อีเลคทรอนิคส์ จำกัด โดยมีเป้าหมาย ที่จะวิจัยและพัฒนาวัสดุแม่เหล็กและกระบวนการผลิต สำหรับแม่เหล็กถาวรและการทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก โดยประยุกต์ใช้นวัตกรรมทางฟิสิกส์ อันได้แก่ เทคโนโลยีวัสดุล้ำสมัยและนาโนเทคโนโลยีเพื่อเสริมสมบัติทางแม่เหล็กและลดต้นทุนการผลิต  รวมไปถึงการพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กต้นแบบ เพื่อก่อให้เกิดผลลัพธ์งานวิจัยตั้งแต่ ต้นน้ำถึงปลายน้ำ สามารถพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก ที่ใช้วัสดุและกระบวนการผลิตที่พัฒนาจากงานวิจัยของศูนย์ความเป็นเลิศฯ ได้ในที่สุด 

ดังนั้น ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ จึงได้ดำเนินการโปรแกรมวิจัยด้านนวัตกรรมฟิสิกส์สำหรับอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก (Innovative Physics for Magnetic Cooling Industry Research Program) โดยมีวัตถุประสงค์หลัก:

1. เพื่อสร้างความเป็นเลิศด้านวัสดุแม่เหล็ก สำหรับแม่เหล็กถาวรและระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก ก่อให้เกิดองค์ความรู้ทางวิชาการที่ทัดเทียมในระดับสากล
2. เพื่อต่อยอดองค์ความรู้ พัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์ต้นแบบและนวัตกรรมที่มีศักยภาพในการนำไปใช้ประโยชน์ในภาคอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์
3. เพื่อสร้างบุคลากร ด้านการวิจัยและพัฒนา ที่จะเป็นกำลังสำคัญต่อการสร้างความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยีแม่เหล็กถาวรและระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก ที่สามารถนำไปใช้เป็นประโยชน์ได้จริงในภาคอุตสาหกรรมและพลังงานของประเทศ ก่อให้เกิดการพัฒนาอย่างยั่งยืน
4. เพื่อให้เกิดการบูรณาการงานวิจัย ระหว่างหน่วยงานวิจัยร่วมเครือข่ายฯ จากมหาวิทยาลัยต่าง ๆ เพื่อนำไปสู่การวิจัยเชิงสหสาขา (Interdisciplinary research) ทั้งด้านวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม และนาโนเทคโนโลยี ก่อให้เกิดผลงานวิจัยด้านแม่เหล็ก ตั้งแต่ต้นน้ำจนถึงปลายน้ำ

เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ข้างต้น ทางโปรแกรมวิจัยด้านนวัตกรรมฟิสิกส์สำหรับอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จึงประกอบไปด้วย 4 โครงการวิจัย ดังต่อไปนี้