วันพุธที่ 11 พฤษภาคม พ.ศ. 2559

เทคโนโลยีและวัสดุตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด

Superconductor


รูปที่ 1   แสดงตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำ


Superconductors  ตัวนำยิ่งยวด คือสารที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าจากจุดหนึ่งไปยังจุดหนึ่งได้ โดยไม่มีการต้านทานเลย เรียกว่า "ความต้านทานเป็นศูนย์"  ปกติตัวนำไฟฟ้าที่เราใช้กันจะใช้ ลวดทองแดง อลูมิเนียม เงิน ที่มีอยู่ในสายไฟฟ้าทั่วไป ซึ่งโลหะตัวนำไฟฟ้าดังกล่าวนี้ แม้ว่าสายไฟฟ้าทั่วไป ซึ่งโลหะตัวนำไฟฟ้าดังกล่าวนี้ แม้ว่าจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี แต่ก็ยังมีความต้านทานอยู่ในตัวเอง  ความต้านทานนี้จะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสูญหายหรือสูญเสียไปบางส่วน โดยจะสูญเสียในรูปของความร้อน ดังนั้นถ้าหากสายไฟมีขนาดยาว กำลังไฟก็จะตก ที่เรียกว่า "แรงดันไฟฟ้าตก"นั่นเอง คุณสมบัตินี้จะไม่เกิดขึ้นกับตัวนำยิ่งยวด กล่าวคือ ตัวนำยิ่งยวด มีคุณสมบัติที่สำคัญคือ สารพวกนี้จะผลักสนามแม่เหล็ก เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า "ไมซ์สเนอร์เอฟเฟค" (Meissner effect)
 ตัวนำยิ่งยวด ค้นพบโดย นักฟิสิกส์ชื่อ Heike Kamerlingh Onnes  ในปี 1991 เขาได้ทดลองวัดความต้านทานทางไฟฟ้าของปรอท และพบว่า เมื่อปรอทเย็นลงจนมีอุณหภูมิประมาณ 4.2 K หรือที่ -269 ความต้านทานทางไฟฟ้าของปรอท จะหมดไป กลายเป็นตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด
นับจากนั้นมา นักวิทยาศาสตร์ ก็ได้คิดค้นวิจัยมาเรื่อย ๆ จนพบว่า มีโลหะอีกหลายชนิดมีสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ เมื่อทำให้เย็นตัวลง จนถึงอุณหภูมิหนึ่งหรือต่ำกว่านั้น   อุณหภูมิสูงสุดที่โลหะยังคงมีสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวด อยู่ได้คือประมาณ 20 K ซึ่งก็ยังต่ำมาก
นักวิทยาศาสตร์พยายามอย่างยิ่งที่จะค้นหาตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงขึ้น โดยเฉพาะที่ประมาณ      300 K  ปัจจุบันสามารถค้นพบตัวนำยิ่งยวดไดที่ อุณหภูมิ 98 K จากออกไซด์ของโลหะที่เรียกว่า "เซรามิก"  เช่น ออกไซด์ของ Strontium, Uttrium เป็นต้น  ที่อุณหภูมิ 98 K สามารถควบคุมได้โดยใช้ไนโตรเจนเหลวซึ่งมีราคาถูก การประยุกต์ใช้งานโดยทั่วไปอยู่บนพื้นฐานที่ว่า "ตัวนำยิ่งยวด ไม่มีความต้านทานทางไฟฟ้าและมีแรงผลักกับแม่เหล็ก"
จากคุณสมบัติอันโดดเด่นนี้ต่อไปเราจะเห็นรถไฟฟ้าที่วิ่งอยู่ในเมืองใหญ่เคลื่อนที่ลอยอยู่บนเหนือรางบนสนามแม่เหล็ก  จะเห็นมอเตอร์ไฟฟ้าตัวเล็กลง แต่มีกำลังเท่ากับเครื่องยนต์หลายแรงม้า  จะเห็นอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ กินไฟน้อย แต่ประสิทธิภาพดีกว่าหรือเท่าเดิม  คอมพิวเตอร์ก็มีขนาดเล็กลงแต่ประมวลผลได้เร็วมากขึ้น  และที่สำคัญที่อยากเห็น คือ สายส่งไฟฟ้าที่ระโยงระยางตามท้องถนน ก็ไม่ต้องใช้สายขนาดใหญ่และมีหม้อแปลงไฟฟ้าให้รกลูกตาอีกต่อไป

เทคโนโลยีเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวด

                  1. Superconductor electric vehicle


รูปที่ 2  แสดงรถยนต์ที่ใช้พลังงาน superconducting   motor

บริษัท Sumitomo Electric ซึ่งเป็นบริษัทแรกของโลกที่ได้พัฒนารถยนต์ธรรมดาให้เป็น (a modified Toyota Crown Comfort) โดยใช้พลังงาน superconducting motor

รูปที่  3  แสดงเครื่องยนต์มอเตอร์ที่ใช้สายไฟ superconducting



โดยเครื่องยนต์มอเตอร์ของบริษัท Sumitomo Electric จะใช้สายไฟ superconducting ที่อุณหภูมิ-200 C° จากไนโตรเจนเหลว แทนสายไฟที่ใช้ในเครื่องยนต์ธรรมดา ทำให้เครื่องยนต์มีความแรงเพิ่มขึ้น 10% และเร็วกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้แบตเตอรี่ธรรมดา

 2.  เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่ต้องใช้สนามแม่เหล็กกำลังสูงโดยขดลวดทำจากตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด


รูปที่ 4  เจ้าหน้าที่เซิร์นกำลังตรวจสอบแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดของเครื่องซีเอ็มเอส


              3.  แม่เหล็กซูเปอร์คอนดัคเตอร์หรือแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดถูกลำเลียงสู่อุโมงค์ใต้ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติเร่งอนุภาคของเซิร์น
รูปที่ 4 แสดงแม่เหล็ก superconductor ที่ถูกลำเลียงสู่อุโมงค์

       อนุภาคถูกควบคุมให้เคลื่อนที่ไปรอบเครื่องเร่งอนุภาครูปวงแหวนด้วยสนามแม่เหล็กความเข้มสูงที่สร้างขึ้นจากแม่เหล็กไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวดซึ่งช่วยนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่มีแรงเสียดทานหรือสูญเสียพลังงาน และจำเป็นต้องรักษาความเย็นให้แม่เหล็กเหล่านั้นที่อุณหภูมิ -271 องศาเซลเซียสซึ่งเย็นกว่าอวกาศนอกโลกเสียอีก ดังนั้นเครื่องเร่งอนุภาคจึงต้องเชื่อมต่อระบบที่หล่อเย็นด้วยฮีเลียมเหลว   การค้นพบตัวนำยิ่งยวด (Superconductivity): superconductivity นั้นเป็นรากฐานของเทคโนโลยีสมัยใหม่ของศตวรรษที่ 21 แม้ว่า superconductivity จะเคยเป็นปรากฎการณ์ที่น่าอัศจรรย์ แต่ปัจจุบันได้มีการนำ superconductivity มาประยุกต์ใช้ในหลายรูปแบบ เช่น ในการผลิต การเก็บ และการส่งผ่านพลังงาน รวมทั้งในการขนส่ง การแพทย์ และอิเล็กทรอนิกส์ เคยมีคำกล่าวที่ว่า โปรแกรมที่เกี่ยวกับ superconductivity ทุกโปรแรมนั้นล้วนเป็นหนี้บุญคุณผลงานการสร้างเครื่องเทวาตรอน (ที่นำกระแสไฟฟ้าได้ดี) ของห้องทดลองเฟอร์มีแล็บ (ห้องทดลองที่วิจัยด้านฟิสิกส์พื้นฐาน) ซึ่งสามารถนำมาใช้การได้

วีดิโอ  เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่ต้องใช้สนามแม่เหล็กกำลังสูงโดยขดลวดทำจากตัวนำไฟฟ้ายวดยิ่ง คลิกที่นี่ !!!

                4. Superconducting Maglev (SCMAGLEV)

        เป็นรถไฟที่พัฒนาโดย Central Japan Railway Company (JR Central) และ Railway Technical Research Institute ซึ่งใช้ตัวนำยวดยิ่งหรือ Superconductor มาสร้างเป็นแม่เหล็ก (Superconducting magnet) สำหรับใช้ขับเคลื่อนรถไฟ สำหรับรถไฟรุ่น L0 Series นี้ ใช้ Superconducting Magnet จากลวด Niobium-Titanium Alloy (NbTi)  ซึ่งติดตั้งอยู่บนขบวนรถไฟและรักษาอุณหภูมิให้อยู่ที่ -269 องศาเซลเซียสโดยใช้ฮีเลียมเหลว



รูปที่ 5  แบบจำลองรถไฟ

Superconductivity หรือสภาพนำยิ่งยวด คือ ปรากฎการณ์เมื่อวัสดุอยู่ในอุณหภูมิต่ำมากๆจะทำให้วัสดุนั้นไม่มีความต้านทานทางไฟฟ้า เมื่อนำวัสดุนี้มาทำเป็นคอลย์ จะไม่เกิดความร้อนขึ้น ทำให้ไม่มีการสูญเสียทางไฟฟ้า ได้แม่เหล็กที่มีแรงแม่เหล็กสูง ตัวอย่างที่ใช้ในปัจจุบันคือเครื่อง MRI ทางการแพทย์

ระบบควบคุมการเคลื่อนที่ของขบวนรถไฟ
การควบคุมการยกตัว  การทรงตัวและการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าโดยใช้ขวดลวด Propulsion coils และ Levitation - Guidance coils ในการสร้างแรงแม่เหล็กขึ้นมา
รูปที่ 6 ระบบควบคุมการเคลื่อนที่ของขบวนรถไฟ


                     ความเร็วของขบวนรถถูกควบคุมโดยการปรับเปลี่ยนความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสที่จ่ายให้ขดลวด Propulsion ซึ่งขดลวดเหล่านี้ใช้พลังงานจากไฟฟ้าจากสถานีจ่ายไฟสำหรับขบวนรถไฟโดยเฉพาะ โดยประมาณพลังงานไฟฟ้าสูงสุดที่ต้องการคือ 35 MW

                       หลักการเคลื่อนที่ของขบวนรถไฟนั้นคือ Linear Motor ที่เปลี่ยนจากการหมุนของตัวโรเตอร์ของมอเตอร์ปกติ เป็นการเคลื่อนที่แนวราบแทน
รูปที่ 7 หลักการเคลื่อนที่ของขบวนรถไฟแบบโรเตอร์และแนวราบ

ทิศทางของแรงแม่เหล็กแสดงโดยลูกศรดังรูป
รูปที่ 8 แสดงทิศของแม่เหล็ก


การควบคุมการยกตัว และการทรงตัวของรถไฟนั้นไม่ต้องอาศัยระบบควบคุม เรียกว่า Electrodynamic Suspension
ทุกอย่างถูกออกแบบมาโดยใช้แรงแม่เหล็กจากขดลวด Levitation - Guidance ที่ได้จากการเหนี่ยวนำเมื่อขบวนรถไฟแล่นผ่าน   หลักการคือ จะมีการติดตั้งขดลวด Levitation - Guidance ที่มีรูปร่างเป็นเลข 8 ดังรูป
รูปที่ 9 การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก


เมื่อมีแม่เหล็กวิ่งผ่าน ในที่นี้คือ Superconducting Magnet ที่ติดตั้งอยู่บนขบวนรถ โดยตำแหน่งจะอยู่ต่ำกว่ากึ่งกลางของขดลวดเล็กน้อยทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้น ขดลวดด้านล่างจะเป็นขั้วเดียวกับ Superconducting Magnet ทำให้เกิดแรงผลักขดด้านบนจะต่างขั้วกับ Superconducting Magnet ทำให้เกิดแรงดูด หลักการนี้ทำให้เกิดการลอยตัว

รูปที่ 10 สนามแม่เหล็กดูดและผลัก

โดยขดลวด Levitation - Guidance ที่อยู่ด้านตรงกันข้าม ทั้งสองจะเชื่อมต่อกัน เมื่อขบวนรถไฟเข้าใกล้ด้านหนึ่งจะทำให้สนามแม่เหล็กของทั้งสองขดต่างกัน เกิดเป็นแรงดูด-ผลักให้ตัวรถกลับสู่กึ่งกลางของราง
รูปที่ 11 สนามแม่เหล็กดูดและผลักให้สมดุล

รถไฟจะอยู่ห่างจากขอบราง 8 เซนติเมตร และลอยเหนือราง 10 เซนติเมตร

รูปที่ 12  ระยะห่างของรถไฟจากขอบราง


แต่ที่ความเร็วต่ำขณะเคลื่อนที่เข้า-ออกสถานียังคงใช้ล้อในการรองรับขบวนรถไฟอยู่ โดยรถไฟ L0 Series นี้ ล้อนี้จะถูกกางออกเมื่อความเร็วของรถไฟต่ำกว่า 100 km/h

ความคุ้มค่าด้านพลังงาน
เมื่อเทียบพลังงานที่ใช้ คือ 74 Wh/km ต่อที่นั่ง หรือใช้พลังงานน้อยกว่าเครื่องบิน Boeing 777-200ER ถึง 50%และปล่อย CO2 1 ใน 3 ของเครื่องบิน Boeing 777 เมื่อเดินทางจาก Tokyo ไปยัง Osaka 

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
เนื่องจากมีการออกแบบให้เกิดความปลอดภัยสูงสุดและใช้เวลาเดินทางน้อยที่สุดจึงใช้เลือกใช้เส้นทางใต้ดินและเจาะผ่านภูเขา Akaishiซึ่งขุดอุโมงค์เกือบ 300 กิโลเมตรนั้น อาจขวางทางน้ำใต้ดิน และยังต้องหาสถานที่สำหรับเก็บดินและหินจากการเจาะอุโมงค์ที่มากถึง 62.34 ล้านลูกบาศก์เมตรทางญี่ปุ่นก็ได้เสนอรถไฟระบบนี้ให้กับอเมริกา

วีดิโอ   รถไฟความเร็วสูง  Linear Motor Car  คลิกที่นี่!!!

หัวข้ออื่นๆที่น่าสนใจ เกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวด


1. นักฟิสิกส์ยันผล "ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องได้เกิดขึ้นแล้วเป็นครั้งแรก คลิกที่นี่!!!
2. นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าจะนำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาช่วยในการสร้างตัวนำยิ่งยวดได้อย่างไร คลิกที่นี่!!!
3. การค้นพบตัวนำยิ่งยวด"ซัลเฟอร์ไฮไดรายด์"อุณหภูมิสูงถึง - 70 องศาเซลเซียส คลิกที่นี่!!!


อ้างอิง
1.        "UltraBattery™ - CSIROpedia". CSIRO. สืบค้นเมื่อ 23 December 2013.
2.        "FUNDING CHARGES RENEWABLE ENERGY STORAGE SOLUTIONS". สืบค้นเมื่อ 24 December 2013.
3.        Parkinson, G. "How King Island may be a blueprint for our future grid". Renew Economy Magazine. สืบค้นเมื่อ 27 December 2013.
4.       สืบค้นเมื่อ 27 December 2013.
5.        "Further demonstration of the VRLA-type UltraBattery under medium-HEV duty and development of the flooded-type UltraBattery for micro-HEV applications". Journal of Power Sources: 1241–1245. 2010.
6.        "Further demonstration of the VRLA-type UltraBattery under medium-HEV duty and development of the flooded-type UltraBattery for micro-HEV applications". Journal of Power Sources: 1241–1245. 2010.
7.        "ALABC UltraBattery Hybrid Surpasses 100,000 Miles of Fleet Duty"http://www.alabc.org/. The Advanced Lead Acid Battery Consortium. สืบค้นเมื่อ 5 August 2014.
8.        "Hydro Tasmania"http://www.kingislandrenewableenergy.com.au. King Island Renewable Energy. สืบค้นเมื่อ 22 August 2014.
9.        "Parkinson"http://reneweconomy.com.au. Renew Economy Magazine. สืบค้นเมื่อ 22 August 2014.


สมาชิก

1. นายกษิดิษ    เสาธง    รหัสนิสิต  56088119


2. นางสาวพิมพ์ประกา    สัมพันธ์พงศ์   รหัสนิสิต   56085813



3. นางสาววรรณิภา        เวทการ    รหัสนิสิต   56088175


4. นางสาววรัญญา       บุญอาจ   รหัสนิสิต   56088186