พลังงานเป็นสิ่งสำคัญและจำเป็นต่อการดำเนินชีวิตของมนุษย์ในปัจจุบัน อีกทั้งยังเป็นตัวแปรสำคัญในการพัฒนาเศรษฐกิจ การเพิ่มผลผลิต การพัฒนาคุณภาพทั้งด้านเกษตรกรรมและอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก พลังงานที่ใช้ในประเทศไทยส่วนมากมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล (ก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน น้ำมัน) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้แล้วหมดไป ไม่สามารถหามาทดแทนได้(nonrenewable energy sources) ซึ่งมนุษย์ทำการขุดและนำเชื้อเพลิงฟอสซิลมาใช้มากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นไม่ช้าก็เร็วแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิลเหล่านี้จะหมดไปจากโลกของเรา ด้วยเหตุนี้จึงต้องทำการหาวิธีลดการใช้พลังงานลงจากที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน
เนื่องจากประเทศไทยเป็นเมืองร้อนและอยู่ในช่วงการขยายตัวทางเศรษฐกิจอย่างต่อเนื่องทำให้มีการใช้พลังงานเป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะการใช้พลังงานในการทำความเย็น (refrigeration) ซึ่งเป็นปัจจัยพื้นฐานสำคัญของประชาชนในประเทศ ทั้งภาคครัวเรือน ค้าปลีก และขนส่ง ระบบทำความเย็นส่วนมากใช้ในการปรับอากาศเพื่อควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น การไหลเวียนคุณภาพ ความสะอาดของอากาศ รวมถึงควบคุมเสียงรบกวนเพื่อให้เกิดความสบายและเป็นผลดีต่อสุขภาพของบุคลากรในพื้นที่นั้นๆ ระบบทำความเย็นที่เรารู้จักและคุ้นเคยได้แก่ ตู้เย็น ตู้แช่ เครื่องปรับอากาศรถยนต์ เครื่องปรับอากาศในบ้าน เครื่องปรับอากาศในอาคาร นอกจากนี้ระบบทำความเย็นยังเข้ามามีบทบาทสำคัญในกระบวนการผลิตอุตสาหกรรม เช่นอุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งที่ต้องการความเย็นสำหรับการเก็บรักษาอาหารให้มีความสดเป็นเวลานาน โดยการทำงานของระบบทำความเย็นจะใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นหลัก จากการสำรวจพบว่าระบบปรับอากาศที่ใช้ในอาคารขนาดใหญ่ จะใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่าครึ่งหนึ่งของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดในประเทศ ระบบทำความเย็นจึงส่งผลกระทบโดยตรงต่อการใช้พลังงานในประเทศ
ดังนั้น อุตสาหกรรมระบบทำความเย็น จึงเป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมหลักของประเทศ โดยผู้ประกอบการภายในประเทศด้านอุตสาหกรรมระบบทำความเย็นนั้น มีศักยภาพในการแข่งขันทางการผลิตในระดับโลกได้อย่างเข้มแข็ง เนื่องจากองค์ความรู้ที่จำเป็นต้องใช้ต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์ทำความเย็น สอดคล้องกับความเชี่ยวชาญของผู้ประกอบการภายในประเทศ ที่สามารถออกแบบและผลิต แปรรูปวัสดุ ผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้อง จนถึงการประกอบชิ้นส่วน ได้ทั้งหมดภายในประเทศ ดังนั้นอุตสาหกรรมระบบทำความเย็นจึงมีศักยภาพในการพัฒนาเทคโนโลยีผลิตภัณฑ์ของตนเองได้ เช่น คอมเพรสเซอร์ ระบบเครื่องปรับอากาศ เป็นต้น และเพื่อให้เกิดการพัฒนาต่อเนื่องอย่างยั่งยืน ให้อุตสาหกรรมระบบทำความเย็นสามารถแข่งขันได้ในเวทีระดับโลก การพัฒนานวัตกรรมใหม่ในระบบทำความเย็น ที่มุ่งเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน จึงเป็นแนวทางสำคัญที่จะช่วย เพิ่มความเข้มแข็งให้อุตสาหกรรมดังกล่าว และส่งเสริมการเติบโตทางเศรษฐกิจที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกเช่นกัน
สำหรับระบบทำความเย็นในปัจจุบัน ที่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายได้แก่ ระบบทำความเย็นแบบอัดไอ (vapor compression refrigeration)
โดยมีหลักการคือ การใช้สารทำความเย็น (refrigerant)เป็นตัวกลางในการทำความเย็น ซึ่งสารทำความเย็นจะเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเนื่องจากการเพิ่มหรือลดความดัน (pressure)แต่ทว่าการทำงานของระบบทำความเย็นแบบนี้
ใช้พลังงานสูงเนื่องจากต้องใช้เครื่องคอมเพรสเซอร์ที่ทำหน้าที่เพิ่มความดันให้กับสารทำความเย็น ซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าที่สูงและมีประสิทธิภาพที่ต่ำเนื่องจากเป็นกระบวนการ
irreversible processโดยระบบทำความเย็นแบบอัดไอ ที่ใช้ในปัจจุบัน มีประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า 10% ของ Carnot cycle ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงาน
และยังส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยตรง เนื่องจากสารทำความเย็นที่ต้องใช้มีองค์ประกอบของ hydrofluorocarbons (HFCs) และ hydrochlorofluorocarbons (HCFCs)
ที่ส่งผลในการทำลายโอโซนในบรรยากาศชั้นสตราโทสเฟียร์ โดยหน่วยงานทางด้านสิ่งแวดล้อมที่สำคัญ ดังเช่น US Environmental Protection Agency (EPA)
ได้ออกมาตรการที่จะเริ่มลดการใช้สารจำพวก HCFCs ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ ภายในปี 2020 จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีระบบทำความเย็นรูปแบบใหม่โดยการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบทำความเย็น
เพื่อช่วยลดปริมาณการใช้พลังงานและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม [1]
ระบบทำความเย็นด้วยสนามแม่เหล็กหรือระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก อ้างอิงตามหลักทฤษฏีทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) โดยวัสดุที่ใช้ในระบบทำความเย็นนี้เรียกว่า วัสดุแมกนีโทแคลอริก (magnetocaloric materials) ที่มีความสามารถในการเปลี่ยนแปลงแปลงอุณหภูมิ ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของความเข้มสนามแม่เหล็ก ที่ส่งผลต่อการเกิด magnetization หรือ demagnetization ภายในวัสดุแมกนีโทแคลอริก ซึ่งสมบัติการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้สนามแม่เหล็กของวัสดุแมกนีโทแคลอริก จึงสามารถถูกนำมาใช้เป็นวัสดุทำความเย็น
โดยหากเปรียบเทียบวัฏจักรการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัด และ ระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จะเห็นว่าระบบทำความเย็นแบบแม่เหล็กจะไม่จำเป็นต้องใช้สารทำความเย็น(HFC หรือ HCFC) และเครื่องคอมเพรสเซอร์ แต่ใช้วัสดุแมกนีโทแคลอริกจะทำหน้าที่เป็นสารทำความเย็น โดยมีอุณหภูมิสูงขึ้นเมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก (H field on) และเย็นตัวลงเมื่อปิดสนามแม่เหล็ก (H field off) โดยในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ วัสดุแมกนีโทแคลอริกจะอยู่ภายใต้สภาวะบรรยากาศปกติ ไม่จำเป็นต้องเพิ่มความดันเหมือนสารทำความเย็นแบบของเหลว จึงไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องคอมเพรสเซอร์ และสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้โดยใช้แม่เหล็กถาวรหมุนไปมาที่ความเร็วรอบไม่เกิน 10 รอบต่อนาที (ซึ่งเป็นความเร็วรอบที่ต่ำกว่าเครื่องคอมเพรสเซอร์มาก) นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้สนามแม่เหล็กของวัสดุแมกนีโทแคลอริก เป็นกระบวนการแบบ reversible process ที่มีประสิทธิภาพใกล้เคียงค่าประสิทธิภาพของ Carnot cycle ส่งผลให้ระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กมีศักยภาพในการประหยัดพลังงานและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่สูงมาก
ในการนี้ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ ได้เล็งเห็นความสำคัญของเทคโนโลยีแม่เหล็กที่จะมีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาความเข้มแข็งด้านพลังงานและอุตสาหกรรมของประเทศ จึงริเริ่มการสัมมนาแลกเปลี่ยนความรู้เพื่อพัฒนาโปรแกรมวิจัยทางแม่เหล็ก ที่ผนึกความร่วมมือ จากคณาจารย์และนักวิจัย ที่มีประสบการณ์ทางงานวิจัยทางด้านวัสดุแม่เหล็กและการพัฒนาต้นแบบเชิงวิศวกรรมในระดับชาติและนานาชาติ จากหลายหน่วยงานทั่วประเทศไทย ซึ่งประกอบด้วย ภาควิชาฟิสิกส์และภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดล สำนักวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี สำนักวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ รวมไปถึงที่ปรึกษาจากภาคเอกชน ได้แก่ บริษัท กุลธรเคอร์บี้ จำกัด (มหาชน) และบริษัท เควี อีเลคทรอนิคส์ จำกัด โดยมีเป้าหมาย ที่จะวิจัยและพัฒนาวัสดุแม่เหล็กและกระบวนการผลิต สำหรับแม่เหล็กถาวรและการทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก โดยประยุกต์ใช้นวัตกรรมทางฟิสิกส์ อันได้แก่ เทคโนโลยีวัสดุล้ำสมัยและนาโนเทคโนโลยีเพื่อเสริมสมบัติทางแม่เหล็กและลดต้นทุนการผลิต รวมไปถึงการพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็กต้นแบบ เพื่อก่อให้เกิดผลลัพธ์งานวิจัยตั้งแต่ ต้นน้ำถึงปลายน้ำ สามารถพัฒนาระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก ที่ใช้วัสดุและกระบวนการผลิตที่พัฒนาจากงานวิจัยของศูนย์ความเป็นเลิศฯ ได้ในที่สุด
ดังนั้น ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ จึงได้ดำเนินการโปรแกรมวิจัยด้านนวัตกรรมฟิสิกส์สำหรับอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก (Innovative Physics for Magnetic Cooling Industry Research Program) โดยมีวัตถุประสงค์หลัก:
1. เพื่อสร้างความเป็นเลิศด้านวัสดุแม่เหล็ก สำหรับแม่เหล็กถาวรและระบบทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก ก่อให้เกิดองค์ความรู้ทางวิชาการที่ทัดเทียมในระดับสากล
เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ข้างต้น ทางโปรแกรมวิจัยด้านนวัตกรรมฟิสิกส์สำหรับอุตสาหกรรมทำความเย็นเชิงแม่เหล็ก จึงประกอบไปด้วย 4 โครงการวิจัย ดังต่อไปนี้
ซึ่งทั้ง 4 โครงการวิจัยได้รับการสนับสนุนจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์เริ่มตั้งแต่ปีงบประมาณ 2560 เป็นระยะเวลา 3 ปี โดยคาดหวังว่าผลลัพธ์จากทั้ง 4 โครงการวิจัย