เปลี่ยน ‘ความร้อนในร่างกาย’ เป็น ‘ไฟฟ้า’ ชาร์จ ‘สมาร์ทวอทช์’ ไม่ง้อแบตเตอรี่

ทุกวันนี้เรามีอุปกรณ์สวมใส่ติดร่างกาย เช่น สมาร์ทวอทช์ที่หลายคนจำเป็นต้องใส่ติดตัวตลอดทั้งวัน เพื่อใช้บันทึกข้อมูลด้านสุขภาพ แต่ปริมาณแบตเตอรี่ของสมาร์ทวอทช์กลับไม่เพียงพอต่อความต้องการใช้งาน แต่จะดีกว่าไหม หากสามารถเปลี่ยน “ความร้อนในร่างกาย” ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยไม่ต้องพึ่งแบตเตอรี่ แถมดีกับโลก

ฟังดูการใช้ความร้อนในร่างกาย เป็น “แหล่งพลังงาน” ใหม่นี้ อาจดูเป็นพล็อตนิยายไซไฟที่ไม่น่าเกิดขึ้นจริง แต่นักวิจัยจึงได้พยายามทดลองวิธีนี้มาระยะหนึ่งแล้ว ซึ่งพบว่าเราทุกคนมีศักยภาพที่จะเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ แต่ต้องหาวิธีแปะแผ่นชาร์จเข้ากับร่างกายอย่างปลอดภัย และสบายตัว

ปัจจุบัน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีควีนส์แลนด์ (QUT) ในออสเตรเลียได้แก้ไขปัญหานี้ โดยการพัฒนาฟิล์มยืดหยุ่นชนิดใหม่ที่มีความบางเป็นพิเศษ ซึ่งทำให้สวมใส่สบายและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

“เทอร์โมอิเล็กทริก” ส่วนใหญ่สร้างขึ้นด้วยบิสมัทเทลลูไรด์ หรือ Bi₂Te₃ (Bismuth Telluride) ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่เหมาะมากสำหรับการแปลงความร้อนให้เป็นไฟฟ้าสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น เครื่องตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ อุณหภูมิ หรือการเคลื่อนไหว แต่ด้วยวัสดุนี้มีความยืดหยุ่นที่จำกัด ใช้การผลิตที่ซับซ้อน มีต้นทุนสูง และประสิทธิภาพที่ไม่เพียงพอ เป็นอุปสรรคต่ออุปกรณ์เหล่านี้ไม่ให้สามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้

ทีมวิจัยจาก QUT แก้ปัญหานี้ โดยนำผลึกขนาดเล็กที่เรียกว่า “นาโนไบนเดอร์” มาทำเป็นแผ่นบิสมัทเทลลูไรด์ที่มีความสม่ำเสมอและเพิ่มประสิทธิภาพยิ่งขึ้น โดยทีมวิจัยใช้การสังเคราะห์ด้วยความร้อนแบบโซลโวเทอร์มอล (Solvothermal Synthesis) ซึ่งเป็นเทคนิคในการสร้างนาโนคริสตัลในตัวทำละลายภายใต้ความร้อนและแรงดันสูง ร่วมกับ “การพิมพ์สกรีน” และการเผาผนึก โดยวิธีการพิมพ์สกรีนช่วยให้ผลิตฟิล์มได้ในปริมาณมาก ขณะที่การเผาผนึกจะทำให้ฟิล์มร้อนจนเกือบถึงจุดหลอมเหลว ทำให้อนุภาคต่าง ๆ ติดกัน

จากนั้นทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์ม ด้วยการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กโดยใช้แผ่นฟิล์มแบบยืดหยุ่นขนาด A4 ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ 1.2 มิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร โดยมีความต่างของอุณหภูมิระหว่างผิวหนังกับอากาศโดยรอบ 20 เคลวิน การผลิตพลังงานในระดับนี้สามารถทำได้ง่ายภายใต้สภาวะแวดล้อมทั่วไป ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของฟิล์มชนิดนี้ในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์สวมใส่ที่หลากหลาย

ศ.เหวินอี้ เฉิน หัวหน้าคณะผู้จัดทำการศึกษาวิจัยระบุว่า “เราได้สร้างฟิล์มขนาด A4 ที่มีประสิทธิภาพเทอร์โมอิเล็กทริกที่สูงเป็นประวัติการณ์ มีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษ ปรับขนาดได้ และมีต้นทุนต่ำ ทำให้เป็นฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริกแบบยืดหยุ่นที่ดีที่สุดชนิดหนึ่งที่มีอยู่ในปัจจุบัน และสามารถสวมใส่บนผิวหนังได้อย่างสบาย โดยจะเปลี่ยนความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายมนุษย์และอากาศโดยรอบเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ”

ทีมวิจัยของ QUT มองเห็นความเป็นไปได้มากมายสำหรับเทคโนโลยีนี้ ไม่ว่าจะเป็นการใช้ความร้อนในร่างกายเป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ เช่น สมาร์ทวอทช์ โดยไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ 

นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อระบายความร้อนให้กับชิปอิเล็กทรอนิกส์ เช่น สมาร์ทโฟนและคอมพิวเตอร์ ได้อีกด้วย เนื่องจากสามารถติดตั้งในพื้นที่แคบ และแปลงพลังงานแบบกลับคืนได้ ทำให้สามารถลดอุณหภูมิลงได้ถึง 11.7 เคลวิน ซึ่งช่วยรักษาประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ รวมถึงไปใช้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ ได้อีกมากมาย ตั้งแต่เสื้อผ้าอัจฉริยะ (Smart Clothing) ไปจนถึงส่วนประกอบยานยนต์

ศ.เฉินกล่าวเสริมว่า “การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้อื่น ๆ มีตั้งแต่การจัดการความร้อนส่วนบุคคล ซึ่งความร้อนในร่างกายสามารถจ่ายพลังงานให้กับระบบทำความร้อน ระบายอากาศ และปรับอากาศที่สวมใส่ได้”

แม้ว่าการวิจัยปัจจุบันจะแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มที่ดี แต่จำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อขยายขนาดเทคโนโลยีนี้ และเพิ่มประสิทธิภาพให้เหมาะสมที่สุด ทีมงาน QUT ยอมรับว่าการเดินทางสู่การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์จะต้องแก้ไขปัญหาที่เหลืออยู่ รวมถึงความทนทาน การบูรณาการกับอุปกรณ์ที่มีอยู่ และความคุ้มทุนเมื่อต้องผลิตในสเกลใหญ่

ที่มา: Colitco, Euro News, Interesting Engineering, Technology Networks