ผลิตพลังงานจาก ‘แรงโลกหมุนรอบตัวเอง’ สร้างแหล่งไฟฟ้าไร้ขีดจำกัด

นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยหยุดค้นหาแหล่งพลังงานใหม่ ๆ ที่ยั่งยืนและไม่มีวันใช้หมดอยู่เสมอ เพื่อรองรับความต้องการพลังงานของคนทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และล่าสุดนักวิจัยได้ออกแบบอุปกรณ์ที่สามารถดึงพลังงานไฟฟ้าออกมาจากพลศาสตร์การหมุนรอบตัวเองของโลกได้โดยตรง 

แนวคิดที่ฟังดูเหมือนหลุดออกมาจากนิยายวิทยาศาสตร์นี้ได้รับการพิสูจน์ผ่านการทดลองในห้องปฏิบัติการ ซึ่งยืนยันว่าการหมุนของดาวเคราะห์สีน้ำเงินดวงนี้ไม่ได้ให้เพียงกลางวันและกลางคืน แต่ยังซ่อนพลังงานมหาศาลที่มนุษย์อาจนำมาใช้ประโยชน์ได้ในอนาคต

ย้อนกลับไปในปี 1832 ไมเคิล ฟาราเดย์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้คิดค้นไดนาโม ทำการทดลองเพื่อหาคำตอบว่า การหมุนของโลกจะสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้หรือไม่ เพราะสนามแม่เหล็กของโลกไม่ได้หมุนไปพร้อมกับโลกเหมือนวัตถุทางกายภาพ แต่สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นในแต่ละขณะและคงที่อยู่ในอวกาศ ดังนั้นความคิดในเวลานั้นคือ บางทีการเคลื่อนที่ของโลกผ่านสนามแม่เหล็กนี้อาจสร้างพลังงานได้

อย่างไรก็ตาม การทดลองของฟาราเดย์ในยุคนั้นกลับประสบความล้มเหลวโดยสิ้นเชิง และต่อมานักฟิสิกส์ก็ได้ข้อสรุปว่า แรงที่เกิดจากสนามแม่เหล็กจะไปผลักดันอิเล็กตรอนในตัวนำให้จัดเรียงตัวใหม่ จนเกิดเป็นสนามไฟฟ้าที่มาหักล้างกันเองอย่างสมบูรณ์ ทำให้ไม่มีแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้นในวงจรที่หมุนไปพร้อมกับโลก

จนกระทั่งเกือบ 200 ปีต่อมา ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ห้องปฏิบัติการแรงขับเคลื่อนไอพ่น (JPL) ของนาซ่า และบริษัท Spectral Sensor Solutions นำโดย คริสโตเฟอร์ ไชบา ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ได้ค้นพบช่องโหว่สำคัญในกฎฟิสิกส์เดิม

นักวิจัยชี้ให้เห็นว่าสมมติฐานเดิมที่ว่าแรงดันไฟฟ้าจะถูกหักล้างจนหมดสิ้นนั้น ตั้งอยู่บนเงื่อนไขที่สนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงผ่านวัสดุตัวนำเกือบทันที แต่หากใช้วัสดุที่มีคุณสมบัติเฉพาะที่เรียกว่าวัสดุแม่เหล็กแบบอ่อน (Soft magnetic material) ซึ่งยอมให้สนามแม่เหล็กแพร่กระจายผ่านได้ช้าลง การหักล้างกันของประจุไฟฟ้าจะไม่เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ในทุกจุด

เพื่อพิสูจน์สมมติฐานนี้ ทีมวิจัยได้สร้างอุปกรณ์พิเศษที่มีลักษณะเป็นทรงกระบอกกลวงยาวประมาณ 30 ซม. ทำจากวัสดุแมงกานีส-ซิงก์เฟอร์ไรต์ ซึ่งเป็นวัสดุเซรามิกที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่แย่ แต่สามารถนำพาและกั้นสนามแม่เหล็กได้ดีเยี่ยม

การทดลองถูกจัดตั้งขึ้นในห้องใต้ดิน เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากภายนอก โดยวางทรงกระบอกนี้ในแนวทิศเหนือ-ใต้ และทำมุมเอียงประมาณ 57 องศา เพื่อให้แกนของมันตั้งฉากกับทั้งแนวการหมุนของโลกและเส้นแรงแม่เหล็กโลก ณ ตำแหน่งละติจูดของห้องปฏิบัติการ

ผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองสร้างความตื่นเต้นให้กับวงการฟิสิกส์เป็นอย่างมาก เมื่อพวกเขาสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าคงที่ได้ประมาณ 18 ไมโครโวลต์ และกระแสไฟฟ้าในระดับนาโนแอมป์ แม้ว่าตัวเลขนี้จะดูน้อยนิดเมื่อเทียบกับการใช้งานในชีวิตประจำวัน แต่ความสำคัญไม่ได้อยู่ที่ปริมาณพลังงาน ซึ่งพิสูจน์แล้วว่าหลักการนี้ใช้งานได้จริงในทางปฏิบัติ

ทีมวิจัยยังได้ทำการตรวจสอบอย่างเข้มงวดเพื่อตัดปัจจัยรบกวนอื่น ๆ เช่น ความแตกต่างของอุณหภูมิที่อาจทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า (Seebeck effect) หรือสัญญาณรบกวนจากคลื่นวิทยุ จนมั่นใจว่าพลังงานที่ได้มานั้นเกิดจากการหมุนของโลกผ่านสนามแม่เหล็กจริง ๆ

นักวิจัยระบุในรายงานการศึกษาว่า “เราทำให้มันเป็นจริงได้ด้วยเปลือกทรงกระบอกของแมงกานีส-ซิงก์เฟอร์ไรต์ และเมื่อควบคุมผลกระทบจากเทอร์โมอิเล็กทริกและปัจจัยรบกวนอื่น ๆ แล้ว เราแสดงให้เห็นว่าระบบสาธิตขนาดเล็กนี้สร้างแรงดันไฟฟ้าและกระแสตรงที่มีขนาดต่อเนื่องตามที่ทำนายไว้” 

แน่นอนว่าผลการทดลองที่ท้าทายความเชื่อเดิมย่อมตามมาด้วยเสียงวิพากษ์วิจารณ์ นักฟิสิกส์บางคนอย่าง รินเก วิจน์การ์เดน จากมหาวิทยาลัยฟรีแห่งอัมสเตอร์ดัม ยังคงแสดงความเคลือบแคลงใจ โดยระบุว่าแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้นั้นมีค่าน้อยเกินไปจนอาจเกิดจากปัจจัยแอบแฝงอื่น ๆ ที่ยังไม่ถูกค้นพบ และเขายังไม่สามารถจำลองผลลัพธ์ที่ตรงกันในการทดลองส่วนตัวได้

ขณะที่ พอล โทมัส นักฟิสิกส์กิตติคุณจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-โอ แคลร์ กลับมองว่าการทดลองของทีมพรินซ์ตันนั้นทำออกมาได้อย่างประณีตและน่าเชื่อถืออย่างมาก

เมื่อมองถึงอนาคต หากเทคโนโลยีนี้สามารถขยายขนาดหรือเพิ่มประสิทธิภาพได้ผ่านการเชื่อมต่ออุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้เข้าด้วยกันในรูปแบบของอาเรย์ (Arrays) มันอาจกลายเป็นแหล่งพลังงานรูปแบบใหม่ที่ไม่ต้องการเชื้อเพลิงและไม่มีวันสึกหรอ อุปกรณ์ดังกล่าวอาจถูกนำไปใช้เป็น “แบตเตอรี่ถาวร” สำหรับเซนเซอร์ในพื้นที่ห่างไกล หรือแม้แต่การติดตั้งบนดาวเทียมที่โคจรรอบโลกซึ่งมีความเร็วสัมพัทธ์กับสนามแม่เหล็กสูงกว่าบนพื้นดินมาก ซึ่งจะช่วยให้สร้างพลังงานได้ในปริมาณที่มหาศาลขึ้น

ประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจคือผลกระทบต่อโลก หากเราดึงพลังงานจากการหมุนของมันมาใช้ ในทางฟิสิกส์ การดึงพลังงานนี้จะทำให้การหมุนรอบตัวเองของโลกช้าลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน แต่ทีมวิจัยคำนวณว่าผลกระทบดังกล่าวนั้นมีน้อยมากจนแทบไม่มีนัยสำคัญ โดยระบุว่าแม้มนุษยชาติจะดึงพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่เราใช้ในปัจจุบันมาจากวิธีนี้เพียงอย่างเดียว การหมุนของโลกจะช้าลงไม่ถึง 1 มิลลิวินาทีต่อทศวรรษ ซึ่งน้อยกว่าการที่โลกหมุนช้าลงตามธรรมชาติจากการกระทำของดวงจันทร์เสียอีก

แม้ว่าพลังงาน 18 ไมโครโวลต์ที่นักวิจัยผลิตได้ อาจยังไม่สามารถเปลี่ยนโลกได้ในวันนี้ แต่มันคือการเปิดประตูสู่ความเข้าใจใหม่ในความสัมพันธ์ระหว่างพลศาสตร์ของดวงดาวกับแม่เหล็กไฟฟ้า การค้นพบนี้เปรียบเสมือนการพบกุญแจที่ฟาราเดย์เคยทิ้งไว้เมื่อเกือบสองร้อยปีก่อน ซึ่งในอนาคตมันอาจกลายเป็นรากฐานสำคัญของพลังงานสะอาดที่ยั่งยืนที่สุดเท่าที่มนุษย์จะจินตนาการได้

เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น พลังงานจากการหมุนของโลกนี้เปรียบเสมือนกระแสลมจาง ๆ ที่พัดผ่านกังหันขนาดจิ๋ว แม้ในยามที่เรายืนอยู่นิ่ง ๆ บนพื้นดิน แต่ความจริงเรากำลังเคลื่อนที่ไปพร้อมกับดาวเคราะห์ด้วยความเร็วสูงมาก การสกัดพลังงานจากกระแสลมที่มองไม่เห็นนี้คือบทพิสูจน์ความชาญฉลาดของมนุษย์ที่พยายามเปลี่ยน “การเคลื่อนที่ของดวงดาว” ให้กลายเป็น “แสงสว่างในบ้าน” ของเราเอง

ที่มา: Discover Magazine, Earth, Interesting Engineering, Scientific American