Blockdit Logo (Mobile)
Antfield
•
22 พ.ย. 2020 เวลา 17:49 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
“caloric materials” วัสดุแห่งอนาคตที่จะมาพลิกโฉมอุตสาหกรรมการทำความเย็น กับการทำความเย็นรูปแบบใหม่ที่ไม่ต้องใช้สารทำความเย็นที่ทำให้โลกร้อน
โดยวัสดุประเภทนี้จะร้อนเมื่อเราออกแรงบีบหรือกด และจะเย็นตัวลงเมื่อคลายแรงบีบนั้น
“caloric materials” จะมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปตามความเค้นที่ได้รับจากแรงภายนอก
เคยดึงยางวงเส้นหนา ๆ ใหญ่ ๆ แรง ๆ แล้วรู้สึกว่ามันอุ่นขึ้นไหมครับ และพอคลายแรงดึงแล้วมันก็เย็นตัวลง ปรากฏการณ์นี้รู้จักกันในชื่อ elastocaloric effect
ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของ caloric effects ปรากฎการณ์ที่วัสดุจะมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้เงื่อนไขจำเพาะ อย่างเช่น อยู่ภายใต้แรงแม่เหล็ก, สนามไฟฟ้า, แรงดึงหรือแรงกด
และเมื่อไม่นานมานี้ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Polytechnic Catalonia และมหาวิทยาลัย Cambridge ได้ทำการทดลองโดยใช้นำแท่งผลึกของ neopentyl glycol ซึ่งเป็นสารเคมีที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมสีและน้ำมันหล่อลื่น
ชุดทดสอบ caloric effects ของมหาวิทยาลัย Maryland
นำเอามาใส่ไว้ในกระบอกที่ท่วมไปด้วยน้ำมันก่อนที่จะใช้ลูกสูบกดอัดน้ำมันในกระบอกทำให้เกิดแรงดันบีบอัดตัวแท่งผลึก ผลก็คือตัวแท่งผลึกนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 40 องศาเซลเซียส
นับเป็นสถิติการเพิ่มอุณหภูมิของวัสดุภายใต้แรงดันมากที่สุดเท่าที่เคยมีการทดลองกันมา และในทางกลับกับหากมีการลดแรงดันน้ำมันแท่งผลึกนี้ก็จะเย็นตัวลงด้วย
ซึ่งช่วงอุณหภูมิที่ลดต่ำลงนี้เทียบได้กับช่วงอุณหภูมิของสารทำความเย็นที่ใช้กันอยู่ในตู้เย็นและระบบปรับอากาศปัจจุบัน
นั่นทำให้มีความเป็นไปได้ในการพัฒนาวัสดุประเภทนี้เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมการทำความเย็น โดยจะช่วยลดปัญหาโลกร้อนได้เพราะระบบทำความเย็นรูปแบบใหม่นี้จะไม่มีสารทำความเย็นที่มักจะเป็นก๊าซเรือนกระจกอย่างรุนแรง อย่างเช่นพวกสาร hydrofluorocarbons
วัฏจักรการทำความเย็นของ caloric materials
โดยเหตุผลเบื้องหลังของคุณสมบัติอันน่าทึ่งของ caloric materials นี้เกิดจากการเปลี่ยนโครงสร้างการเรียงตัวของโมเลกุลในเนื้อวัสดุภายใต้เงื่อนไขจำเพาะ เช่นแรงกด หรือสนามแม่เหล็ก
ขออธิบายต่อโดยใช้ยางวง เมื่อเราดึงยางวงสิ่งที่เกิดขึ้นก็คือเราได้ทำให้การเรียงตัวของโมเลกุลในเนื้อยางมีระเบียบมากขึ้นจากเดิมที่เคยหันกันไปคนละทิศละทาง ซึ่งจะทำให้ค่าเอนโทรปีของแต่ละโมเลกุลลดต่ำลง
** เอทโทรปี **
เอนโทรปี (entropy) คือ ปริมาณที่บอกถึงความไม่เป็นระเบียบของระบบ ยิ่งระบบมีความไม่เป็นระเบียบสูง เอนโทรปีก็จะยิ่งมีค่าสูง แต่ถ้าระบบมีความไม่เป็นระเบียบน้อย เอนโทรปีก็จะยิ่งมีค่าต่ำ
ภาพยนตร์เรื่อง TENET ที่เล่าเรื่องบนคอนเซปการควบคุมกระแสการไหลของเอนโทรปีในระบบปิด อันทำให้เกิดการไหลย้อนของกระแสเวลา
ด้วยกฏข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์นั้นค่าเอนโทรปีรวมของระบบมีได้แค่คงที่หรือเพิ่มขึ้นเท่านั้น ดังนั้นแล้วเมื่อเอนโทรปีของโมเลกุลเนื้อยางลดลงมันก็ต้องไปเพิ่มที่ไหนซักที่
ซึ่งผลของการเพิ่มเอนโทรปีนั้นกลายเป็นการสั่นของโมเลกุลเองซึ่งทำให้เกิดความร้อนขึ้นในเนื้อยาง และถ้าเราดึงยางวงแรงและเร็วพอความร้อนที่เกิดก็จะยังคงอยู่ในเนื้ยางจนเรารู้สึกว่ามันอุ่นขึ้นนั่นเอง และเมื่อคลายแรงดึงเนื้อยางก็จะเย็นตัวลง
Magnetocaloric cycle ที่ใช้แรงแม่เหล็กเป็นตัวเหนี่ยวนำการเปลี่ยนอุณหภูมิของวัสดุ caloric
เมื่อเรามาประยุกต์ใช้กับวัสดุ caloric materials ทำวนไปเป็นรอบ ๆ ก็จะกลายเป็นวัฏจักรการทำงานของอุปกรณ์ทำความเย็นได้นั่นเอง
เป็นเวลานับ 10 ปีแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้นำเอาวัสดุประเภทนี้มาเป็นทำตู้เย็น และเริ่มมีการผลิตออกจำหน่ายและใช้งานจริงบ้างแล้ว โดยตู้เย็นประเภทนี้ทำงานโดยใช้วัสดุ caloric ที่เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจากแรงแม่เหล็ก
ตู้แช่ไวน์ของ Haier
โดยหัวใจของตู้เย็นประเภทนี้ก็คือ Heat Pump ที่ใช้วัสดุ Magnetocaloric ในการทำความเย็น
และแน่นอนว่าระบบนี้ไม่ต้องอาศัยสารทำความเย็นที่เป็นก๊าซเรือนกระจกซึ่งทำให้โลกร้อน
หน้าตาของ magnetocaloric heatpump
แต่ระบบนี้ก็ยังต้องอาศัยแม่เหล็กกำลังแรงสูงที่มีขนาดใหญ่ซึ่งมีราคาแพง ถึงจะเพียงพอที่จะทำความเย็นให้ได้ตามที่ต้องการ จึงทำให้ตู้เย็นแบบนี้ยังคงมีราคาแพงอยู่
อีกตัวอย่างของวัสดุ caloric ก็คือ shape memory alloy อย่างเช่นพวก nickel-titanium เคยเห็นกันไปครับวัสดุอัศจรรย์ที่เอามาทำตัวถังรถซึ่งถูกชนบุบแล้วเอาน้ำร้อนราดมันก็จะเด้งกลับคืนรูปเดิม
caloric materials ยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้อีกหลากหลาย
ด้วยการที่เป็นวัสดุที่มีศักยภาพการใช้งานได้หลากหลาย จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ไม่หยุดวิจัยและพัฒนาวัสดุประเภทนี้
สำหรับการพัฒนาระบบทำความเย็นด้วยวัสดุ caloric ที่เปลี่ยนอุณหภูมิภายใต้แรงดันนั้นก็ถือได้ว่าอยู่ในช่วงที่กำลังเปลี่ยนผ่านจากวัสดุในห้องวิจัยสู่การเป็นผลิตภัณฑ์ใช้งานจริงในอีกไม่นานแล้ว
เครื่องทำความเย็นต้นแบบที่ใช้แท่งโลหะ nickel titanium
โดยทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Maryland ก็กำลังพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบที่ใช้ท่อโลหะ nickel titanium ในการทำความเย็น และก็ได้มีการตั้งบริษัท Energy & Sensor Technology เพื่อเตรียมทำธุรกิจด้วยเครื่องทำความเย็นรูปแบบใหม่นี้
โดยเจ้าเครื่องทำความเย็นจะประกอบด้วยท่อโลหะผสมนิเกิล-ไทเทเนียมที่รับแรงกด-ปล่อยเพื่อใช้ทำความเย็น ซึ่งในท่อนี้ก็จะมีน้ำไหลอยู่ภายในเพื่อรับความเย็นไปยังส่วนที่ต้องการทำความเย็น
1
ซึ่งแน่นอนว่าราคาคงไม่ถูกเพราะท่อโลหะผสมนิเกิล-ไทเทเนียมนี่แหละ
ท่อโลหะ Nickel-manganese-titanium shape memory alloys หัวใจของเครื่องทำความเย็นรูปแบบใหม่
ส่วนทีมวิจัยของมหาวิทยาลัย Cambridge ก็กำลังพัฒนา heat pump ที่ใช้ plastic crystals ซึ่งพัฒนาต่อมาจาก neopentyl glycol ในการทดลองก่อนหน้านี้ และก็ได้ตั้งบริษัท Startup ชื่อ Barocal เพื่อเตรียมลุยธุริกิจนี้เช่นกัน
หรืออย่างผู้ผลิตเครื่องใช้ไฟฟ้ารายใหญ่ของจีนอย่าง Haier ที่ได้เปิดตัวตู้แช่ไวน์แบบไม่ใช้สารทำความเย็นกันไปแล้ว
อีก 5 ถึง 10 ปีข้างหน้าเราคงเริ่มได้เห็นตู้แช่ ตู้เย็นรุ่นใหม่ ๆ ที่ไม่ใช้สารทำความเย็นในตลาดมากขึ้น แต่กว่าที่พวกมันจะมีราคาที่แข่งขันได้กับตู้แช่แบบเดิมนั้นอาจจะยังต้องใช้เวลา
แต่ที่แน่ ๆ caloric materials คงจะมาเปลี่ยนโฉมหน้าอุตสาหกรรมทำความเย็น ไม่นานเกินรอ

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา