เรื่องของหลอดไส้

12 กันยายน 2559

 

            มีคนกล่าวไว้ว่า “สงครามยังไม่ยุติ อย่าเพิ่งนับศพทหาร”เรื่องของหลอดไส้ (incandescent light bulb) ก็อาจจะสอดคล้องกับคำกล่าวนี้ ช่วงที่ผ่านมาหลายคนเชื่อไปแล้วว่า หลอดไส้ก็คงเป็นอีกสิ่งหนึ่งที่จะตกยุคไป เมื่อเกิดมีหลอดแอลอีดี (LED) ขึ้นมา มีชะตากรรมคล้ายกับฟิล์มถ่ายรูป หรือจอโทรทัศน์แบบ CRT ฯลฯ ประเทศคานาดาได้สั่งห้ามผลิตและนำเข้าหลอดไส้ขนาด 40 และ 60 วัตต์ตั้งแต่เมื่อต้นปีที่แล้ว มีหลายประเทศสั่งแบนไปก่อนหน้านี้แล้วด้วยซ้ำ  แต่จากเรื่องที่จะเล่าต่อไปนี้ อาจทำให้ต้องกลับมาคิดทบทวนใหม่เสียแล้ว

 

ข้อด้อย / ข้อดีของหลอดไส้

 

 

รูปที่ 1 ลักษณะของหลอดไส้ในยุคปัจจุบัน ซึ่งกว่าจะกลายเป็นอุปกรณ์ที่มีใช้กันทั่วไปในทุกบ้าน (ที่ใช้งานสะดวก ใช้ทน และมีราคาไม่แพง) ต้องอาศัยมันสมองของนักประดิษฐ์และนักฟิสิกส์หลายคน ดังแสดงในภาพ ทั้งผู้ที่มาก่อนและมาหลังเอดิสัน (ที่มา :http://www.edisontechcenter.org/incandescent.html)

 

            หลอดไส้นั้นใช้กันมานานมากแล้ว นั่นคือประมาณตั้งแต่ปีพ.ศ. 2422 เมื่อ โทมัส อัลวา เอดิสัน ประดิษฐ์หลอดไส้ได้ดีกว่าผลงานของรุ่นก่อนหน้า (ดูรูปที่ 1) ที่ผ่านมาเราใช้หลอดไส้กันโดยไม่มีปฏิกิริยาเชิงลบใดๆ เพราะราคาไม่แพง (ราคาอยู่ที่ประมาณ 18 บาท / หลอด) มีอายุการใช้งานนานพอ และถอดเปลี่ยนง่าย แต่เมื่อมีหลอด LED เกิดขึ้น [1]  ชักได้ยินเสียงบ่นหนาหูขึ้นเรื่อยๆเรื่องที่หลอดไส้มีประสิทธิภาพของการผลิตแสงที่ตามองเห็น (visible light) ต่ำ คือมีเพียง 2 - 2.9%  ในขณะที่หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์ (หลอด CFL ราคาอยู่ที่ประมาณ 99 บาท / หลอด ) และหลอด LED มีเท่ากับ 8 - 11.45% และ  4.2 - 22% ตามลำดับ [2] หรือดูได้จากการเทียบกันในลักษณะที่ว่าหลอดไส้ขนาด 40 วัตต์ ให้แสงที่มีความสว่าง (ประมาณ 450 ลูเมน) เท่ากับหลอด LED ขนาดเพียง 7 วัตต์ (ราคาอยู่ที่ประมาณ 135 บาท / หลอด)  หลอดไส้จึงสิ้นเปลืองค่าไฟฟ้ามากกว่าหลอด LED ประมาณ 5 เท่า อีกทั้งยังมีอายุการใช้งานสั้นกว่าประมาณ 10 เท่า  แต่พลังงานอีกเก้าสิบกว่าเปอร์เซ็นต์ที่จ่ายให้กับหลอดไส้หายไปไหนเสีย  ถ้าเอานิ้วไปแตะที่หลอดก็จะตอบได้ทันทีว่าส่วนใหญ่หายไปกับความร้อนที่เกิดขึ้นหรือก็คือรังสีอินฟราเรด (infrared หรือ IR) นั่นเอง ซึ่งถือเป็นการสูญเปล่า เพราะสิ่งที่เราต้องการจากหลอดไฟคือแสงที่ตามองเห็น ไม่ใช่ความร้อน (หรือรังสีอินฟราเรดที่ตามองไม่เห็น)

             แต่หลอดไส้ก็มีข้อดีที่เด่นมาก คือมีค่า Color Rendering Index (CRI) สูงที่สุดเมื่อเทียบกับหลอดไฟชนิดอื่นๆ ดังจะเห็นได้จากรูปที่ 2

 

 

รูปที่ 2 เปรียบเทียบค่า CRI ของหลอดไฟชนิดต่าง สำหรับค่า CRI ของหลอด LED ไม่มีอยู่ในรูปนี้ แต่ Philips โฆษณาว่าหลอด LED ของบริษัทมีค่า CRI มากกว่า 80 (ที่มา : http://www.paullights.com/what-is-the-meaning-of-cri-or-colour-rendering-index/

 

             ค่า CRI คือตัวเลขที่แสดงถึงความสามารถของแสงว่าทำให้เรารับรู้สีของวัตถุต่างๆใกล้เคียงกับการรับรู้จากแสงมาตรฐาน (เช่นแสงแดด) มากน้อยเพียงใด การที่หลอดไส้มีค่า CRI สูงกว่าใครเพื่อนสามารถเข้าใจได้จากรูปที่ 3 คือจะเห็นได้ว่าแสงของหลอดไส้ที่เกิดจากกระบวนการเปล่งแสงจากวัตถุร้อน (incandescence) ที่ไส้โลหะทังสเตนของหลอดร้อนประมาณ 2,700 องศาเซลเซียสเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านนั้น มีความยาวคลื่นครอบคลุมช่วงกว้างที่เทียบเท่ากับแสงแดด ส่วนแสงของหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอด LED ที่เกิดจากกระบวนการอื่นจะครอบคลุมความยาวคลื่นเพียงบางช่วงของแสงแดดเท่านั้น สำหรับการใช้ในที่อยู่อาศัย หรือใช้ในงานด้านการถ่ายภาพ ค่า CRI ที่สูงมีความสำคัญ เพราะภาพของวัตถุที่เห็นโดยแสงไฟในห้องจะได้ไม่ผิดเพี้ยนไปจากการเห็นนอกบ้านภายใต้แสงแดด แต่ก็มีบางกรณีที่ค่าของ CRI ไม่ใช่ประเด็นสำคัญ เช่นกรณีการให้ความสว่างแก่ถนนในตอนกลางคืน เพราะเรื่องประสิทธิภาพของต้นกำเนิดแสงมีความสำคัญกว่า

 

 

รูปที่ 3 สเปคตรัมความเข้มแสงแดดเปรียบเทียบกับต้นกำเนิดแสงชนิดต่างๆ คือหลอดไส้ (incandescent light bulb) หลอดฟลูออเรสเซนต์ (fluorescent lamp) และหลอดแอลอีดี (LED light bulb) (ที่มา :https://www.comsol.com/blogs/calculating-the-emission-spectra-from-common-light-sources/)

 

เรื่องใหม่ของหลอดเก่า

เมื่อตอนต้นปี คณะนักฟิสิกส์ของสถาบัน MIT และมหาวิทยาลัย Purdue ในสหรัฐอเมริกาได้ร่วมกันตีพิมพ์ผลงานวิจัยที่ถือได้ว่าเป็นการเจาะทะลวงทางตันด้านเทคโนโลยีเรื่องหนึ่ง [3] คือประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์โครงสร้างนาโนโฟโตนิกของซิลิกาออกไซด์และแทนทาลัมออกไซด์ ที่เมื่อเอามาทำเป็นฟิล์มบางเรียงสลับชั้นกันอย่างเหมาะสม ด้วยความหนาที่เหมาะเจาะ จะทำให้เป็นชั้นของฟิล์มบางรวมที่มีคุณสมบัติเด่นในการปล่อยผ่านแสงที่ตามองเห็น (ความยาวคลื่น  400 – 700 นาโนเมตร) แต่สะท้อนกลับรังสีอินฟราเรด (ความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร – 1 มิลลิเมตร)

คณะนักวิจัยได้นำองค์ความรู้นี้ไปเพิ่มประสิทธิภาพให้หลอดไส้  โดยการเคลือบฟิล์มบางรวมดังกล่าวบนฐานรองที่เป็นแผ่นแก้วใส 2 แผ่น แล้วนำไปประกบกับไส้หลอด ดัง รูปที่ 4

 

 

รูปที่ 4 ภาพวาดแสดงหลักการทำงานของหลอดไส้แบบใหม่ จะเห็นจากรูปด้านหน้าว่าไส้หลอด(thermal emitter) ที่ทำจากโลหะทังสเตนจะมีลักษณะแบน แทนที่จะเป็นลวดทังสเตนม้วนเป็นวงเล็กๆเหมือนหลอดไส้แบบดั้งเดิม ทั้งนี้เพื่อช่วยให้มีประสิทธิภาพในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดได้ดีขึ้น (ที่มา : https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2016/Q1/innovation-could-revive-incandescent-lighting,-bring-more-efficient-solar-cells.html)

 

            จากรูปที่ 4 จะเห็นได้ว่ารังสีอินฟราเรดที่เกิดขึ้นเป็นส่วนใหญ่นั้น และเคยถูกปล่อยทิ้งไปเปล่าๆในหลอดไส้แบบดั้งเดิม ได้ถูกนำกลับมาใช้ประโยชน์ กล่าวคือชั้นของฟิล์มบางรวมดังกล่าวปล่อยให้แสงที่ตามองเห็นผ่านออกไปเท่านั้น แต่สะท้อนกลับรังสีอินฟราเรด ซึ่งก็จะถูกไส้หลอดดูดกลืนไว้ ช่วยทำให้ไส้หลอดร้อนขึ้น จึงสามารถลดกระแสไฟฟ้าที่ใช้เผาไส้ทังสเตนลงได้มาก คณะนักวิจัยได้นำแนวคิดนี้มาทำหลอดไฟขึ้นจริง ดังแสดงในรูปที่ 5 โดยชั้นฟิล์มบางของซิลิกาออกไซด์และแทนทาลัมออกไซด์มีรวมทั้งสิ้น 90 ชั้น แต่ละชั้นหนา 17 – 426 นาโนเมตร ลักษณะการสลับชั้นและความหนาของแต่ละชั้นได้มาจากการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อให้บรรลุเป้าประสงค์มากที่สุด คือประสิทธิภาพสูงในการปล่อยผ่านแสงที่ตามองเห็นและสะท้อนกลับรังสีอินฟราเรดโดยมีช่วงมุมตกกระทบของแสงที่กว้างที่สุด  คณะนักวิจัยพบว่าประสิทธิภาพการผลิตแสงที่ตามองเห็นของหลอดทดสอบเพิ่มขึ้นเป็น 6.6% นั่นคือสูงขึ้นมาอยู่ในระดับเดียวกับหลอด CFL  คณะนักวิจัยเชื่อว่าถ้าเสริมด้วยชั้นฟิล์มบางอลูมิเนียมออกไซด์ และเพิ่มจำนวนชั้นขึ้นเป็น 300 ชั้น จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพขึ้นเป็น 40% ได้  นั่นคือสูงกว่าหลอด LED เสียอีก

 

 

รูปที่ 5 แสดงการทดสอบความเป็นไปได้ (proof-of-concept) ของหลอดไส้แบบใหม่ตามแนวคิดของคณะนักวิจัย (ที่มา : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-01/miot-rl010716.php)

 

            ดังรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าถึงแม้จะไม่ใช่ผู้บุกเบิกคนแรก แต่เอดิสันก็ได้เครดิตสูงมากในเรื่องของการประดิษฐ์หลอดไส้ ทั้งนี้เพราะเอดิสันเป็นคนแรกที่ประสบความสำเร็จใน 2 สิ่ง คือ การเพิ่มอายุของหลอดไส้ได้นานกว่า 10 ชั่วโมง และ การผลิตได้เป็นจำนวนมากด้วยราคาที่ไม่แพง  สิ่งประดิษฐ์ของคณะนักวิจัยร่วมสถาบัน MIT-Purdue ชิ้นนี้จะกลายเป็นนวัตกรรมที่มีวางขายอยู่ทั่วไปได้หรือไม่ ก็อยู่ที่ว่าจะทำได้อย่างเอดิสันหรือไม่  อย่างไรก็ตามเรื่องราวนี้ก็เป็นตัวอย่างที่ดีอีกเรื่องที่ยืนยันว่า “การจะเกิดนวัตกรรมได้ต้องเริ่มมาจากการวิจัย”

 

เอกสารอ้างอิง

[1] ดูที่บทความ “บทเรียนจากการปฏิวัติอุตสาหกรรมการให้แสงสว่าง” วันที่ 18 มีนาคม 2558 คอลัมน์ฟิสิกส์อุตสาหกรรม/นวัตกรรมฐานฟิสิกส์ ใน website : www.thep-center.org

[2] ดูที่หัวข้อ “Luminous Efficacy”  ใน  https://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy

[3] O. Ilic, P. Bermel, G. Chen, J. D. Joannopoulos, I. Celanovic and M. Soljacic, “Tailoring High-temperature Radiation and the Resurrection of the Incandescent Source”, Nature Nanotechnology 11, 2016, 320-324.