วันนี้ขอเอาเรื่องราวของงานวิจัยในการพัฒนาการปลี่ยนความร้อนในร่างกายมาเป็นพลังงานสำหรับชาร์จสมาร์ทวอทช์ ที่ต้องบอกว่ามีความน่าสนใจเป็นอย่างมาก เพราะปกติเราต้องสวมใส่นาฬิกาอยู่แล้ว หากสามารถพัฒนาจนใช้ในชีวิตประจำวันได้จริง จะช่วยลดปัญหาเรื่องการชาร์จแบตให้กับสมาร์ทวอชไปได้เลย สำหรับงานวิจัยเรื่องนี้มาจากนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีควีนส์แลนด์ (QUT) ซึ่งอยู่ที่ประเทศออสเตรเลีย
นวัตกรรมชาร์จสมาร์ทวอทช์แห่งอนาคต
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีควีนส์แลนด์ได้พัฒนา ฟิล์มพิเศษมีความยืดหยุ่น บางเบา ที่สามารถเปลี่ยนความร้อนจากร่างกายของเราให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ ซึ่งพลังงานไฟฟ้านี้ก็เพียงพอที่จะนำไปชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก เช่น สมาร์ทวอทช์ ได้นั่นเอง และในการพัฒนาครั้งนี้ก็เพื่อให้เราสามารถสวมใส่สมาร์ทวอทซ์ได้อย่างสบาย แต่ยังคงมีประสิทธิภาพในการชาร์จที่ดียิ่งขึ้น
หลักการทำงานของเทคโนโลยีนี้
หลักการทำงานก็จะประกอบไปด้วย 3 ส่วนหลักๆ ดังนี้
- ฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric Film) ฟิล์มพิเศษนี้มีคุณสมบัติในการแปลงความแตกต่างของอุณหภูมิให้เป็นไฟฟ้า เมื่อความร้อนจากร่างกายสัมผัสกับฟิล์ม จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นมา
- ความยืดหยุ่น ฟิล์มนี้มีความยืดหยุ่นสูง ทำให้สามารถติดตั้งบนอุปกรณ์สวมใส่ได้อย่างสะดวกสบาย ไม่รบกวนการใช้งาน
- ประสิทธิภาพ แม้ว่าจะยังไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้มากพอที่จะชาร์จสมาร์ทโฟนได้ แต่ก็เพียงพอสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กอย่างสมาร์ทวอทช์ และยังมีแนวโน้มที่จะพัฒนาประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้นในอนาคต
รู้จักกับ ฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric Film)
ฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric Film) เป็นวัสดุที่สามารถเปลี่ยนพลังงานความร้อนให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าหรือในทางกลับกันเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นพลังงานความร้อนได้ โดยอาศัยหลักการทางเทอร์โมอิเล็กทริก นั่นก็คือ Seebeck Effect (เมื่อมีการนำฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริกมาวางในบริเวณที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น) และ Peltier Effect (เมื่อมีการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก ด้านหนึ่งของฟิล์มจะดูดซับความร้อน อีกด้านหนึ่งจะคายความร้อนออกมา)
โครงสร้างของ ฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric Film)
ฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก มักประกอบด้วยชั้นของวัสดุนำไฟฟ้าชนิด P และชนิด N สลับกันหลายชั้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน วัสดุที่นิยมใช้ในการผลิตฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก ได้แก่
- Bismuth telluride (Bi2Te3) มีประสิทธิภาพสูงที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่เหมาะมากสำหรับการแปลงความร้อนให้เป็นไฟฟ้าสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น เครื่องตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ
- Lead telluride (PbTe) เหมาะสำหรับใช้งานที่อุณหภูมิสูง ประกอบด้วยธาตุตะกั่ว (Lead) และเทลลูเรียม (Tellurium) ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นเซมิคอนดักเตอร์ (Semiconductor) ที่มีความน่าสนใจเป็นพิเศษในด้านเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric) เนื่องจากสามารถแปลงความร้อนให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- Silicon germanium (SiGe) ใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการอุณหภูมิการทำงานสูง เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิดหนึ่งที่ได้จากการนำซิลิคอน (Silicon) มาผสมกับเจอร์เมเนียม (Germanium) ในสัดส่วนที่แตกต่างกัน ซึ่งจะทำให้ได้คุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันออกไป โดยทั่วไปแล้ว SiGe จะถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความต้องการประสิทธิภาพสูง เช่น ทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงในวงจรรวม (Integrated Circuit) หรือ IC
สำหรับวัสดุต่างๆ ที่นำมาผลิตฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริก อย่างเช่น บิสมัทเทลลูไรด์ (Bismuth Telluride) เป็นวัสดุที่นิยมใช้ในการผลิตอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริก เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าสูง แต่ก็มีข้อจำกัดบางประการ เช่น ราคาสูง ความเป็นพิษ และความเปราะบาง ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการนำไปใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ จึงทำให้ทางนักวิจัยได้มีการนำ นาโนไบน์เดอร์ (Nano Binder) เข้ามาใช้แทน
นาโนไบนเดอร์ (Nano Binder)
นาโนไบนเดอร์ (Nano Binder) เป็นสารที่มีขนาดเล็กระดับนาโนเมตร ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเชื่อมต่ออนุภาคนาโนเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษ เช่น ความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบา และมีความยืดหยุ่น การนำนาโนไบน์เดอร์มาใช้ในการผลิตฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริกแทนบิสมัทเทลลูไรด์ มีข้อดีหลายประการ ดังนี้
- ต้นทุนต่ำ นาโนไบน์เดอร์หลายชนิดมีราคาถูกกว่าบิสมัทเทลลูไรด์ ทำให้ต้นทุนการผลิตต่ำลง
- มีความยืดหยุ่น วัสดุที่ผลิตจากนาโนไบน์เดอร์มักมีความยืดหยุ่นสูง เหมาะสำหรับการนำไปผลิตอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้
- เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม นาโนไบน์เดอร์บางชนิดมีอันตรายน้อยกว่าบิสมัทเทลลูไรด์
- สามารถปรับแต่งสมบัติได้ โดยการเลือกชนิดและปริมาณของนาโนไบน์เดอร์ที่แตกต่างกัน สามารถปรับแต่งสมบัติของวัสดุให้เหมาะสมกับการใช้งานได้
กระบวนการผลิตฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริกจากนาโนไบน์เดอร์
- การเตรียมสารผสม ผสมอนุภาคนาโนของวัสดุนำไฟฟ้า (เช่น ซิลิคอนเจอร์เมเนียม) กับนาโนไบน์เดอร์ เพื่อให้ได้สารผสมที่มีความหนืดเหมาะสมสำหรับการพิมพ์
- การพิมพ์ ใช้เทคนิคการพิมพ์ เช่น การพิมพ์สกรีน หรือการพิมพ์อิงค์เจ็ท เพื่อพิมพ์สารผสมลงบนแผ่นพลาสติกหรือโลหะ
- การเผา นำฟิล์มที่พิมพ์ได้ไปเผาที่อุณหภูมิสูง เพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาคต่างๆ อย่างแข็งแรง
ในงานวิจัยก็ได้ทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์มตัวนี้ด้วยการ สร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กขึ้นมา และมีการใช้แผ่นฟิล์มขนาด A4 ซึ่งแผ่นฟิลม์นี้สามารถผลิตไฟฟ้าได้ 1.2 มิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรเลยทีเดียว และมีข้อจำกัดเรื่องสภาวะแวดล้อมที่น้อยมากๆ ทำให้สามารถนำไปใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ได้หลากหลายรูปแบบ ถือว่าเป็นแผ่นฟิล์มที่มีประสิทธิภาพในการจ่ายพลังงานที่สูงมากในขณะนี้ นอกจากนี้ด้วยข้อดีในเรื่องของการปรับขนาดได้ มีความยืดหยุ่นสูง ทำให้เหมาะกับการนำไปใช้กับสมาร์ทวอทช์ และอุปกรณ์สำหรับสวมใส่ได้หลากหลายมากขึ้น
นอกจากนี้ยังสามารถประยุกต์ไปใช้กับอุปกรณ์อื่นๆ ได้อีกมากมาย ด้วยข้อดีที่สามารถติดตั้งได้ในพื้นผิวต่างๆ ความสามารถในการแปลงพลังงานกลับคืนได้ ช่วยในเรื่องของการลดอุณหภูมิได้อีกด้วย เหมาะกับการนำไประบายความร้อนให้กับชิปต่างๆ ที่ปกติมักจะมีความร้อนในระหว่างการทำงานที่ค่อนข้างสูง เช่น สมาร์ทโฟน อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์ภายในรถยนต์
สำหรับงานวิจัยนี้ต้องขอบอกว่ามีความน่าสนใจมาก ซึ่งนักวิจัยก็เห็นแนวโน้มในการพัฒนาในทิศทางที่ดี และคาดว่าน่าจะต้องปรับปรุงและแก้ไขปัญหาบางอย่างเพิ่มเติม ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของความทนทาน อุปกรณ์ที่ใช้ในการผลิต รวมถึงต้นทุนในการผลิตเชิงพาณิชย์ เพื่อให้สามารถนำไปผลิตเพื่อใช้งานได้จริงๆ ในราคาที่คุ้มค่าต่อการลงทุน และเมื่อมีการผลิตมาใช้จริง ปัญหาเรื่องการชาร์จสมาร์ทวอทช์ก็จะหมดไปทันที ไม่ต้องมาคอยชาร์จกันบ่อยๆ โดยเฉพาะยี่ห้อยอดนิยมที่ต้องชาร์จกันทุกวัน
Reference: interestingengineering.com
Photo : freepik.com
