Thermoelectric Cooler Peltier… เทคโนโลยีความเย็นปลอดสาร CFC

เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่า สารทำความเย็นยุคเก่าที่ใช้ในตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศหลายชนิด หรือที่เราเรียกรวมๆ กันว่าน้ำยาแอร์นั้น ล้วนสร้างผลกระทบต่อรอยรั่วในชั้นบรรยากาศให้เลวร้ายลงกว่าเดิม เพราะทั้งหมดล้วนได้ชื่อว่าเป็นก๊าซเรือนกระจกทั้งสิ้น

โดยเฉพาะสารประกอบคลอโรฟลูออโรคาร์บอน หรือ CFC และ ฟรีออน หรือ Freon ซึ่งเป็นสารประกอบที่เกิดจากการสร้างขึ้นของมนุษย์และไม่เคยมีอยู่ในธรรมชาติมาก่อน… สารทำความเย็นหลายชนิดเป็นตัวการที่ทำให้เกิดก๊าซเรือนกระจกเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนผ่านการประเมินตัวแปรผลกระทบสองด้านคือ

1. ค่าของ ODP หรือ Ozone Depletion Potential เป็นตัวเลขของระดับในการทำลายโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์  หรือ Stratosphere ที่มาจากสารทำความเย็นหรือน้ำยาแอร์ชนิดต่างๆ โดยใช้ค่าของน้ำยาแอร์ R-11 เป็นมาตรฐาน สารเคมีสังเคราะห์กลุ่มฮาโลคาร์บอนที่มีคลอรีน หรือโบรมีนเป็นองค์ประกอบ ที่เมื่อแตกตัวแล้วจะมีศักยภาพในการทำลายโอโซนได้
2. ค่าของ GWP หรือ Global Warming Potential เป็นค่าศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนในช่วงระยะเวลา 100 ปี โดยคิดจากการแผ่รังสีของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในช่วงระยะเวลาหนึ่งที่ก่อให้เกิดภาวะเรือนกระจก

โดยสารทำความเย็นที่ดีควรมีค่า ODP เป็นศูนย์ และค่า GWP ที่ต่ำ

แต่วันนี้จะข้ามเรื่องน้ำยาแอร์และสารทำความเย็นที่เป็นประเด็นสิ่งแวดล้อมมานานไปก่อน เพราะอยากจะพูดถึงเทคโนโลยีความเย็นอีกแนวทางหนึ่งทึ่ไม่ต้องพึ่งน้ำยาใดๆ รวมทั้งของเหลวหรือก๊าซอะไรเพื่อแลกเปลี่ยนอุณหภูมิ… แถมยังเปลี่ยนร้อนเป็นเย็น หรือเปลี่ยนร้อนเป็นไฟฟ้าก็ยังได้

ผมกำลังพูดถึงแผ่นทำความเย็น Peltier Thermo Electric Cooler หรือ แผ่นทำความเย็นเพลเทียร์ หรือแผ่นร้อนเย็น… ซึ่งนักประดิษฐ์กำลังหาทางทำให้สามารถนำมาทดแทนระบบทำความเย็นแบบคอมเพรสเซอร์ ที่มีน้ำยาทำความเย็นสารพัดชนิดไหลเวียนอยู่ในระบบ และสุดท้ายก็ลุดลอยสู่ชั้นบรรยากาศ ทั้งเพราะการรั่วไหล และการระบายทิ้งเมื่อไม่ใช้งานระบบแล้ว

แผ่น Peltier ใช้หลักการ Thermoelectric ของสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิด คือ สารกึ่งตัวนำชนิด N และ สารกึ่งตัวนำชนิด P เมื่อมีกระแสไฟไหลผ่านสารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิด จะเกิดการดูดกลืนกันของอิเล็กตรอน จากสารกึ่งตัวนำชนิด P ไปยัง สารกึ่งตัวนำชนิด N ทำให้เกิดการดูดความร้อนจากด้านหนึ่ง ไประบายออกอีกด้านหนึ่ง

หลักการดังกล่าวมีชื่อว่า เทอร์โมอิเล็กทริค คูลเลอร์ Peltier TEC หรือ Thermoelectric Cooler Peltier

ย้อนกลับไปปี 1834 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส 2 คน คือ French Watchmaker และ Jean CharAthanase Peltier ได้ค้นพบปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Peltier effect… โดยทั้งสองค้นพบว่า… เมื่อได้ทำการจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงให้กับสารกึ่งตัวนำ พบว่าที่ผิวทั้งสองด้านของ “สารกึ่งตัวนำชนิดแรก เกิดความร้อนขึ้นที่ผิว และ ที่ผิวอีกด้านของสารกึ่งตัวนำอีกชนิดก็เกิดความเย็นขึ้นที่ผิว”  โดยเกิดขึ้นสอดคล้องกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า

ในทางกลับกัน ถ้าหากมี “การให้ความร้อนที่ผิวด้านหนึ่งและความเย็นอีกด้านหนึ่ง” ก็ส่งผลทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้น

โครงสร้างเบื้องต้นของแผ่น Peltier ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด N-Type และชนิด P-Type

แผ่นเพลเทียร์ แบบบิสมัธเทลลูไรด์  หรือ Bismuth Telluride ถูกสร้างขึ้นมาจากธาตุ 2 ชนิด ได้แก่ บิสมัส หรือ Bismuth อักษรย่อ Bi ซึ่งเป็นธาตุที่มีเลขอะตอม 83 และอีกตัวหนึ่งคือ เทลลูเรียม หรือ Tellurium อักษรย่อ Te ธาตุเลขอะตอม 52

สารกึ่งตัวนำ P-N ต่างชนิดกัน… เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ก็จะมีการดูดกลืนกันของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนจากระดับพลังงานต่ำทางด้านสาร กึ่งตัวนำ P ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงกว่าทางด้านสารกึ่งตัวนำ N กระบวนการดังกล่าวจะส่งผลให้ที่ผิวด้านหนึ่งของแผ่น Peltier มีการดูดพลังงาน ความร้อน ซึ่งก็ได้จากความร้อนที่อยู่โดยรอบนั่นเอง เมื่อความร้อนในบริเวณรอบๆ ถูกดูดเข้ามา ก็จะทำให้ในบริเวณนั้นมีอุณหภูมิต่ำลงหรือเย็นลง  ซึ่งด้านนี้ก็คือด้านทำความเย็นนั่นเอง แล้วเอาความเย็นมาใช้งาน… ในขณะเดียวกัน ก็จะเกิดการดูดกลืนของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานที่สูง ในสารกึ่งตัวนำ N  สู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ในสารกึ่งตัวนำ P ส่งผลให้เกิดการคายความร้อนออกมาที่บริเวณผิวหน้าของอีกด้านหนึ่ง ของแผ่น Peltier

จากหลักการทำงานข้างต้น ทำให้สามารถนำแผ่น Peltier มาประยุกต์ใช้กับงานได้หลากหลาย แต่ที่นิยมที่สุดคงหนีไม่พ้น การใช้คุณสมบัติในด้านการทำความเย็นมาประยุกต์ใช้งาน เพื่อเป็นทางเลือกสำหรับการทำความเย็น  แบบไม่ต้องพึ่งพาระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์

สำหรับแผ่นทำความเย็น Peltier การใช้งานโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อการทำความเย็น ในบ้านเราก็มีการนำไปใช้งานในหลายรูปแบบ ยกตัวอย่างเช่น การใช้เพื่อทำความเย็นให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเฉพาะจุด รวมไปถึงการให้ความเย็นของตู้เย็นขนาดเล็ก ซึ่งในบ้านเราตอนนี้ก็ได้มีผู้ผลิตบางราย นำแผ่นทำความเย็น Peltier มา ใช้งานกับตู้เย็นขนาดเล็กๆ สำหรับทำความเย็นให้แก่เครื่องดื่ม  ซึ่งเป็นการนำมาใช้งานทดแทนคอมเพรสเซอร์ แต่ในตอนนี้ ประสิทธิภาพการทำความเย็นของแผ่นทำความเย็น Peltier  ก็ยังเป็นรองระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์อยู่หลายเท่า ตู้เย็นที่ใช้แผ่นทำความเย็น Peltier จึงเหมาะกับการใช้งานในบางประเภทเท่านั้น เช่นการใช้เก็บรักษายาหรือเวชภัณฑ์ทางการแพทย์

ในปัจจุบัน… ถ้าเทียบระหว่างแผ่นทำความเย็น Peltier กับระบบทำความเย็นที่ใช้คอมเพรสเซอร์ ก็ถือว่าแผ่นทำความเย็น Peltier ยังคงมีประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าอยู่หลายเท่า ต่อให้นำแผ่นทำความเย็น Peltier หลายๆอันมาใช้ร่วมกัน แม้ค่าการทำความเย็นจะมีขนาดเท่าคอมเพรสเซอร์ แต่ก็ยังทำความเย็นได้ไม่ดีเท่าคอมเพรสเซอร์ รวมถึงอัตราการใช้พลังงานยังคงใช้พลังงานมากเมื่อเทียบกับความเย็นที่ได้ออกมาซึ่งน้อยกว่ามาก

แต่แผ่นทำความเย็น Peltier กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อทดแทนคอมเพรสเซอร์ หลังจากถูกทิ้งมานานเหมือนโซล่าเซลล์และไฟฟ้ากระแสตรง… ซึ่งทั้งหมดถูกพัฒนาบนโจทย์เรื่องประสิทธิภาพและสิ่งแวดล้อมอย่างมีนัยยะสำคัญ… โดยเฉพาะ Peltier Thermo Electric Cooler ที่มีตลาดขนาดใหญ่ไม่ธรรมดา… หากสามารถทดแทนคอมเพรสเซอร์ได้… โดยเฉพาะความพยายามของนักวิจัยและพัฒนาจาก  Phononic, Inc. ในแคลอฟอร์เนีย ที่กำลังนำ “ผลิตภัณฑ์ใหม่” ที่ใช้แผ่นทำความเย็น Peltier เทคโนโลยีล่าสุดที่พวกเขาพัฒนาขึ้น… ใส่ไว้ในผลิตภัณฑ์หลายอย่างที่ไม่ได้มีแต่เครื่องปรับอากาศ หรือตู้เย็นเท่านั้น… แม้แต่ที่นอน เสื้อผ้า หรือ หมวกกันน๊อคก็มีผลิตภัณฑ์ต้นแบบออกมาแล้ว… 

บทความจาก FastCompany.com เรื่อง The billion-dollar race to invent a wearable air conditioner ก็พูดถึงการประดิษฐ์กลไกการปรับอากาศในของใช้ส่วนตัวหรือแม้แต่เสื้อผ้าแล้วเช่นกัน… แต่ไม่ว่าจะอย่างไร นี่คือก้าวย่างที่ท้าทายอย่างยิ่งอีกสายหนึ่งของมนุษย์ชาติเช่นกัน

#FridaysForFuture

อ้างอิง

• https://nexusmedianews.com/a-clever-fix-to-the-biggest-climate-problem-5d6362a0dbe8 
• http://www.honor1999.co.th/faq/detail/73
• https://www.blueplanet.co.th/workshop-1263.html 
• https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_cooling 
• https://www.trueplookpanya.com/knowledge/content/67724/-blo-sciche-sci
• https://www.thaieasyelec.com/peltier-thermo-electric-cooler-dc-12v.html
• http://www.thaiphysoc.org/article/100/
• https://www.windsolargadget.com/article/2/thermoelectric-cooler-peltier 
• https://www.harn.co.th/articles/choosing-environmentally-safe-refrigerant-for-air-conditioning/ 
• https://www.fastcompany.com/90385897/the-billion-dollar-race-to-invent-a-wearable-air-conditioner