Thermoelectric การแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า เทคโนโลยีสีเขียวเพื่อสิ่งแวดล้อม

การบรรเทาภาวะโลกร้อนและรักษาสิ่งแวดล้อมเป็นเรื่องที่ทั้งภาคธุรกิจ หน่วยงานรัฐ และผู้บริโภคทั่วโลกต่างหันมาให้ความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยภายในปี ค.ศ. 2050 ความตกลงปารีส (Paris Agreement) ที่กว่า 200 ประเทศได้ลงนามร่วมกันระบุว่า เราจะต้องลดปริมาณการปล่อยก๊าซเรือนกระจกให้เหลือศูนย์ และควบคุมอุณหภูมิเฉลี่ยของโลกไม่ให้เพิ่มสูงเกิน 2 องศาเซลเซียสก่อนที่ทุกอย่างจะสายเกินไป 

หนึ่งในแนวทางแก้ปัญหาใหญ่ดังกล่าวก็คือการใช้พลังงานหมุนเวียนจากธรรมชาตินั่นเอง ซึ่งหลายคนคงคุ้นเคยกันดีกับพลังงานจากกระแสน้ำ แสงอาทิตย์ และสายลม แต่รู้ไหมว่ายังมีวิธีผลิตกระแสไฟฟ้าที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมอีกแบบหนึ่งอยู่ด้วย ตาม InnoHub มารู้จักกับเทคโนโลยี เทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric) กันดีกว่า!

Thermoelectric คืออะไร

เทอร์โมอิเล็กทริกเป็นเทคโนโลยีที่สามารถสลับสับเปลี่ยนความร้อนให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า หรือแปลงกระแสไฟฟ้ากลับไปเป็นความร้อนก็ได้เช่นกัน การทำงานคร่าว ๆ ของสิ่งประดิษฐ์ตัวนี้ตั้งอยู่บนหลักวิทยาศาสตร์ชื่อว่า Peltier-Seebeck Effect ที่ค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเอสโตเนีย Thomas Seebeck เมื่อปี ค.ศ. 1821 และต่อมาได้รับการพัฒนาต่อยอดโดย Jean Peltier นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส

หากจะอธิบายแบบคร่าว ๆ ให้เข้าใจง่าย เทอร์โมอิเล็กทริกอาศัยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสองขั้วของวัตถุ เช่น โลหะ เป็นช่องทางให้อนุภาคอิเล็กตรอนเดินทางจากจุดที่ร้อนกว่า ไปสู่อีกจุดหนึ่งที่เย็นกว่า จนเกิดกระแสไฟฟ้าเป็นพลังงานให้ผู้คนเก็บเกี่ยวเอาไว้ใช้งานต่อไป ยิ่งอุณหภูมิแตกต่างกันมากเท่าไหร่ก็ยิ่งมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงขึ้นเท่านั้น

ในช่วงปี ค.ศ. 1960 นักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยหลายคนนำเทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริกดังกล่าวไปพัฒนาเป็นสิ่งประดิษฐ์เจ๋ง ๆ มากมาย เช่น เครื่องกำเนิดพลังงานไฟฟ้าในยานอวกาศ ล่าสุด ยานสำรวจสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารของ NASA ที่มีชื่อว่า Perseverance ก็ขับเคลื่อนด้วยระบบเทอร์โมอิเล็กทริกที่สามารถให้พลังงานได้นานมากถึง 14 ปีเลยทีเดียว 

จุดอ่อนของ Thermoelectric

แม้ว่าเทอร์โมอิเล็กทริกและหลักวิทยาศาสตร์เบื้องหลังสิ่งประดิษฐ์นี้จะฟังดูล้ำสมัยและดีต่อสิ่งแวดล้อมขนาดไหน แต่ปัญหาก็คือเทคโนโลยีนี้ยังมีต้นทุนที่สูงมากจนไม่สามารถออกสู่ท้องตลาดและวางขายในเชิงพาณิชย์ได้เหมือนเครื่องผลิตพลังงานหมุนเวียนอื่น ๆ เช่น โซลาร์เซลล์

สาเหตุที่เทอร์โมอิเล็กทริกมีต้นทุนสูงก็เพราะว่า วัสดุที่มีประสิทธิภาพเหมาะสมสำหรับการใช้เป็นตัวกลางเพื่อถ่ายโอนความร้อนและผลิตกระแสไฟฟ้านั้นเป็นสิ่งที่หาได้ยากมาก ๆ นั่นเอง โดยวัสดุดังกล่าวจะต้องมีคุณสมบัติสองข้อคือ หนึ่ง ต้องสร้างพลังงานไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี และ สอง ต้องถ่ายโอนความร้อนได้ต่ำ (พลังงานความร้อนไม่เดินทางไปสู่อีกจุดหนึ่ง) เพราะเทอร์โมอิเล็กทริกจะยิ่งมีประสิทธิภาพเมื่ออุณหภูมิสองขั้วแตกต่างกันมากนั่นเอง นอกจากนี้ ยังต้องทนทานต่ออุณหภูมิที่อาจสูงถึง 400 – 500 องศาเซลเซียสด้วย 

ถ้าอย่างนั้นแล้วยาน Perseverance ของ NASA ใช้สสารอะไรในการขับเคลื่อนยานอวกาศให้เดินทางไกลไปถึงดาวอังคารได้เป็นเวลาหลายปี ? คำตอบก็คือยานสำรวจนี้ใช้แร่ธาตุพลูโตเนียม (Plutonium) ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive) ที่ปล่อยคลื่นความร้อนออกมาขณะสลายตัวตามธรรมชาติ จนสามารถนำมาแปลงเป็นพลังงานได้นั่นเอง ซึ่งปริมาณพลูโตเนียมแค่ 1 กรัม ก็มีราคาสูงถึง 4,000 ดอลลาร์สหรัฐ (132,000 บาท) และจะแพงยิ่งกว่านี้หลายเท่าตัวหากแร่มีความบริสุทธิ์มากขึ้น

วัสดุใหม่ทั้งถูกและดี

หลายปีมานี้ นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาด้านเทอร์โมอิเล็กทริกทั่วโลกจึงพยายามคิดค้นหาวิธีสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติครบถ้วนและสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยมีต้นทุนที่ถูกลง

ข่าวดีก็คือเมื่อเดือนสิงหาคมที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยจาก Northwestern University ในสหรัฐอเมริกา ร่วมกับ Seoul National University ในเกาหลีใต้ สามารถคิดค้นวัสดุที่ทั้งราคาถูกและเหมาะกับการนำมาใช้ประดิษฐ์อุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกได้สำเร็จแล้ว!

วัสดุนี้มีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า Purified Tin Selenide in Polycrystalline Form สารเคมีเซเลไนด์แบบผลึกรวม ซึ่งมีอัตราการแปลงความร้อนเป็นกระแสไฟฟ้า (ZT) ได้สูงถึง 3.1 ZT ซึ่งมากกว่าวัสดุแบบเดิมที่มีค่า ZT ประมาณ 2.2 – 2.6 เท่านั้น ปัจจุบัน Purified Tin Selenide จึงนับเป็นวัสดุสำหรับเทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลก

วัสดุใหม่ Purified Tin Selenide ที่ผ่านการขึ้นรูปแล้ว

Credit: Northwestern University

อนาคตของ Thermoelectric

นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าวัสดุใหม่ที่ทั้งถูกและดีอย่าง Purified Tin Selenide บวกกับการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องจะทำให้เทอร์โมอิเล็กทริกกลายเป็นเทคโนโลยีสีเขียวที่แพร่หลายทั่วไปในอุตสาหกรรมต่าง ๆ และเป็นกุญแจสำคัญในการลดภาวะโลกร้อน

สถิติที่น่าตกใจในปัจจุบันคือ การผลิตพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลทั่วโลกมากกว่า 65% ต้องกลายเป็นความร้อนเหลือทิ้งหรือ Waste Heat ดังนั้น เทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริกจะเป็นกุญแจสำคัญที่ช่วยให้โรงไฟฟ้า โรงงานผลิตวัสดุก่อสร้าง และอุตสาหกรรมยานยนต์ สามารถแปลงความร้อนเหลือทิ้งจากการสันดาปให้เป็นกระแสไฟฟ้าหล่อเลี้ยงชีวิตของผู้คนในโลกต่อไป

สำหรับนักลงทุนและภาคธุรกิจ ตัวเลขมูลค่าตลาดของเทคโนโลยีนี้ก็สดใสมาก ๆ เพราะมีการคาดการณ์ว่ามูลค่าตลาดของการผลิตพลังงานด้วยเทอร์โมอิเล็กทริกจะเติบโตอย่างรวดเร็วถึง 14.5% ต่อปี จนแตะ 720 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณสองหมื่นล้านบาท) ภายในปีนี้ และจะเพิ่มสูงขึ้นถึง 1,500 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ในปี 2028