สจล. พัฒนา “คอนกรีตบล็อก” ทนความร้อนผลิตไฟฟ้า จากเปลือกไข่เป็นครั้งแรก ทนความร้อนสูงมากกว่า 1,000 องศาเซลเซียส พร้อม “โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก” ทนความร้อนได้สูงถึง 900 องศาเซลเซียส นำไปสร้างกำแพงทนไฟแล้วผลิตไฟฟ้าในอุตสาหกรรมเตาหลอมโลหะ เตาชีวมวล เตาเผาขยะขนาดใหญ่ ชี้ผันพลังงานความร้อนที่ปล่อยทิ้งเปล่าประโยชน์ให้เป็นไฟฟ้า
ผศ.ดร.เชรษฐา รัตนพันธ์ อาจารย์ประจำห้องวิจัยเทอร์โมอิเล็กทริก สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง (สจล.) ผู้วิจัยและที่ปรึกษาในโครงการวิจัย “คอนกรีตบล็อกเทอร์โมอิเล็กทริกผลิตไฟฟ้าจากความร้อนโดยการใช้วัสดุตั้งต้นจากเปลือกไข่ไก่” เปิดเผยว่า ปัจจุบันสถาบันการศึกษาทั่วโลกได้หันมาให้ความสำคัญ ในการพัฒนาเทคโนโลยีและนวัตกรรมอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมอย่างจริงจัง ซึ่ง สจล. ในฐานะสถาบันการศึกษาผู้นำด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้สนับสนุนการวิจัยและพัฒนาการใช้ประโยชน์จากพลังงานอย่างคุ้มค่า จึงได้ร่วมกับนักวิจัย ได้แก่ นายชัยวัฒน์ พรหมเพชร นักศึกษาปริญญาเอก และ นายจักรกฤษ กอบพันธ์ นักศึกษาปริญญาตรี สาขาวิชาฟิสิกส์ สจล. พัฒนาคอนกรีตบล็อกทนความร้อนสูงมากว่า 1,000 องศาเซลเซียส ที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ในตัวจากความต่างความร้อน ในช่วง 400 - 900 องศาเซลเซียส ได้เป็นที่แรกในประเทศไทย และยังไม่พบสิ่งประดิษฐ์นี้ในระดับโลก ซึ่งขณะนี้ได้ทำการยื่นจดสิทธิบัตรขอรับการคุ่มครองสิทธิในสิ่งประดิษฐ์ และได้รับเลขที่คำขอเป็นที่เรียบร้อยแล้ว
ผศ.ดร.เชรษฐา อธิบายว่า ผลงานการประดิษฐ์นวัตกรรมชิ้นนี้ เป็นการออกแบบใหม่ทั้งหมดโดยแบ่งการพัฒนาออกเป็น 2 ส่วน คือ 1. คอนกรีตบล็อกทนความร้อนสูง โดยทีมวิจัยสามารถทำให้ทนความร้อนได้สูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส และ 2. อุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าสำหรับฝังในคอนกรีตบล็อก โดยทีมวิจัยได้พัฒนา “วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก” จากการสกัดแคลเซียมออกไซด์จากเปลือกไข่ไก่ ซึ่งเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการผลิตอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าภายในตัวบล็อกที่เรียกว่า “โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก” ซึ่งโมดูลดังกล่าวสามารถทนความร้อนได้สูงถึง 900 องศาเซลเซียส เมื่อตัวบล็อกทนความร้อนได้รับความแตกต่างของอุณหภูมิความร้อนระหว่างสองด้าน กล่าวคือ ด้านหนึ่งของตัวบล็อกมีอุณหภูมิสูงกว่าอีกด้านหนึ่ง ความแตกต่างความร้อนจะถูกส่งผ่านไปยังโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก ที่ฝังไว้ในบล็อกที่ประดิษฐ์ขึ้นจากวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก 10 ตัว ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า
ผศ.ดร.เชรษฐา กล่าวว่า จากการทดสอบโดยนำคอนกรีตบล็อกเทอร์โมอิเล็กทริกผลิตไฟฟ้า 2 ก้อน มาต่อวงจรแบบอนุกรมสามารถทำให้หลอด LED ขนาด 105 mW สว่างได้ เมื่อด้านอุณหภูมิสูงของตัวบล็อกถูกให้ความร้อนที่ 600 องศาเซลเซียส หากนำมาประยุกต์ใช้กับโรงหลอมโลหะ โดยใช้คอนกรีตบล็อกเทอร์โมอิเล็กทริก 6,000 ก้อน จะได้กำลังไฟฟ้าตั้งแต่ 1.2 kW - 6 kW ดังนั้น การออกแบบขนาดบล็อกและเพิ่มจำนวนโมดูลให้เหมาะสมกับการใช้งาน จึงสามารถนำไปประยุกต์เป็นเครื่องผลิตไฟฟ้าจากแหล่งความร้อนต่างๆ ได้ตามต้องการ
“เนื่องจากเป็นงานวิจัยนวัตกรรมใหม่ในประเทศไทย ขณะนี้จึงยังไม่สามารถเทียบต้นทุนและความคุ้มค่าได้อย่างชัดเจน แต่หากเทียบกับราคาคอนกรีตบล็อกทนไฟธรรมดา ราคาอยู่ที่ก้อนละ 100 - 700 บาท ขึ้นอยู่กับความทนไฟ แต่เมื่อพัฒนาคอนกรีตบล็อกทนไฟทั่วไปให้สามารถผลิตไฟฟ้าได้ในตัว แม้จะทำให้ต้นทุนต่อก้อนสูงกว่าประมาณ 2 - 4 เท่า แต่หากมองในภาพรวมถือว่าคุ้มค่าเป็นอย่างมาก เพราะตัวคอนกรีตที่ทนความร้อนที่ฝังอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้า ในย่านความร้อนช่วง 300 - 900 องศาเซลเซียส และใช้วัสดุขั้วไฟฟ้าและสายนำกระแสไฟฟ้าที่สามารถทนความร้อนสูงเกิน 1,000 องศาเซลเซียส สามารถนำไปก่อเป็นกำแพงทนไฟแล้วผลิตไฟฟ้าในอุตสาหกรรมความร้อนได้ เช่น ก่อเป็นผนังกำแพงทนไฟสำหรับเป็นเตาหลอมโลหะ กำแพงทนไฟสำหรับเป็นเตาชีวมวล หรือเตาเผาขยะขนาดใหญ่ และหากในอนาคตหากมีการพัฒนาต่อยอดเชิงพาณิชย์เชื่อว่าต้นทุนจะต่ำลงอีกมาก”
“งานวิจัย “คอนกรีตบล็อกเทอร์โมอิเล็กทริกผลิตไฟฟ้าจากความร้อนโดยการใช้วัสดุตั้งต้นจากเปลือกไข่ไก่” ได้รับรางวัลรองชนะเลิศอันดับ 1 การประกวดโครงงานวิจัยระดับอุดมศึกษากลุ่มฟิสิกส์ เมื่อวันที่ 30 พ.ค. 2560 และกำลังลงนามสัญญาโครงการพัฒนานักวิจัยและงานวิจัยเพื่ออุตสาหกรรม (พวอ.) ระดับปริญญาเอก ของสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) ขณะเดียวกัน ยังอยู่ระหว่างการพัฒนาวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกในช่วงความร้อนแสงแดดเพื่อประยุกต์ไปเป็นผนังคอนกรีตและหลังคาผลิตไฟฟ้าในสมาร์ทโฮม หรือแม้กระทั่งถนนผลิตไฟฟ้า เป็นต้น พร้อมกับปรับปรุงวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ให้มีความสามารถในการผันไฟฟ้าให้ได้สูงขึ้นด้วย” ผศ.ดร.เชรษฐา กล่าว
ด้าน นายชัยวัฒน์ พรหมเพชร นักศึกษาปริญญาเอก สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สจล. กล่าวว่า เทคนิคสำคัญที่ทำให้คอนกรีตบล็อกทนความร้อนได้สูง และสามารถผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ คือการหล่อคอนกรีตบล็อกขึ้นจาก “คอนกรีตบล็อกทนไฟ” เพื่อทำหน้าที่เป็นด้านรับความร้อน สำหรับส่งความร้อนไปยังอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าที่ฝังไว้ภายใน และ “คอนกรีตฉนวนความร้อน” เพื่อทำหน้าที่ลดการถ่ายเทความร้อน จากชั้นคอนกรีตบล็อกทนไฟลงจึงสามารถผลิตไฟฟ้าได้เอง เมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิเกิดขึ้นในบล็อกโดยไม่ต้องระบายความร้อน และเมื่อนำไปรวมกับวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ที่เตรียมและสังเคราะห์ได้เองในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกประเภทออกไซด์ ที่มีวิธีการสังเคราะห์แบบเฉพาะให้เหมาะสมกับขนาดความแตกต่างของอุณหภูมิความร้อนจากตัวบล็อก ต่อเข้ากับวัสดุการต่อขั้วไฟฟ้าและสายนำกระแสไฟฟ้า ที่ออกแบบและเลือกวัสดุที่ใช้ในวิธีการต่อขั้วโมดูลและขั้วกระแสไฟฟ้า ให้สามารถทนความร้อนได้สูงกว่าเกิน 1,000 องศาเซลเซียส จึงสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีเสถียรภาพ
ขณะที่ นายจักรกฤษ กอบพันธ์ นักศึกษาปริญญาตรี สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ สจล. กล่าวเสริมว่า เนื่องจาก “วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก” ซึ่งเป็นวัสดุสำคัญในการผลิตอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้า ที่เรียกว่า “โมดูลเทอร์โมอิเล็กทริก” นั้น ใช้สารตั้งต้นส่วนใหญ่เป็น “แคลเซียมออกไซด์” ที่มีความบริสุทธิ์ 99% ขึ้นไป มีราคาตั้งแต่กิโลกรัมละ 1,500 - 2,000 บาท แต่สารดังกล่าวก็มีในเปลือกไข่ไก่ จึงทดลองนำเปลือกไข่ไก่เหลือทิ้งจากโรงอาหารคณะวิทยาศาสตร์ มาผ่านกระบวนการเตรียมและสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการ เพื่อให้ได้แคลเซียมออกไซด์ที่เป็นวัสดุตั้งต้นในการทำอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้า ซึ่งนอกจากช่วยลดการนำเข้าจากต่างประเทศแล้ว ยังเป็นการเพิ่มมูลค่าให้กับเปลือกไข่ไก่เหลือทิ้งอีกด้วย จึงไม่เพียงแต่จะเป็นการลดต้นทุนแต่ยังช่วยส่งเสริมภาพลักษณ์ที่ดีให้กับผลิตภัณฑ์ด้วย โดยปัจจุบันราคาโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกที่วางขายตามท้องตลาดนั้น ชนิดที่ผันไฟฟ้าได้จากความร้อนในย่าน 100 องศาเซลเซียส ราคาอยู่ที่ตัวละ 150-500 บาท ข้อเสียคือทนทานความร้อนได้ไม่ถึง 200 องศาเซลเซียส แต่หากเป็นชนิดที่ทนความร้อนในระดับ 300 - 600 องศาเซลเซียส ราคาประมาณ 3,000 - 15,000 บาท ส่วนชนิดทนความร้อนเกินกว่า 500 และ 1,000 องศาเซลเซียส ราคาจะสูงมากเพราะต้องใช้เทคโนโลยีการทำขั้วไฟฟ้า และต้องใช้วัสดุที่ต้องทนทาน แต่เมื่อนำสารสังเคราะห์จากเปลือกไข่ไก่ มาผลิตเป็นวัสดุโมดูลเทอร์โมอิเล็กทริกพบว่าช่วยลดต้นทุนการผลิตลงได้ โดยคาดว่าหากได้รับการต่อยอดอย่างสมบูรณ์ ราคาจะถูกกว่าท้องตลาดถึง 3 เท่า
ด้าน ศ.ดร.สุชัชวีร์ สุวรรณสวัสดิ์ อธิการบดีสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง (สจล.) ย้ำว่านอกจากผลงานวิจัยและพัฒนานวัตกรรมสิ่งประดิษฐ์ “คอนกรีตบล็อกเทอร์โมอิเล็กทริกผลิตไฟฟ้าจากความร้อนโดยการใช้วัสดุตั้งต้นจากเปลือกไข่ไก่” ข้างต้นแล้ว ที่ผ่านมา สจล. ได้สนับสนุนให้คณาจารย์และนักศึกษาในสาขาวิชาต่างๆ จัดทำโครงการวิจัยและพัฒนานวัตกรรมสิ่งประดิษฐ์ด้านพลังงานทดแทน เพื่อให้เกิดความคุ้มค่าในการใช้ทรัพยากรมากที่สุด โดยในด้านของพลังงานไฟฟ้านอกจากมีการจัดสร้างอาคารพลังงานไฟฟ้าอัจฉริยะ เพื่อใช้เป็นสถานที่เรียนรู้การผลิตไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์ และให้เป็นห้องปฏิบัติการของนักศึกษาสาขาวิศวกรรมไฟฟ้า เพื่อให้นักศึกษาได้เรียนรู้จากวัสดุอุปกรณ์จริงแล้ว ขณะเดียวกัน ยังได้สนับสนุนให้สร้างต้นแบบบ้านพลังงานแสงอาทิตย์เชิงภูมิอากาศชีวภาพ เพื่อใช้เป็นที่ศึกษาวิจัยด้านการออกแบบสำหรับคณะสถาปัตยกรรมศาสตร์ ในเรื่องการเชื่อมโยงธรรมชาติกับผู้อยู่อาศัย และใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ในแผนแม่บทการพัฒนาสถาบันฯ ระหว่างปี 2558 - 2562 ได้วางเป้าหมายมุ่งสู่การเป็นมหาวิทยาลัยสีเขียวอย่างเต็มรูปแบบ ซึ่งนอกเหนือจากการสร้างภูมิทัศน์และเพิ่มพื้นที่สีเขียวเพื่อสร้างสภาพแวดล้อมที่ดีแล้ว ยังมีกำหนดนโยบายเพื่อสนับสนุนการโครงการวิจัย เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีและนวัตกรรมด้านพลังงานทดแทนด้วย
