ความคืบหน้าปีที่ 1 ของการวิจัยและพัฒนาอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก

25 มิถุนายน 2561

 

1.บทนำ

 

          การใช้ไฟฟ้าสำหรับระบบปรับอากาศในประเทศไทย มีสัดส่วนสูงถึง 50 – 60 เปอร์เซ็นต์ของปริมาณการใช้ไฟฟ้าทั้งหมดในประเทศ ซึ่งหากพิจารณาจากข้อมูลการใช้ไฟฟ้าปี 2560 ที่ผ่านมา ที่มีความต้องการการใช้ไฟฟ้าสูงถึง 185,370 ล้านหน่วย (รูปที่ 1) และต้นทุนการผลิตไฟฟ้าที่ประมาณ 2 -5 บาท/หน่วย แสดงถึงต้นทุนการผลิตไฟฟ้าสำหรับระบบปรับอากาศในประเทศ ที่สูงมากกว่า 2 แสนล้านบาทต่อปี

 

 

รูปที่ 1 อัตราการใช้ไฟฟ้าในประเทศ ปีพ.ศ. 2560 (ที่มารูป: สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน กระทรวงพลังงาน)

 

          ดังนั้นการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีระบบทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพที่สูงกว่าระบบทำความเย็นในปัจจุบัน จะช่วยลดความจำเป็นในการใช้ไฟฟ้าลงและช่วยลดต้นทุนการผลิตไฟฟ้าที่สูงมากในอนาคต โดยระบบทำความเย็นในปัจจุบันได้แก่ ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (vapor compression refrigeration) ที่มีข้อจำกัดทางด้านประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า 10% ของ Carnot cycle ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงาน และต้องใช้สารทำความเย็นที่มีองค์ประกอบของ hydrofluorocarbon (HFC) หรือ hydrochlorofluorocarbon (HCFC) ที่ส่งผลทำลายโอโซนในบรรยากาศชั้นสตราโทสเฟียร์ จึงเห็นได้ว่า การพัฒนาเทคโนโลยีทำความเย็นระบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพที่สูงกว่าและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า จึงเป็นสิ่งที่จำเป็น

 

          ในปีพ.ศ. 2560 ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ เริ่มดำเนินการโปรแกรมวิจัยด้านนวัตกรรมฟิสิกส์สำหรับอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก (Innovative Physics for Magnetic Cooling Industry Research Program) โดยมีเป้าหมายที่จะวิจัยและพัฒนาวัสดุแม่เหล็กและกระบวนการผลิตสำหรับแม่เหล็กถาวรและการทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก โดยประยุกต์ใช้นวัตกรรมทางฟิสิกส์ เพื่อพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กต้นแบบ ทั้งนี้จุดเด่นของระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก (magnetic refrigerator) คือการใช้ของแข็งเป็นตัวทำความเย็น  ไม่ต้องใช้สารทำความเย็นที่ไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม  และการทำความเย็นแบบปรากฏการณ์แมกนีโทแคลอริก(Magnetocaloric Effect หรือ MCE) สามารถได้ประสิทธิภาพสูงถึง 60% ของ Carnot cycle ทำให้ตู้เย็นแม่เหล็กมีศักยภาพที่จะช่วยลดต้นทุนทางไฟฟ้าในประเทศได้มากกว่าแสนล้านบาทต่อปี

 

          ระบบทำความเย็นด้วยสนามแม่เหล็กหรือระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก อ้างอิงตามหลักทฤษฎีทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) โดยวัสดุที่ใช้ในระบบทำความเย็นนี้เรียกว่า วัสดุ MCE ที่มีความสามารถในการเปลี่ยนแปลงแปลงอุณหภูมิ ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของความเข้มสนามแม่เหล็ก ที่ส่งผลต่อการเกิด magnetization หรือ demagnetization ภายในวัสดุ MCE ซึ่งสมบัติการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้สนามแม่เหล็กของวัสดุ MCE นี่เองที่สามารถถูกนำมาใช้เป็นวัสดุทำความเย็น

 

          โดยหากเปรียบเทียบวัฏจักรการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัดไอ และ ระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จะเห็นว่าระบบทำความเย็นแบบแม่เหล็กจะไม่จำเป็นต้องใช้สารทำความเย็น (HFC หรือ HCFC) และเครื่องคอมเพรสเซอร์ แต่ใช้วัสดุ MCE ทำหน้าที่เป็นสารทำความเย็นแทน โดยมีอุณหภูมิสูงขึ้นเมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก (H field on) และเย็นตัวลงเมื่อปิดสนามแม่เหล็ก (H field off) โดยในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ วัสดุ MCE จะอยู่ภายใต้สภาวะบรรยากาศปกติ ไม่จำเป็นต้องเพิ่มความดันเหมือนสารทำความเย็นแบบของเหลว จึงไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องคอมเพรสเซอร์ และสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้โดยใช้แม่เหล็กถาวรหมุนไปมาที่ความเร็วรอบไม่เกิน 10 รอบต่อนาที (ซึ่งเป็นความเร็วรอบที่ต่ำกว่าเครื่องคอมเพรสเซอร์มาก) นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้สนามแม่เหล็กของวัสดุ MCE เป็นกระบวนการแบบผันกลับ (reversible process) ที่มีประสิทธิภาพใกล้เคียงค่าประสิทธิภาพของ Carnot cycle ส่งผลให้ระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กมีศักยภาพในการประหยัดพลังงานและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่สูงมาก

 

 

 

รูปที่ 2 เปรียบเทียบวัฏจักรการทำความเย็นแบบปัจจุบัน (ซ้าย) ซึ่งเป็นแบบอัดไอ กับวัฏจักรของระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก (ขวา)

 

          จะเห็นได้ว่า การพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กนั้น วัสดุ MCE และ วัสดุแม่เหล็กถาวร เป็นวัสดุที่สำคัญต่อการสร้างนวัตกรรมระบบทำความเย็นทางแม่เหล็ก ดังนั้น การดำเนินงานโปรแกรมวิจัยด้านนวัตกรรมฟิสิกส์สำหรับอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จึงประกอบไปด้วย 4 โครงการวิจัย ดังต่อไปนี้:

 

โครงการวิจัยที่ 1:การศึกษาสมบัติแม่เหล็กและเชิงกายภาพของสารประกอบความร้อนเชิงแม่เหล็กในกลุ่มแมงกาไนต์ (LaMnO3) และการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต้นแบบระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก

 

โครงการวิจัยที่ 2:การคิดค้นวัสดุ MCE สำหรับเครื่องทำความเย็น

 

โครงการวิจัยที่ 3:แม่เหล็กถาวรจากโครงสร้างนาโน สำหรับการทำความเย็นด้วยสนามแม่เหล็ก

 

โครงการวิจัยที่ 4:การพัฒนาแม่เหล็กถาวรขั้นสูง สำหรับตู้เย็นแม่เหล็ก

 

          โดยโครงการวิจัยที่ 1 และ 2 เป็นโครงการที่มุ่งเน้นในการพัฒนาวัสดุ MCE และพัฒนาต้นแบบระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก ส่วนโครงการวิจัยที่ 3 และ 4 มุ่งเน้นในการศึกษาและพัฒนาวัสดุแม่เหล็กถาวร สำหรับรายละเอียดการดำเนินงานในปีที่ 1 ของโครงการวิจัยทั้ง 4 มีดังต่อไปนี้

 

2.โครงการวิจัยการศึกษาสมบัติแม่เหล็กและเชิงกายภาพของสารประกอบความร้อนเชิงแม่เหล็กในกลุ่มแมงกาไนต์ (LaMnO3) และการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต้นแบบระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก

 

          โครงการวิจัยแรกนี้ มีวัตถุประสงค์หลักในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต้นแบบระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก และศึกษาวิจัยระดับ First Principles เพื่อเข้าใจถึงปรากฏการณ์ MCE ในวัสดุ เพื่อนำความเข้าใจประกอบการออกแบบพัฒนานวัตกรรมระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก โดยในการดำเนินการ ประกอบไปด้วย

 

  1. การศึกษาและออกแบบระบบสร้างสนามแม่เหล็ก (magnetic generator)
  2. การออกแบบและทดสอบระบบควบคุมทางไฟฟ้า (electric control system)
  3. การออกแบบและศึกษาการไหลและแลกเปลี่ยนทางความร้อนของ active magnetic regenerator
  4. การศึกษาสมบัติการทำความเย็นทางแม่เหล็ก ด้วยหลักพื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์และการวิเคราะห์คำนวณเชิงตัวเลข (numerical simulation)

โดยรายละเอียดการดำเนินงานของแต่ละโครงการย่อย แสดงรายละเอียดดังต่อไปนี้

 

2.1การศึกษาและออกแบบระบบสร้างสนามแม่เหล็ก (magnetic generator)

 

          การดำเนินงานในระยะแรกเป็นการศึกษาระบบของเครื่องทำความเย็นแบบแม่เหล็ก จากนั้นเป็นการกระจายงานตามระบบการทำงานของเครื่อง โดยการออกแบบระบบแม่เหล็ก รวมไปถึงการวัดสนามแม่เหล็กที่เป็นไปได้ด้วยโปรแกรม COMSOL Multiphysics และได้ออกแบบฐานรองรับเครื่องทำความเย็นแบบแม่เหล็ก เนื่องจากการออกแบบแม่เหล็กมีข้อจำกัดของรูปทรง คือจำเป็นจะต้องเป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมเท่านั้น จึงได้ทำการออกแบบแม่เหล็กเป็น 2 รูปแบบ ได้แก่ รูปแบบแม่เหล็กอย่างง่าย ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวรทรงสี่เหลี่ยม 1 ชิ้นหมุนได้ที่ด้านใน ล้อมรอบด้วยแม่เหล็กแบบอ่อน แสดงดังรูปที่ 3 และรูปแบบแม่เหล็กแบบซับซ้อน ประกอบด้วยแม่เหล็กถาวร 4 ชิ้นซึ่งหมุนได้ที่ด้านใน แสดงดังรูปที่ 4 โดยทั้งสองแบบให้สนามแม่เหล็ก 0.5 เทสลา และ 0.65 เทสลา ตามลำดับ การศึกษาด้วยโปรแกรม COMSOL Multiphysics ทำให้สามารถออกแบบระบบของแม่เหล็กที่เหมาะสมที่สุดก่อนการทำระบบจริง  ในขณะนี้งานอยู่ในขั้นตอนการจัดซื้อแม่เหล็ก และประกอบระบบแม่เหล็กเพื่อใช้งานจริง

 

 

รูปที่ 3 (a) ภาพร่างของรูปแบบแม่เหล็กแบบง่าย และ (b) ค่าความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก

 

 

รูปที่ 4 (a) ภาพร่างของรูปแบบแม่เหล็กแบบซับซ้อน และ (b) ค่าความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก

 

2.2การออกแบบและทดสอบระบบควบคุมทางไฟฟ้า (electric control system)

 

        แบบจำลองโมเดลระบบทำความเย็นแม่เหล็กในส่วนของระบบการไหลที่ทำหน้าที่ในการลำเลียงส่งถ่ายพลังงานความร้อนที่ได้จากการแลกเปลี่ยนพลังงานกับวัสดุแม่เหล็กเชิงความร้อนโดยใช้น้ำ ได้มีการพัฒนาระบบการไหลที่กำหนดทิศทางการไหลของอุณหภูมิร้อนและอุณหภูมิเย็นแบบคนละทิศทาง จึงเกิดบริเวณที่มีอุณหภูมิร้อนและอุณหภูมิเย็นอยู่กันคนละบริเวณกัน โดยใช้โซลินอยด์ในการกำหนดทิศทางที่ควบคุมด้วยระบบไฟฟ้า และอีกระบบที่ทำงานสัมพันธ์กับระบบการไหลคือระบบการขับเคลื่อนทางกล มีหน้าที่ในการหมุนระบบวงจรแม่เหล็กเพื่อปรับเปลี่ยนความเข็มของสนามแม่เหล็กที่จะส่งผลไปยังวัสดุแม่เหล็กเชิงความร้อน โดยใช้มอเตอร์สามเฟสที่ควบคุมความเร็วรอบการหมุนด้วยอินเวอร์เตอร์และส่งกำลังไปผ่านเพลา สายพาน และพูลเล่ ไปยังระบบวงจรแม่เหล็ก โดยที่การหมุนของระบบวงจรแม่เหล็กจะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนทิศทางการไหลของระบบการไหลโดยจะถูกควบคุมโดยอัตโนมัติด้วยระบบไฟฟ้า ในแบบจำลองโมเดลระบบทำความเย็นแม่เหล็กนี้สามารถดูผลของการทำงานของระบบผ่านคอมพิวเตอร์ ด้วยเซ็นเซอร์ตรวจวัดอุณหภูมิ เซ็นเซอร์ตรวจวัดความดัน และเซ็นเซอร์ตรวจวัดอัตราการไหลได้ ตัวอย่างของระบบที่กล่าวมาแสดงในรูปที่ 5

 

 

รูปที่ 5 ภาพระบบการควบคุมการไหลและวาล์ว

 

2.3การออกแบบและศึกษาการไหลและแลกเปลี่ยนทางความร้อนของ active magnetic regenerator

 

          วัสดุ MCE ที่นิยมสำหรับระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กคือแกโดลิเนียมและวัสดุกลุ่มแลนทานัม ( La(Fe,Mn,Si)13Hy) วัสดุกลุ่มแลนทานัมเป็นวัสดุที่มีความเปราะ จึงอาจเกิดความเสียหายจากแรงดันสูงขณะระบบทำงาน การใช้สารยึดเกาะ (binding agent) มาช่วยในการขึ้นรูปวัสดุกลุ่มแลนทานัมก่อนนำไปใช้ในระบบ จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้ทนทานต่อแรงดันได้ (รูปที่ 6)  สารยึดเกาะเป็นวัสดุกลุ่มพอลิเมอร์ การนำมาใช้ขึ้นรูปจึงต้องศึกษาถึงวิธีการที่เหมาะสม เนื่องจากสารยึดเกาะเป็นฉนวนความร้อนซึ่งอาจขัดขวางการแลกเปลี่ยนความร้อน  ในขณะเดียวกันสารเติมแต่งสำหรับเพิ่มการนำความร้อนให้สารยึดเกาะจะถูกศึกษาควบคู่ไปด้วย

 

 

รูปที่ 6  ตัวอย่างการขึ้นรูป magnetocaloric beds ด้วยอีพ็อกซี่เป็นตัวประสาน

 

          ในส่วนของการวิเคราะห์ด้วย Computational Fluid Dynamics งานวิจัยนี้ศึกษาพฤติกรรมการไหลของน้ำผ่านวัสดุแม่เหล็กในระบบการทำความเย็นแม่เหล็ก โดยเริ่มจากการทดสอบหาความสัมพันธ์ของความดันสูญเสียกับความเร็วของน้ำที่ไหลผ่านผงเหล็กอัดที่เลขเรย์โนลด์เท่ากับ 3,000 - 7,000 ผงเหล็กนี้ถูกจำลองให้เป็นวัสดุพรุนที่มีสภาพความพรุนใกล้เคียงกับวัสดุแม่เหล็กคือแกลโดลิเนียม  ข้อมูลที่ได้ถูกนำมาสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขเพื่อใช้ในการทำนายการไหลของน้ำผ่านวัสดุพรุน (โดยรูปแบบการจำลองและโครงสร้างการทดลองแสดงในรูปที่ 7 และ 8 ตามลำดับ) จากการเปรียบเทียบค่าความดันสูญเสียพบว่าผลที่ได้จากการคำนวณด้วยพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณมีความสอดคล้องกับค่าที่ได้จากการทดลองจริง (ดังแสดงในรูปที่ 9) แบบจำลองเชิงตัวเลขที่ได้นี้จะถูกนำไปใช้ออกแบบการแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบการทำความเย็นแม่เหล็กโดยการใช้โปรแกรมสำเร็จรูปทางด้านพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณต่อไป

 

 

รูปที่ 7  แสดงแบบจำลองการไหลของน้ำผ่านวัสดุพรุน

 

 

รูปที่ แสดงโครงสร้างของส่วนการทดลอง

 

 

รูปที่ 9 เปรียบเทียบความสัมพันธ์ระหว่างความดันสูญเสียกับความเร็วที่ได้จากการทดลอง (เส้นสีดำ) และการคำนวณ (เส้นสีแดง)

 

2.4การศึกษาสมบัติการทำความเย็นทางแม่เหล็ก ด้วยหลักพื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์และการวิเคราะห์คำนวณเชิงตัวเลข (numerical simulation)

 

          เนื่องจากฟิสิกส์ของระบบทำความเย็นโดยใช้วัสดุMCE ขึ้นกับปรากฏการณ์หลากหลาย เช่น การถ่ายโอนความร้อน การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ความต้านทานการไหล เป็นต้น การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มาช่วยวิเคราะห์และศึกษาตัวแปรต่าง ๆ เพื่อช่วยในการออกแบบระบบทำความเย็นแบบแม่เหล็กอย่างมีประสิทธิภาพจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง โครงการวิจัยนี้ได้ศึกษาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่แทนการทำงานของระบบทำความเย็นแบบแม่เหล็ก และทำการคำนวณทางคอมพิวเตอร์อย่างเป็นระบบ  แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ดังกล่าวให้ค่าประมาณของสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (COP) ซึ่งสื่อถึงประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นที่ขึ้นกับตัวแปรสำคัญ เช่น ปริมาณการไหลของของเหลว (ดังแสดงในรูปที่ 10) เป็นต้น อีกทั้งยังช่วยคำนวณค่า COP ของระบบทำความเย็นที่เกิดจากชั้นซ้อนของวัสดุ MCE (multi-layered magnetocaloric materials, MMCM) (ดังแสดงในรูปที่ 11) การเรียงตัวของ MMCM นี้หากนำมาประยุกต์ใช้งานในระบบทำความเย็นแบบแม่เหล็ก อาจทำให้ค่าอุณหภูมิภายในตู้เย็นลดลงได้ถึง 40 องศาเซลเซียส

 

 

รูปที่10 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (แกนตั้ง) กับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของของไหลซึ่งไหลผ่านท่อหรือช่องการไหลใดๆ ในหนึ่งหน่วยเวลา (แกนนอน)

 

 

รูปที่11 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (แกนตั้ง) กับจำนวนชั้นของวัสดุ MCE (แกนนอน)

 

3. โครงการวิจัยการคิดค้นวัสดุ MCE สำหรับเครื่องทำความเย็น

 

          เทคโนโลยีทำความเย็นมีความสำคัญต่อชีวิตของมนุษย์เป็นอย่างมาก อย่างไรก็ตามเครื่องทำความเย็นปัจจุบันเกือบทั้งหมดอาศัยวัฏจักรการอัดไอ (vapor compression cycle) ซึ่งต้องการสารในกลุ่ม HFC หรือ HCFC เป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าสารดังกล่าวเป็นต้นเหตุหนึ่งที่ทำให้เกิดปัญหาภาวะโลกร้อน ดังนั้นการคิดค้นวัสดุหรือนวัตกรรมการทำความเย็นรูปแบบใหม่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง

 

          ปรากฏการณ์ MCE ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2424 โดย E. Warburg นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน จากการนำแท่งเหล็กบริสุทธิ์วางในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิต่ำ  แล้วพบว่าแท่งเหล็กบริสุทธิ์จะมีการปล่อยและดูดกลืนความร้อนเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก  การเกิดปรากฏการณ์ MCE มีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของวัสดุแม่เหล็กเนื่องจากการจัดเรียงตัวของโมเมนต์แม่เหล็กเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก ดังแสดงในรูปที่ 12 โดยวัสดุ MCE เป็นวัสดุที่นักวิจัยแสดงให้เห็นแล้วว่ามีศักยภาพสูงเพียงพอที่จะสามารถพัฒนาเพื่อประยุกต์ใช้ในระบบทำความเย็นแบบแม่เหล็กได้ [1] อีกทั้งจากการศึกษาในทางทฤษฏีพบว่า เป็นระบบที่สามารถพัฒนาให้มีประสิทธิภาพดีกว่าระบบที่อาศัยวัฏจักรอัดไอที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้  แต่ยังมีอุปสรรคที่ต้นทุนในการผลิตที่สูงและยังต้องอาศัยสนามแม่เหล็กที่มีความแรงมากๆ ดังนั้นการคิดค้นวัสดุที่สามารถแสดงปรากฏการณ์ MCE ได้ดีโดยอาศัยสนามแม่เหล็กน้อยๆ ในระดับที่สามารถสร้างโดยใช้แม่เหล็กถาวรได้นั้นจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการทำความเย็นรวมถึงอุตสาหกรรมต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง  ซึ่งจะส่งผลให้สามารถเพิ่มศักยภาพในการแข่งขันทางเศรษฐกิจของประเทศได้เป็นอย่างมาก

 

 

รูปที่ 12 การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัสดุ MCE เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีที่ขึ้นกับสนามแม่เหล็กภายนอก

 

          การประยุกต์ใช้วัสดุ MCE สำหรับการทำความเย็นยังมีอุปสรรคหลักๆ อยู่ 3 ประการด้วยกัน กล่าวคือวัสดุ MCE มีราคาสูงเนื่องจากมีธาตุแรร์เอิร์ท (rare-earth elements) เป็นส่วนประกอบ, ช่วงอุณหภูมิที่สามารถแสดงปรากฏการณ์ MCE ที่แคบ และต้องการสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง ด้วยอุปสรรคดังกล่าวทำให้การประยุกต์ใช้วัสดุ MCE สำหรับการทำความเย็นในปัจจุบันไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควร

 

          ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีในการสังเคราะห์วัสดุทำให้สามารถสังเคราะห์วัสดุ MCE ที่ไม่ใช้ธาตุแรร์เอิร์ทเป็นองค์ประกอบและสามารถแสดงสมบัติ MCE ที่อุณหภูมิใกล้เคียงอุณหภูมิห้อง ซึ่งวัสดุดังกล่าวเป็นอัลลอยที่ประกอบด้วย NiMnCrIn [2] การค้นพบวัสดุ MCE ที่ไม่ใช้ธาตุแรร์เอิร์ทเป็นองค์ประกอบจึงเป็นการจุดประกายในการประยุกต์วัสดุ MCE เพื่อการทำความเย็น อย่างไรก็ตามการศึกษาวิจัยยังจำเป็นต้องดำเนินการอย่างต่อเนื่อง เพื่อปรับช่วงอุณหภูมิของการแสดงปรากฏการณ์ MCE ให้กว้างขึ้น

 

          โครงการวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นการพัฒนาวัสดุ MCE เพื่อประยุกต์ใช้ในเครื่องทำความเย็น โดยให้ความสำคัญกับต้นทุนในการสังเคราะห์วัสดุ และการลดความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ต้องใช้ วัสดุ MCE จะถูกศึกษาเพื่อปรับช่วงอุณหภูมิในการแสดงปรากฏการณ์ MCE และวัสดุที่ถูกเลือกจะถูกเคลือบด้วยแม่เหล็กอ่อนดังรูปที่ 13 เพื่อให้สามารถประยุกต์วัสดุ MCE ในการทำความเย็นโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างโดยขดลวดหรือแม่เหล็กถาวรที่มีน้ำหนักเบาและขนาดที่เล็กลง

 

 

รูปที่ 13 วัสดุ MCE เคลือบแม่เหล็กอ่อน

 

          ผลการศึกษาเบื้องต้นพบว่าการเปลี่ยนเฟสแม่เหล็กของ FeNiCr สามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนปริมาณของ Cr ในตัวอย่าง โดยเมื่อปริมาณของ Cr เพิ่มสูงขึ้น  การเปลี่ยนเฟสจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลง ดังแสดงในรูปที่ 14

 

 

รูปที่ 14 การเปลี่ยนเฟสแม่เหล็กในอัลลอย FeNiCr  โดย (a) สภาพรับไว้ได้ทางแม่เหล็กที่อุณหภูมิต่างๆ และ (b) อนุพันธ์เทียบกับอุณหภูมิของสภาพรับไว้ได้ทางแม่เหล็ก

         

          จากการศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของ NiMnIn ที่ผ่านการเผาที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียสพบว่าองค์ประกอบที่ตรวจวัดได้ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ MCE ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้นดังแสดงในรูปที่ 15 และการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีต่ำกว่าที่เคยมีการรายงานก่อนหน้านี้ [3]

 

 

รูปที่ 15 (a) กราฟ M-H ที่อุณหภูมิต่างๆ และ (b)การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีในอัลลอย NiMnIn

 

4. โครงการวิจัยแม่เหล็กถาวรจากวัสดุโครงสร้างนาโนสำหรับตู้เย็นแม่เหล็ก

 

            แม่เหล็กถาวรเป็นส่วนประกอบสำคัญในตู้เย็นแม่เหล็กที่จะถูกคิดค้นขึ้นมาใหม่รวมถึงอุปกรณ์เครื่องใช้อื่นๆอีกมากมาย แต่วัตถุดิบของแม่เหล็ก Nd-Fe-B และ Sm-Co จะขาดแคลนในอนาคต การวิจัยและพัฒนาแม่เหล็กถาวรชนิดใหม่ ที่ไม่ต้องอาศัยธาตุแรร์เอิร์ทเป็นส่วนประกอบจึงมีความสอดคล้องกับยุทธศาสตร์ชาติในการพัฒนาอุตสาหกรรมที่ใช้ฐานนาโนเทคโนโลยีของประเทศไทย

 

          การวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับแม่เหล็กถาวรชนิดใหม่มุ่งเน้นไปที่แมงกานีสบิสมัท (MnBi) ให้เป็นตัวเลือกแทนแม่เหล็กที่มีธาตุแรร์เอิร์ทเป็นองค์ประกอบ เนื่องจาก low temperature phase (LTP) ของ MnBi มีค่าmagnetocrystalline anisotropy สูง และค่าสัมประสิทธิอุณหภูมิของค่าลบล้างแม่เหล็ก (coercivity) เป็นบวก แสดงถึงการใช้งานเป็นแม่เหล็กถาวรได้ที่อุณหภูมิสูง

 

          คณะวิจัยที่มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ได้ทำการผลิตแม่เหล็ก MnBi โดยการผสมและการให้ความร้อนด้วยการอาร์ควัสดุตั้งต้น จากนั้นแม่เหล็กจะถูกอบ (anneal) ที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า 300 องศาเซลเซียสให้เกิดเฟส LTP แล้วหมุนบดด้วยลูกบอล (ball-milled) เพื่อเพิ่มค่าลบล้างแม่เหล็กจากเกรนของวัสดุที่ลดขนาดลง อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กที่ได้จากการผลิตมีฮิสเทอร์รีซิสลูปแคบซึ่งแสดงถึงความเป็นแม่เหล็กอ่อน

 

          การเกิดเฟสที่เหมาะสม สามารถควบคุมได้ดีขึ้นด้วยการพัฒนาอุปกรณ์ผลิตแม่เหล็กในสภาวะปราศจากออกซิเจนซึ่งได้แก่ เตาไมโครเวฟที่ภายใต้บรรยากาศของแก๊สอาร์กอน เพื่อใช้ในขั้นตอนการหลอมสารแม่เหล็กในขั้นต้น นอกจากนี้ขั้นตอนของการอัดและการอบอ่อนผงแม่เหล็ก ได้รับการพัฒนาให้อยู่ในระบบเดียวกัน ดังแสดงในรูปที่ 16และ17

 

 

รูปที่ 16 เตาไมโครเวฟสำหรับหลอมสารแม่เหล็กภายใต้บรรยากาศของแก๊สอาร์กอนที่สามารถให้อุณหภูมิได้สูงกว่า 1,300 องศาเซลเซียส

 

 

รูปที่ 17 เครื่องอัดและอบอ่อนผงแม่เหล็กในระบบเดียวกัน

 

5. โครงการวิจัยพัฒนาแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูงไร้ธาตุแรร์เอิร์ทสำหรับตู้เย็นแม่เหล็ก

 

            ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ความต้องการใช้แม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูงมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากว่าแม่เหล็กถาวรเป็นชิ้นส่วนสำคัญในการเปลี่ยนกลับระหว่างพลังงานเชิงกลและพลังงานไฟฟ้า และมีความสำคัญในเทคโนโลยีหลายด้านเช่น เทคโนโลยีด้านพลังงาน, การเก็บเกี่ยวพลังงานโดยกังหันลม และยานพาหนะแบบผสม (hybrid vehicles) แม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูงที่ใช้งานในปัจจุบันได้แก่ Nd-Fe-B และ Sm-Co ซึ่งมีส่วนประกอบที่เป็นธาตุแรร์เอิร์ทคือ นีโอไดเมียม (Nd) และ สะมาเรียม (Sm)  การสกัดแยกธาตุเหล่านี้ออกมาจากก้อนแร่ให้เป็นธาตุบริสุทธิ์ในปริมาณมากทำได้ยากและมีราคาแพง หากความต้องการใช้ธาตุดังกล่าวเพิ่มมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากมีเทคโนโลยีเกิดใหม่ทางด้านการหล่อเย็น อย่างเช่น ตู้เย็นแม่เหล็ก จะทำให้ธาตุดังกล่าวมีราคาสูงขึ้นเป็นอย่างมาก เพื่อเป็นการเตรียมการกับสภาวะขาดแคลนของธาตุดังกล่าวในอนาคต จึงได้มีการวิจัยและพัฒนาแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูงที่ไม่ต้องใช้ธาตุแรร์เอิร์ทเป็นองค์ประกอบ

 

          คณะวิจัยของสาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีได้ดำเนินการวิจัยและพัฒนาวัสดุแม่เหล็กถาวรชนิดใหม่ที่ไร้ธาตุแรร์เอิร์ท  ในระยะเริ่มต้นคณะวิจัยได้มุ่งเน้นการสังเคราะห์เหล็กไนไตรท์ (Fe-N) จากการทดลองและการค้นคว้าพบว่าการสังเคราะห์เหล็กในไตรท์ที่มีโครงสร้างที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ต้องการนั้นต้องอาศัยเทคนิคการทำไนไตรเดชัน (nitridation) ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างแก๊สแอมโมเนียมและโลหะเหล็ก  การทำการทดลองดังกล่าวมีข้อจำกัดในเรื่องความปลอดภัยเพราะสถานที่ทำการทดลองเป็นห้องปฏิบัติการกลาง และอีกประเด็นที่สำคัญคือความไม่เสถียรของสาร Fe - N ในโครงสร้างที่ต้องการ ที่อุณหภูมิสูงเกิน 200 องศาเซลเซียส  พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและสูญเสียสภาพความเป็นแม่เหล็กที่ต้องการ จึงได้ข้อสรุปว่าระบบสารดังกล่าวอาจจะไม่มีความเหมาะสมในการใช้งาน และได้เปลี่ยนระบบสารที่ศึกษาที่มีความเป็นไปได้ในการใช้งานในอนาคต นั่นคือ แมงกานีสบิสมัท (MnBi) ที่มีโครงสร้างที่เรียกว่า low temperature phase (LTP) ซึ่งมีค่า magnetocrystalline anisotropy สูงและมีการเพิ่มขึ้นของค่าลบล้างแม่เหล็ก (coercivity) ตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

 

          คณะวิจัยได้พัฒนาระบบผลิตสารแม่เหล็กMnBiโดยอาศัยหลักการการแพร่ของบิสมัทเข้าไปในผงแมงกานีส ณ สถานีทดลองของระบบลำเลียงแสง BL3.2a ของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ต้นเหตุของความยุ่งยากที่เกิดขึ้นในการเตรียมสารแม่เหล็ก MnBi คือความแตกต่างของจุดหลอมเหลวระหว่างแมงกานีส (1246 oC) และบิสมัท (271 oC) และการเกิดออกไซด์ของ MnBi  ระบบเตรียมสารแม่เหล็กที่พัฒนาขึ้นสามารสสร้างสภาวะสุญญากาศในระดับ 10-8 mbar ซึ่งเป็นสภาวะที่มีปริมาณแก๊สออกซิเจนหลงเหลือในปริมาณที่ต่ำมาก ๆ ทำให้สามารถเลี่ยงการเกิดออกไซด์ของ MnBi และสามารถเติมออกซิเจนเข้าไปในระบบในปริมาณที่ต้องการเพื่อศึกษาผลกระทบของออกซิเจนต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของ MnBi นอกเหนือจากนั้นได้มีการติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิที่สามารถควบคุมความคาดเคลื่อนของอุณหภูมิระดับ +/- 1 องศาเซลเซียส และสามารถควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ ศักยภาพของระบบเตรียมสารที่พัฒนาขึ้นเปิดโอกาสให้คณะวิจัยปรับแต่งเงื่อนไขในการเตรียมสารที่อาจจะนำไปสู่ความสำเร็จในการสังเคราะห์สารแม่เหล็ก MnBi ที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่จะนำไปใช้ในการผลิตแม่เหล็กถาวรประสิทธิภาพสูง

 

 

รูปที่ 18 ระบบเตรียมสาร MnBi โดยหลักการ Thermal Diffusion

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] I. Takeuchi and K. Sandeman (2015). Solid-state cooling with caloric materials. Phys Today 68(12): 48-54.

[2] V. K. Sharma, M. K. Chattopadhyayand S.B. Roy (2010). Large magnetocaloric effect in Ni50Mn33.66Cr0.34In16 alloy. J Phys D: ApplPhys 43: 225001.

[3] X. Moya, L. Manosa and A. Planes (2007). Cooling and heating by adiabatic magnetization in the Ni50Mn34In16 magnetic shape-memory alloy.  Phys Rev B 75: 184412.

 

รายงานโดย

 

รศ. ดร. กิตติวิทย์ มาแทน 1), ผศ. ดร. ราชธีร์ เตชไพศาลเจริญกิจ 2), ผศ. ดร. พงศกร  จันทรัตน์3),

รศ. ดร. ชิตณรงค์ ศิริสถิตย์กุล 4), และ รศ. ดร. ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล 5)

 

1)ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล, 2) ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 3) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, 4) สาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์, 5) สาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี