รู้จัก Superconductor ตัวนำยิ่งยวด เปลี่ยนโฉมเทคโนโลยียุคถัดไป
ชวนรู้จัก Superconductor คุณสมบัติที่สำคัญ ต่ออุตสาหกรรมเทคโนโลยี ท่ามกลางข่าวสะพัดเกาหลีค้นพบวิธีสร้างสารตัวนำยิ่งยวด Super Conductor ให้ง่ายขึ้นได้แล้ว
ในแวดวงเทคโนโลยี อุตสาหกรรม หรือเศรษฐกิจและการเมืองโลกน่าจะคุ้นเคยกับสารกึ่งตัวนำ หรือ Semi- Conductor ที่ถูกนำไปใช้ในกระบวนการสร้างชิปประมวลผมซึ่งเป็นหัวใจของเทคโนโลยีสมัยใหม่ และกลายเป็นความมั่นคงของการเมืองโลก ณ ปัจจุบัน
อีกอุตสาหกรรมหนึ่งที่มีความสำคัญต่อวงการเทคโนโลยีมากเช่นกัน คือ สารหรือวัสดุตัวนำยิ่งยวด Superconductor ซึ่งมีกระบวนการสร้างและพัฒนาที่ซับซ้อนไม่แพ้กันเลย แถมยังใช้ได้ครอบคลุมอุตสาหกรรมหนัก ๆ หลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นด้านพลังงาน การขนส่ง (รถไฟความเร็วสูง Maglev มอเตอร์รถไฟฟ้า และอื่น ๆ) โทรคมนาคม อวกาศและการป้องกันประเทศ เป็นต้น
การผลิตสารกึ่งตัวนำในเทคโนโลยีปัจจุบันจะต้องทำให้ในสภาวะพิเศษหรือในอุณหภูมิวิกฤต เพื่อสร้างสารประกอบที่จะนำไฟฟ้าได้ร้อยเปอร์เซ็นต์โดยไม่มีความต้านทานไฟฟ้าและไม่มีการสูญเสียพลังงาน ภายใต้อุณหภูมิค่าหนึ่งซึ่งถือเป็นสมบัติทางฟิสิกส์ที่สำคัญ
ตัวนำยวดยิ่งเป็นวัสดุที่มีสมบัติทางด้านฟิสิกส์ของแข็ง (Solid-state physics) ที่โดดเด่นกว่าวัสดุชนิดอื่นสองด้านสำคัญ คือ สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็ก ในระยะแรกการค้นพบตัวนำยวดยิ่งจะพบอยู่เฉพาะในรูปแบบของโลหะบริสุทธิ์ ต่อมามีการค้นพบที่หลากหลายขึ้น ได้แก่ ตัวนำยวดยิ่งแบบโลหะ โลหะผสม สารประกอบ หรือแม้แต่เซรามิก
ล่าสุด Korean Society of Superconductivity and Cryogenics ได้มีการเผยแพร่ข้อความว่าอาจค้นพบวิธีการสร้างสารประกอบชื่อว่า LK-99 และสามารถสังเคราะห์ในอุณหภูมิปกติหรืออุณหภุูมิห้อง ทำให้ต้นทุนการผลิตน่าจะต่ำลงและส่งผลต่ออุตสาหกรรมซูเปอร์คอนดักเตอร์อย่างมาก
ในสัปดาห์ที่ผ่านมา (ตั้งแต่วันที่ 3-8 ส.ค. 2566) หุ้นของบริษัทที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมซูเปอร์คอนดักเตอร์พุ่งสูงเฉียด 30% เช่น Sunam Co., Duksung Co. และ Mobiis Co. ก่อนที่จะหล่นวูบทันทีที่ อาจารย์ฟิสิกส์ จากมหาวิทยาลัยแมรี่แลนด์ สหรัฐอเมริกาทักท้วงว่า อาจไม่ใช่อย่างที่คิด และสมาคมซูเปอร์คอนดักเตอร์แห่งเกาหลีก็ออกมายืนยันว่าทฤษฎีและการทดลองยังอยู่ในช่วง Peer Review หรือตรวจสอบความถูกต้องแม่นยำอยู่
อย่างไรก็ตาม “ประชาชาติธุรกิจ” ได้รวมรวมคุณสมบัติ และความสำคัญของ “ตัวนำยิ่งยวด” หรือ Superconductor มาให้ทำความเข้าใจในเบื้องต้น
คุณสมบัติของ Superconductor
ตัวนำยิ่งยวดคือวัสดุที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์และไม่มีการสูญเสียพลังงานใด ๆ คุณสมบัติเฉพาะนี้จะแสดงออกมาเฉพาะที่อุณหภูมิวิกฤษ หรือในอุณหภูมิต่ำมาก โดยทั่วไปจะใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ (0 เคลวินหรือ -273.15 องศาเซลเซียส) เมื่อวัสดุกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด มันสามารถนำกระแสไฟฟ้าไปได้เรื่อย ๆ โดยไม่สูญเสียพลังงานไปกับความร้อนหรือความต้านทาน
ดังนั้น การที่กระแสไฟ หรือ อิเล็กตรอน สามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่มีแรงต้าน ทำให้การสูญเสียพลังงานลดลงหรือแทบไม่เสียเลย การถ่ายโอนพลังงานย่อมทำได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูง ส่งผลให้อุปกรณ์หรือเทคโนโลยีที่ต้องใช้พลังงานสูงอย่างรถไฟฟ้าความเร็วสูง หรือรถอีวี มีประสิทธิภาพ ชาร์จเร็วขึ้นและสามารถใช้พลังงานได้นานขึ้น
ลักษณะและปรากฏการณ์ที่สำคัญบางประการที่เกี่ยวข้องกับตัวนำยิ่งยวด
1.ความต้านทานเป็นศูนย์ : คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของตัวนำยิ่งยวดคือความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทานใด ๆ ในตัวนำทั่วไป เช่น ทองแดงหรืออะลูมิเนียม อิเล็กตรอนจะพบสิ่งกีดขวางที่ทำให้พวกมันชนกับโครงตาข่ายของอะตอมในวัสดุ ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อน ในตัวนำยิ่งยวด สิ่งกีดขวางเหล่านี้จะถูกกำจัดอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้อิเล็กตรอนไหลได้อย่างอิสระโดยไม่มีการต้านทาน
2.ไดอะแมกเนติกที่สมบูรณ์แบบ : ตัวนำยิ่งยวดยังแสดงปรากฏการณ์ที่เรียกว่าไดอะแมกเนติกที่สมบูรณ์แบบ เมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็ก พวกมันจะสร้างสนามแม่เหล็กตรงข้ามซึ่งจะตัดสนามภายนอกภายในวัสดุได้อย่างสมบูรณ์แบบ สิ่งนี้ทำให้ตัวนำยิ่งยวดขับไล่สนามแม่เหล็ก ทำให้พวกมันลอยอยู่เหนือแม่เหล็ก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่มักแสดงให้เห็นในนิทรรศการวิทยาศาสตร์
3.อุณหภูมิวิกฤต (Tc) : ตัวนำยิ่งยวดทุกตัวมีอุณหภูมิวิกฤตต่ำกว่าซึ่งจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด อุณหภูมิที่สูงกว่านี้ วัสดุจะทำงานเหมือนตัวนำทั่วไป นักวิจัยได้ค้นพบวัสดุหลายชนิดที่มีอุณหภูมิวิกฤติต่างกัน ซึ่งบางชนิดสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ทำให้เย็นและทำงานได้ง่ายขึ้น
4.ตัวนำยิ่งยวดประเภท 1 และ 2 : ตัวนำยิ่งยวดมักถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทตามการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวดประเภทที่ 1 จะขับสนามแม่เหล็กออกจนหมดและมักเป็นโลหะบริสุทธิ์ ในทางกลับกัน ตัวนำยิ่งยวดประเภท 2 ยอมให้ฟลักซ์แม่เหล็ก (ฟลักซ์แม่เหล็ก คือปริมาณเส้นแรงแม่เหล็กหรือจำนวนของเส้นแรงแม่เหล็กที่พุ่งจากขั้วหนึ่งไปยังขั้วหนึ่ง ของแท่งแม่เหล็ก มีหน่วยเป็น เวเบอร์) บางส่วนทะลุผ่านได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ตัวนำยิ่งยวด ประเภท 2 มีความซับซ้อนมากกว่าและมักทำจากสารประกอบมากกว่าโลหะบริสุทธิ์
อุตสาหกรรมที่นำคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดไปใช้
ตัวนำยิ่งยวดมีการใช้งานที่หลากหลาย ในหลายภาคส่วนอุตสาหกรรม ตัวอย่าง เช่น
1.ด้านสุขภาพและการถ่ายภาพทางการแพทย์
เครื่อง Magnetic Resonance Imaging (MRI) เครื่องเอ็กซ์เรย์ด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ได้รับประโยชน์จากสนามแม่เหล็กแรงสูง แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดสามารถสร้างสนามแม่เหล็กได้สูงขึ้น ส่งผลให้คุณภาพของภาพดีขึ้นและสแกนได้เร็วขึ้น
เครื่อง Magnetoencephalography (MEG) ที่วัดการทำงานของสมองนั้นใช้เครื่องตรวจจับที่ละเอียดอ่อนซึ่งสามารถปรับปรุงได้ด้วยวัสดุที่เป็นตัวนำยิ่งยวด
2.ด้านอุตสาหกรรมพลังงาน
สายเคเบิลที่ใช้ไส้ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำไฟฟ้าได้โดยแทบไม่สูญเสียแรง ช่วยลดการสิ้นเปลืองพลังงานระหว่างการส่งกำลังทางไกล ตัวนำยิ่งยวดสามารถป้องกันกริดไฟฟ้าจากไฟกระชากกะทันหันและลดความเสี่ยงไฟฟ้าดับ
3.อุตสาหกรรมการขนส่ง
รถไฟ Maglev (แม่เหล็กลอย) ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดเพื่อลอยเหนือราง ลดแรงเสียดทานและเปิดใช้ความเร็วสูง
รถยนต์อีวี ใช้มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายิ่งยวดสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพในยานพาหนะไฟฟ้าและเครื่องบินได้
4.เครื่องมือวิจัยและวิทยาศาสตร์
เครื่องเร่งอนุภาค เช่น Large Hadron Collider (LHC) ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดเพื่อเร่งอนุภาคให้มีความเร็วสูง แม่เหล็กสนามสูงที่ใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด
5. อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคม
แผงวงจรดิจิทัล ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดสามารถทำงานด้วยความเร็วสูงมากและใช้พลังงานต่ำ นำเสนอการปรับปรุงศักยภาพในการประมวลผลและการสื่อสารโทรคมนาคม
สามารถนำแผงวงจรหรือชิปประมวลผลที่สร้างจากตัวนำยิ่งยวด ไปสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์ หรือซูเปอร์คอมพิวเตอร์สำหรับการวิจัย
6. การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมหนัก
กระบวนการแยกและคัดแยกด้วยแม่เหล็กในอุตสาหกรรม เช่น การทำเหมืองแร่และการรีไซเคิลอาจได้ประโยชน์จากแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวด
มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในอุตสาหกรรมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้มากขึ้นด้วยส่วนประกอบของตัวนำยิ่งยวด
7. การบิน อวกาศ และอุตสาหกรรมป้องกันประเทศ
ตัวนำยิ่งยวดสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซ็นเซอร์ เครื่องตรวจจับ และระบบภาพที่ใช้ในอวกาศและการป้องกันประเทศ อากาศยาน รวมถึงระบบดาวเทียม
8. การใช้งานด้านสิ่งแวดล้อมและความยั่งยืน
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีตัวนำยิ่งยวดในกังหันลม สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและลดความจำเป็นในการบำรุงรักษาระบบกักเก็บพลังงานยิ่งยวดสามารถช่วยเก็บพลังงานหมุนเวียนและจัดการความผันผวนของกริดได้
อย่างไรก็ตาม การใช้งานตัวนำยิ่งยวดมีต้นทุนที่สูง จากความสามารถในการผลิตในสภาวะเฉาพะ ในแง่ของการรักษาอุณหภูมิให้ต่ำตามที่กำหนด และการจัดการต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับระบบทำความเย็น ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อสำรวจวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ ๆ เพื่อทำให้ตัวนำยิ่งยวดใช้งานได้จริงมากขึ้นและเข้าถึงได้สำหรับอุตสาหกรรมต่าง ๆ
ดังนั้นการมีข่าวแพร่สะพัดว่า เกาหลีใต้ ค้นพบวิธีสร้างตัวนำยิ่งยวดในสภาวะปกติ ทำให้เกิดการตื่นตัวอย่างมาก เพราะเทคโนโลยีล้ำสมัย มีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานจะราคาถูกลง เปิดโอกาสให้อุตสาหกรรมได้นำไปใช้งานจริงได้มากยิ่งขึ้น และจะถือเป็นการเปลี่ยนโฉมเทคโนโลยีเข้าสู่ยุคถัดไป