Solar Cell ย้อนกลับ? นวัตกรรมจาก Stirling Engine ปั่นไฟจากความเย็นยามค่ำคืน ไม่ง้อแดดและแบตเตอรี่

การทำความเย็นในอาคารนับเป็นกิจกรรมที่เผาผลาญพลังงานมหาศาล โดยคิดเป็นสัดส่วนเกือบ 15% ของการใช้ไฟฟ้าทั้งหมดในอาคารของสหรัฐฯ จะดีแค่ไหนถ้าเราสามารถระบายความร้อนพร้อมกับผลิตไฟฟ้าไปในตัวได้? นี่คือโจทย์ที่ทีมนักวิจัยจาก University of California, Davis (UC Davis) นำโดยศาสตราจารย์ Jeremy Munday กำลังให้คำตอบ ด้วยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีวิศวกรรมยุคเก่าอย่าง Stirling Engine ผสานเข้ากับความเข้าใจทางฟิสิกส์สมัยใหม่อย่างปรากฏการณ์ Radiative Cooling

แนวคิดเบื้องหลังเทคโนโลยีนี้เปรียบเสมือนการทำงานของ "Solar Cell แบบย้อนกลับ" หรือ Thermoradiative devices หากโซลาร์เซลล์ทำงานโดยการดูดซับพลังงานจากดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นวัตถุที่มีความร้อน เครื่องมือชิ้นนี้จะทำงานในทิศทางตรงกันข้ามโดยการหันหน้าขึ้นสู่ท้องฟ้าเพื่อปล่อยความร้อนจากตัวมันเองออกไปสู่อวกาศผ่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งรังสีนี้สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศออกไปได้ ทำให้ตัวอุปกรณ์เย็นลงกว่าสภาพแวดล้อม และเกิดความต่างศักย์ของอุณหภูมิที่นำมาผลิตพลังงานได้

ทำไมต้องเป็น Stirling Engine?

ความน่าสนใจคือทีมวิจัยเลือกปฏิเสธการใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่หายากและมีราคาแพง ซึ่งมักเป็นอุปสรรคในการพัฒนาอุปกรณ์กลุ่มนี้ในอดีต แต่พวกเขากลับไปหยิบเอาเครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engine) เทคโนโลยีที่มีมาตั้งแต่ช่วงปี 1800 มาปัดฝุ่นใหม่ เครื่องยนต์ชนิดนี้ทำงานด้วยกลไกทางกลที่เรียบง่าย อาศัยการขยายตัวของก๊าซที่ถูกปิดผนึกเมื่อได้รับความร้อน และหดตัวเมื่อได้รับความเย็น เพื่อขับเคลื่อนลูกสูบสร้างพลังงานกล โดยในงานวิจัยนี้ ทีมงานใช้อุณหภูมิแวดล้อมรอบตัวเป็นแหล่งความร้อน และใช้แผงรับสัญญาณที่แผ่รังสีออกสู่อวกาศเป็นตัวทำความเย็น ผลลัพธ์ที่ได้คือเครื่องยนต์ที่สามารถแปลงพลังงานความร้อนโดยรอบให้กลายเป็นพลังงานกลเพื่อหมุนใบพัด หรือปั่นกระแสไฟฟ้าได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้วัสดุที่ซับซ้อน

จากการทดลองภาคสนามในเวลากลางคืนต่อเนื่องตลอดหนึ่งปี ทีมวิจัยค้นพบศักยภาพที่น่าทึ่ง โดยอุปกรณ์ชุดนี้สามารถทำความเย็นได้ต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อมกว่า 10 องศาเซลเซียส และผลิตพลังงานกลได้มากกว่า 400 มิลลิวัตต์ต่อตารางเมตร ซึ่งพลังงานจำนวนนี้เพียงพอที่จะขับเคลื่อนพัดลมระบายอากาศ และเมื่อนำไปเชื่อมต่อกับมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็ก ก็สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าใช้งานจริงได้ทันที

แม้ว่ากำลังการผลิตที่ได้จะยังน้อยกว่าแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไปถึงสองระดับ แต่ศาสตราจารย์ Munday ย้ำชัดเจนว่าเป้าหมายของนวัตกรรมนี้ไม่ใช่การเข้ามาแทนที่พลังงานแสงอาทิตย์ แต่ถูกออกแบบมาเพื่ออุดช่องโหว่ทางพลังงาน คือการสร้างแหล่งพลังงานที่ทำงานได้ในเวลาที่โซลาร์เซลล์ทำไม่ได้อย่างช่วงเวลากลางคืน โดยไม่ต้องพึ่งพาแบตเตอรี่ราคาแพง ไม่ต้องเดินสายไฟที่ยุ่งยาก และไม่ต้องใช้น้ำมันเชื้อเพลิง

พลังงานฟรีเพื่อการเกษตรและที่พักอาศัย

ในแง่ของการนำไปใช้งานจริง ทีมนักวิจัยคำนวณว่าอุปกรณ์นี้สามารถสร้างการไหลเวียนของอากาศได้เพียงพอต่อมาตรฐานขั้นต่ำในการระบายอากาศเพื่อสุขภาพในอาคารสาธารณะ ทำให้เทคโนโลยีนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในโรงเรือนเพาะปลูก เพื่อช่วยหมุนเวียนคาร์บอนไดออกไซด์และระบายอากาศในตอนกลางคืน หรือนำไปติดตั้งในที่พักอาศัยเพื่อลดภาระเครื่องปรับอากาศ รวมถึงการเป็นโครงสร้างพื้นฐานแบบ Off-grid ที่ยั่งยืนสำหรับพื้นที่ห่างไกล

สำหรับก้าวต่อไป ทีมวิจัยมีแผนที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพเครื่องยนต์ให้ดียิ่งขึ้น โดยการเปลี่ยนก๊าซภายในจากอากาศปกติเป็นไฮโดรเจนหรือฮีเลียมเพื่อลดแรงเสียดทานภายใน รวมถึงตั้งเป้าที่จะทดสอบระบบจริงในโรงเรือนเกษตรกรรม และพัฒนาต่อยอดให้สามารถทำงานได้ครอบคลุมทั้งกลางวันและกลางคืน งานวิจัยชิ้นนี้ซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances จึงถือเป็นอีกหนึ่งความหวังของการจัดการพลังงานยั่งยืน ที่ผสานภูมิปัญญาดั้งเดิมเข้ากับนวัตกรรมแห่งอนาคตได้อย่างลงตัว

ที่มา: IEEE Spectrum