Article by: Asst.Prof. Yod Sukamongkol
Faculty of Engineering, Ramkhamheang University
ปัจจุบัน สายไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นในการรับส่งพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าไปยังผู้ใช้ไฟฟ้า และบ่อยครั้งที่สายไฟฟ้านี้เป็นสาเหตุให้เกิดปัญหาในการส่งไฟฟ้า เช่น แรงดันไฟฟ้าตก ไฟฟ้าลัดวงจร เป็นต้น รวมถึงมีค่าใช้จ่ายในการติดตั้งระบบสายส่งในมูลค่าที่สูง
ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงได้พยายามที่จะพัฒนาวิธีการส่งพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายขึ้น เพื่อลดปัญหาดังกล่าว อีกทั้ง ยังสามารถลดต้นทุน เพิ่มระยะทางในการรับส่งพลังงานไฟฟ้า และลดข้อจำกัดในการก่อตั้งแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าได้อีกด้วย
ความคิดนี้ดูจะเป็นเรื่องของอนาคตอันไกลแต่ที่จริงแล้ว นิโคล่า เทสล่า นักประดิษฐ์ที่มีชื่อในวงการวิศวกรรมไฟฟ้าได้เสนอแนวคิดนี้ไว้ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 และได้ทดลองการส่งพลังงานแบบไร้สายที่ สถานีทดลอง Colorado Springs ในสหรัฐอเมริกา แต่ในสมัยนั้นยังมีข้อจำกัดทางด้านวัสดุศาสตร์ เทคโนโลยีด้านการสื่อสาร เป็นต้น จึงทำให้การทดลองนั้นยังไม่เป็นที่น่าพอใจ แต่งานของ Tesla ก็ได้ถูกนำมาใช้เป็นต้นแบบในการประยุกต์ใช้งานในการส่งพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายในปัจจุบัน เช่น การประจุพลังงานแบบไร้สายของแปรงสีฟันไฟฟ้าและโทรศัพท์มือถือ เป็นต้น
เสาอากาศเปลี่ยนพลังงาน
อีกวัตถุประสงค์หนึ่งของการส่งพลังงานงานแบบไร้สาย คือ การส่งพลังงานในระยะทางไกลและต่อเนื่อง นักวิจัยจึงได้ศึกษาประดิษฐ์เสาอากาศเปลี่ยนพลังงาน หรือ เสาอากาศจัดเรียงกระแส (Rectenna = Rectifying Antenna) ขึ้น โดยปกติแล้วเสาอากาศ (Antenna) มีหน้าที่รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นความถี่วิทยุ โทรทัศน์ โทรศัพท์ Wifi) แล้วส่งความถี่นั้นไปให้อุปกรณ์ไฟฟ้า แปลงสัญญาณเป็น แสง สี เสียง แต่เสาอากาศเปลี่ยนพลังงานนี้จะทำหน้าที่ในการรับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าแล้วเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง หรือ ไฟฟ้า DC (Direct Current)
นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน MIT และ Technical University of Madrid จากประเทศสเปน ได้ทดลองโดยใช้เสาอากาศขนาดเล็กเพื่อดักจับคลื่นความถี่วิทยุ (Wi-Fi) ซึ่งมีลักษณะเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ หรือไฟฟ้า AC (Alternating Current) โดยคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับ AC จากเสาอากาศ จะถูกนำมาปรับเปลี่ยนให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง DC ด้วยอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ จากการทดลองนี้พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นมีขนาดที่เล็กเพียง 40 ไมโครวัตต์ ซึ่งก็เพียงพอสำหรับการใช้งานกับหลอดไฟ LED หรือชิปอิเล็กทรอนิกส์ที่กินพลังงานต่ำ ดังนั้น เสาอากาศนี้สามารถเป็นแหล่งพลังงานให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้เลย โดยที่ไม่ต้องเสียบสายไฟฟ้าและไม่ต้องง้อแบตเตอรี่
ก่อนหน้านี้ เสาอากาศเปลี่ยนพลังงานนั้นผลิตขึ้นมาจากสารซิลิคอนและแกลเลียมอาร์เซไนด์ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่แข็งแรง และต้นทุนการผลิตสูง แต่ในเทคโนโลยีล่าสุดนี้ Rectenna ได้สร้างมันขึ้นมาจากวัสดุโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (Molybdenum disulfide หรือ MoS2) ทำให้สามารถสร้างเสาอากาศที่มีความบางมากๆ สามารถบิดงอได้ และมีคุณสมบัติพิเศษ คือ มีความไวมากพอที่จะจับคลื่นวิทยุหรือคลื่นความถี่สูงระดับ กิกะเฮิรตซ์ ที่ใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจำวันของพวกเรา ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณ Wi-Fi, บลูทูธ, คลื่นความถี่ 4G และความถี่อื่นๆ อีกมากมาย จากการทดสอบพบว่าเสาอากาศเปลี่ยนพลังงานมีประสิทธิภาพสูงสุดอยู่ที่ 31% เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความถี่ 2.4 กิกะเฮิร์ท
ด้วยความที่ Rectenna นั้นสามารถบิดงอได้ทำให้สามารถติดตั้งบนพื้นที่ที่หลากหลาย เช่น บนกำแพง ถนน เสาไฟฟ้า สะพาน แม้แต่การติดตั้งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์พกพา หรือ ทุกๆ สิ่งทุกๆ อย่างรอบตัวเรา อีกทั้ง ข้อดีคืออุปกรณ์นี้ทำให้เราไม่ต้องติดตั้งแบตเตอรี่ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใดๆ เราสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ในสภาพแวดล้อม เพื่อที่จะใช้เป็นแหล่งพลังงาน ทำให้ปลอดภัยสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ต้องอยู่ในร่างกายมนุษย์ ทำให้ผู้ป่วยไม่ต้องเสี่ยงกับการเสียชีวิตเพราะเกิดการรั่วไหลของโลหะที่อยู่ในแบตเตอรี่
เสาอากาศผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์
โดยปกติการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์โดยโซล่าร์เซลล์นั้นจะผลิตไฟฟ้าโดยอาศัยพลังงานแสงอาทิตย์ในการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล (electron-hole pair) และทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายในรอยต่อ พี-เอ็น (P-N junction) แต่สำหรับเสาอากาศผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์หรือออฟติกคอลเร็กเทนน่า (Optical Rectenna) นั้นแตกต่างออกไป โดยในการสร้างออฟติกคอลเร็กเทนน่าต้องใช้วิทยาการนาโนเทคโนโลยีในการสร้างเสารับสัญญาณขนาดเล็ก (nantenna = nano antenna) และ ไฮสปีดไดโอด (ultra-high speed diode) โดยให้ทั้งสองอยู่ใกล้กัน เมื่อแสงอาทิตย์ตกลงบนเสารับสัญญาณ เสาจะเกิดการสั่นที่ความถี่สูง (ความถี่เดียวกับคลื่นแสง) ส่งผ่านไปยังไดโอดซึ่งจะแปลงความถี่ที่เป็นรูปคลื่นสลับให้เป็นรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสตรง ทำให้เสาอากาศนี้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจากคลื่นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ได้ จากการทดลองพบว่า ถ้ายิ่งนำเสาอากาศมาใกล้ไดโอดมากเท่าไหร่ก็จะทำให้ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้ากระแสตรงดีขึ้นมากเท่านั้น ในปัจจุบันการผลิตไฟฟ้าจากออฟติกคอลเร็กเทนน่านั้นมีประสิทธิภาพต่ำกว่า 1% ในขณะที่ประสิทธิภาพของโซล่าร์เซลล์อยู่ที่ประมาณ 15%
จากวัตถุประสงค์แรกที่จะรับส่งพลังงานไฟฟ้าแบบไร้สายจนมาเป็นเทคโนโลยีเสาอากาศทั้งสองแบบที่สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่ทั่วไปรอบตัวเรามาผลิตพลังงานไฟฟ้าได้อย่างฟรีๆ โดยไม่มีต้นทุนค่าเชื้อเพลิง แต่ประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าของเทคโนโลยีทั้งสองนั้นยังมีค่าค่อนข้างต่ำ จึงจำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาต่อไปให้มีประสิทธิภาพดีขึ้น ราคาต่ำลง เพื่อให้สามารถใช้งานได้จริงและเป็นแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าสะอาดในอนาคตต่อไป