สเปรย์ฟิล์มบาง ลดอุณหภูมิ กู้มหันตภัยโลกเดือด
เสวนาพิเศษ Mahidol Science Café 2024
“สเปรย์ฟิล์มบาง ลดอุณหภูมิ กู้มหันตภัยโลกเดือด”
โดยอาจารย์และนักวิจัยที่มีประสบการณ์ จาก Kanjanaboos Lab ของกลุ่มสาขาวิชาวัสดุศาสตร์และนวัตกรรมวัสดุ และศูนย์วัสดุลดความร้อนและประหยัดพลังงาน คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล
รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ อาจารย์ประจำกลุ่มสาขาวิชาวัสดุศาสตร์และนวัตกรรมวัสดุ และสมาชิกศูนย์วัสดุลดความร้อนและประหยัดพลังงาน คณะวิทยาศาสตร์
นายปฐวี สักกะตะ นักศึกษาระดับปริญญาเอก สาขาวิชาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ และสมาชิกศูนย์วัสดุลดความร้อนและประหยัดพลังงาน คณะวิทยาศาสตร์
อาจารย์ ดร.ระพี บุญเปลื้อง รองคณบดีฝ่ายสื่อสารองค์กรและวิเทศสัมพันธ์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล เป็นผู้ดำเนินรายการ
มาพูดคุยเกี่ยวกับความเป็นมา หลักการ วิธีคิด และความหวังในการพัฒนานวัตกรรมลดอุณหภูมิฝีมือคนไทย
รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ กล่าวว่า จากสถานการณ์อุณหภูมิของโลกที่ค่อย ๆ สูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง และไม่มีทีท่าจะลดลงอย่างง่าย ทำให้ทุกพื้นที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น หากมองย้อนไปดูสถิติอุณหภูมิสูงสุดของประเทศไทย ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2554 เทียบกับ ปี พ.ศ. 2566
ท่ามกลางสภาพอากาศที่ร้อนระอุ อาคารบ้านเรือนต่าง ๆ ก็ร้อนตามไปด้วย ผู้คนที่อยู่อาศัยในบ้านต่างพยายามคลายร้อนด้วยวิธีต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการใช้พัดลม เครื่องปรับอากาศ หรือการออกแบบบ้านให้ถ่ายเทอากาศได้ดี ให้ลมพาความร้อนออกไป ซึ่งเป็นหนึ่งในรูปแบบการถ่ายโอนความร้อนตามหลักฟิสิกส์ที่เราพบเห็นได้ทั่วไปนั่นเอง
ตามหลักฟิสิกส์การถ่ายโอนความร้อนแบ่งออกเป็น 3 รูปแบบ ได้แก่
– การพาความร้อน เช่น การที่ลมพัดความร้อนออกไปทำให้อุณหภูมิลดลง
– การนำความร้อน เช่น การที่เราจับด้ามจับของหม้อต้มน้ำร้อนแล้วรู้สึกร้อน
– การแผ่ความร้อน เช่น ความร้อนที่ได้รับจากการนั่งล้อมวงกันผิงกองไฟ การแผ่ความร้อนจากดวงอาทิตย์
ดังนั้น หากเราต้องการจะลดอุณหภูมิภายในบ้าน ตามหลักการถ่ายโอนความร้อน รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ ได้ให้คำแนะนำ 3 ข้อ ที่ช่วยจะลดอุณหภูมิอาคารได้ดีที่สุด นอกเหนือจากระบบปรับอากาศ คือ
2. กำจัดความร้อนออกไปโดยการพาความร้อน เช่น การระบายอากาศ การออกแบบให้มีช่องทางลม
3. กำจัดความร้อนออกไปโดยแผ่รังสีความร้อน เช่น ใช้วัสดุหลังคาที่สามารถแผ่ความร้อนในช่วงคลื่นอินฟราเรดช่วง 8 – 13 ไมโครเมตร
ตามธรรมชาติแล้ววัตถุต่าง ๆ สามารถแผ่ความร้อนได้ ทั้งคน สัตว์ สิ่งของ โลกก็เช่นกัน โลกสามารถระบายความร้อนบางส่วนที่ได้รับจากดวงอาทิตย์ออกไปสู่อวกาศโดยตรงได้ เพื่อไม่ให้โลกร้อนจนเกินไป
ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกช่วงคลื่นนี้ว่า atmospheric window เปรียบเทียบเหมือนกับโลกแง้มประตูหน้าต่างระบายความร้อนเอาไว้
หากในชั้นบรรยากาศมีก๊าซที่สามารถดูดกลืนคลื่นอินฟราเรดช่วง 8 – 13 ไมโครเมตร มากเกินไป ก็จะทำให้ช่วงหน้าต่างนี้แคบลง โลกก็จะระบายความร้อนได้น้อยลง เกิดเป็นปรากฏการณ์ภาวะโลกร้อนนั่นเอง
เมื่อเรารู้แล้วว่าโลกเปิดช่องระบายความร้อนไว้ให้ แล้ววัสดุแบบไหนบนพื้นโลกที่แผ่ความร้อนออกมาในช่วง 8 – 13 ไมโครเมตร พอดี รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ ได้เผยว่า
ดังนั้น หากเราจะลดอุณหภูมิพื้นผิว เราสามารถใช้ 3 สิ่งนี้หรือวัสดุอื่น ๆ ที่แผ่ความร้อนออกมาในช่วง 8 – 13 ไมโครเมตร มาพัฒนาต่อให้เป็นวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีได้
โดยวิธีในการพัฒนาวัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีให้มีประสิทธิภาพมี 3 วิธี ได้แก่
1. ใช้วัสดุที่แผ่รังสีในช่วง 8 – 13 ไมโครเมตร ได้ดี
2. เติมสารเพิ่มความสามารถในการแผ่ความร้อนไปในวัสดุที่แผ่ความร้อนได้ไม่ดีเท่าที่ควร
3. ทำให้พื้นผิวของวัสดุมีลวดลายขนาด 8 – 13 ไมโครเมตร เพื่อให้สามารถกระเจิงรังสีความร้อน (scattering) ในช่วง 8 – 13 ไมโครเมตร ได้ดี และเกิดการแผ่ความร้อนจากวัสดุตามหลักฟิสิกส์
เดิมทีการพัฒนาพื้นผิวของวัสดุให้มีอนุภาคขนาด 8 – 13 ไมโครเมตร นั้นมีขั้นตอนที่ยุ่งยาก และมีราคาแพง จากประสบการณ์ของนักวิจัยในห้องปฏิบัติการที่ทำการทดสอบวัสดุลดความร้อนให้กับเอกชน และความเชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีฟิล์มบาง รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ และนักศึกษาระดับปริญญาเอก นายปฐวี สักกะตะ มองว่าสิ่งที่ตอบโจทย์ในการสร้างอนุภาคขนาดที่ต้องการได้ ขั้นตอนไม่ยุ่งยาก และมีต้นทุนต่ำ คือ การสเปรย์
เท่านั้น
เช่น แก้ว กระจก แผ่นโลหะ แผ่นไม้ ปูน กระเบื้องหลังคาที่มีลักษณะเป็นคลื่น ซึ่งต่างจากสินค้าในตลาดที่เหมาะกับวัสดุผิวเรียบ เช่น แก้ว กระจก และวัสดุหลังคาแบบเรียบเพียงเท่านั้น
นายปฐวี สักกะตะ ได้อธิบายถึงการทดลองสเปรย์สารละลายโดยใช้ Air Brush และ Spray Gun เพื่อให้ได้ละอองอนุภาคขนาด 8 – 13 ไมโครเมตร บนพื้นผิววัสดุว่า ขึ้นอยู่กับความดัน ความเร็วในการสเปรย์ อัตราการไหลของสเปรย์ โดยจะต้องจำกัดปัจจัยเหล่านี้อย่างเหมาะสมจึงจะได้ขนาดละอองที่ต้องการ ซึ่งผลการทดลองพบว่า
ด้วยวิธีนี้ นอกจากจะได้อนุภาคขนาดที่ต้องการแล้ว ยังทำให้วัสดุมีคุณสมบัติ Self-Cleaning ที่ดีขึ้น เวลาที่มีน้ำหยดลงมาก็จะกลิ้งเป็นหยดมากกว่าวัสดุเดียวกันที่ไม่ถูกเคลือบ ทำให้วัสดุสะอาดได้ยาวนานกว่า
และเมื่อทดลองสเปรย์เคลือบบนตัววัสดุชนิดต่าง ๆ เพื่อทดสอบความสามารถของสเปรย์ในการสามารถเคลือบพื้นผิวพบว่า ตัววัสดุที่ผ่านการฉีดพ่นด้วยสเปรย์ สามารถที่จะลดความร้อนได้แตกต่างกันไป ตามผลดังนี้
แก้ว ลดความร้อนโดยเฉลี่ยได้ 0.84 องศาเซลเซียส
กระจก ลดความร้อนโดยเฉลี่ยได้ 0.82 องศาเซลเซียส
แผ่นโลหะ ลดความร้อนโดยเฉลี่ยได้ 0.25 องศาเซลเซียส
แผ่นไม้ ลดความร้อนโดยเฉลี่ยได้ 2.20 องศาเซลเซียส
ปูน ลดความร้อนโดยเฉลี่ยได้ 1.03 องศาเซลเซียส
กระเบื้องหลังคา ลดความร้อนโดยเฉลี่ยได้ 1.21 องศาเซลเซียส
หากเราใช้สเปรย์ลดอุณหภูมิเคลือบกระเบื้องมุงหลังคาแล้วบ้านจะเย็นลงกี่องศา นายปฐวี สักกะตะ ได้นำเอาวัสดุที่เคลือบด้วยสเปรย์ฟิล์มบางไปใส่ในกล่องไม้สี่เหลี่ยมที่มีการระบายความร้อนได้น้อย เทียบกับกล่องที่ระบายอากาศได้ดี โดยจำลองตำแหน่งให้เหมือนหลังคา และวัดอุณหภูมิในกล่องที่จำลองเป็นพื้นที่ภายในบ้าน พบว่า
และเมื่อเปรียบเทียบกับสินค้าในท้องตลาดที่มีความสามารถในการลดความร้อน โดยใช้หลักการแผ่รังสีความร้อนเหมือนกันแล้ว วัสดุเคลือบด้วยสเปรย์ฟิล์มบางสามารถที่จะลดความร้อนได้ใกล้เคียงและมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับสินค้าในท้องตลาด
อีกทั้งยังได้เปรียบในด้านของต้นทุนวัสดุที่ถูกกว่า ไปจนถึงการขึ้นรูปที่ง่าย การขนส่งที่สะดวก ไปจนถึงทำการตลาดสินค้าที่ทำให้คนทั่วไปมีโอกาสเปิดใจยอมรับได้ง่ายกว่า และลดปริมาณการใช้สารเคมีได้มากกว่า 10 – 100 เท่า เพราะสามารถเคลือบบาง ๆ ได้
รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ กล่าวว่า ถ้าเราลดอุณหภูมิของอาคารลงเพียง 1 – 2 องศาเซลเซียส โดยการใช้วัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีที่ถูกพัฒนาขึ้น จะลดการใช้พลังงานของเครื่องปรับอากาศได้ 10 – 20 เปอร์เซ็นต์
ยกตัวอย่าง
บ้าน 1 หลัง มีพื้นที่หลังคา 50 ตารางเมตร
ใช้วัสดุระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีราคา 50 บาทต่อตารางเมตร
ราคารวม 2,500 บาทต่อหลัง
สมมุติว่าค่าไฟฟ้าต่อเดือนอยู่ที่ 2,500 บาทต่อเดือน
และนวัตกรรมนี้ประหยัดค่าไฟได้ 10 เปอร์เซ็นต์ หรือ 250 บาทต่อเดือน
การติดตั้งนวัตกรรมนี้จะคืนทุนในระยะเวลาน้อยกว่า 1 ปี
หลังจากนั้น เจ้าของบ้านจะประหยัดค่าไฟฟ้า 5 – 15 เปอร์เซ็นต์ต่อเดือน
รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ เผยว่า ขณะนี้ นวัตกรรมสเปรย์ลดอุณหภูมิมีระดับความพร้อมของเทคโนโลยีสู่อุตสาหกรรม (Technology Readiness Level: TRL) อยู่ในระดับ 6 จาก 9 ระดับ โดยมีการพัฒนาต้นแบบผลิตภัณฑ์ และทดสอบในห้องปฏิบัติการที่มีความละเอียดสูงแล้ว ซึ่งทีมวิจัยวางแผนจะขยายขอบเขตการทดสอบภาคสนาม และศึกษาคุณสมบัติทางวิศวกรรมศาสตร์อื่น ๆ ต่อไป
ทั้งนี้ มองว่า การผลักดันนวัตกรรมเพื่อให้ใช้ได้จริง ยิ่งระดับสูงขึ้นจะยิ่งมีความยาก จำเป็นต้องอาศัยความร่วมมือจากหลายฝ่าย ทั้งหน่วยงานภาคการศึกษา ภาครัฐ และภาคเอกชนจึงจะสำเร็จได้ ปัจจุบันทีมวิจัยกำลังขอรับการสนับสนุนทุนวิจัยจากหน่วยงานต่าง ๆ และกำลังอยู่ระหว่างการก่อตั้งบริษัท Startup ชื่อ Passi-Cool เพื่อต่อยอดงานวิจัยสู่เชิงพาณิชย์ รวมถึงกำลังมองหาภาคเอกชนเพื่อทดสอบและพัฒนานวัตกรรมร่วมกัน โดยทีมวิจัยมีความมุ่งมั่นจะพัฒนานวัตกรรมนี้ให้สำเร็จ เพื่อสร้างนวัตกรรมฝีมือคนไทยที่จะช่วยสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจและสังคม เพิ่มการแข่งขันกับต่างประเทศในอนาคต
สำหรับผลงานวิจัย “กรรมวิธีการขึ้นรูปฟิล์มบางระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีด้วยการฉีดพ่น” ที่ทีมวิจัยพัฒนาร่วมกับศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) และศูนย์ความเป็นเลิศทางฟิสิกส์ (THEP) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งในการพัฒนานวัตกรรมสเปรย์ลดอุณหภูมินั้น ได้ถูกตีพิมพ์ผลงานในวารสารวิชาการนานาชาติระดับ Top3% สาขา engineering ที่มีค่า impact factor สูงถึง 8.9 ชื่อผลงาน “Radiative cooling film enabled by droplet-like infrared hot spots via low-cost and scalable spray-coating process for tropical regions” โดยถูกตอบรับให้ตีพิมพ์ เมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์ 2567 ที่ผ่านมา และได้จดสิทธิบัตรการประดิษฐ์เป็นที่เรียบร้อยแล้ว
ผู้ที่มีความสนใจผลงานอื่น ๆ ของ รองศาสตราจารย์ ดร. พงศกร กาญจนบุษย์ ที่ดำเนินการร่วมกับทีมวิจัยและนักศึกษา สามารถติดตามข้อมูลได้ที่ https://www.facebook.com/KanjanaboosLab และช่องทางเว็บไซต์ของ ม.มหิดล
https://mahidol.elsevierpure.com/en/persons/pongsakorn-kanjanaboos
และสามารถรับชมการเสวนาย้อนหลังได้ที่ https://fb.watch/rFSIPQoMT3/
หรือติดตามอ่านบทความสรุปเนื้อหาวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจในหัวข้ออื่น ๆ ได้ทาง https://science.mahidol.ac.th/simple-science/
