“ไมโครอิเล็กทรอนิกส์” นำไปสู่ “ความเป็นกลางทางคาร์บอน”

"ไมโครอิเล็กทรอนิกส์" นำไปสู่ “ความเป็นกลางทางคาร์บอน” เป็นบทความพิเศษโดย Dr. Peter Wawer, Infineon ตีพิมพ์ในหนังสือพิมพ์รายวันระดับภูมิภาคของเยอรมนี "Frankfurter Allgemeine Zeitung" 2 พฤศจิกายน 2021

ความพยายามระดับโลกในการปกป้องสภาพภูมิอากาศแสดงให้เห็นว่าความท้าทายในการรักษาสภาพภูมิอากาศของเราซับซ้อนเพียงใดและการอภิปรายทางการเมืองและสังคมในหลายชั้นของเรื่องนี้เป็นอย่างไร

ทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี วิธีการแก้ปัญหามีความขัดแย้งที่น้อยกว่า เราต้องการพลังงานเพื่อที่จะมีชีวิตอยู่ในปัจจุบัน ไฟฟ้าเป็นรูปแบบพลังงานที่ยืดหยุ่นที่สุดของเรา ซึ่งสามารถแปลงได้ง่ายและใช้งานได้ทุกที่ เราจำเป็นต้องเปลี่ยนการผลิตไฟฟ้าที่ทําลายสภาพภูมิอากาศอย่างเชื้อเพลิงฟอสซิล เป็นพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ โดยที่เซมิคอนดักเตอร์มีบทบาทสําคัญอย่างยิ่งในกระบวนการนี้

ใครก็ตามที่เคยแล่นเรือท่ามกลางสายลมเบาๆ จะรับรู้ได้ถึงความรู้สึกของการล่องลอยเหนือน้ำอย่างเงียบๆ โดยไม่มีควันไอเสียในอากาศบริสุทธิ์ ซึ่งถือเป็นความรู้สึกที่น่าหลงใหลอย่างมาก คุณกำลังเคลื่อนไหวอย่างกลมกลืนกับธรรมชาติ โดยใช้พลังธรรมชาติเพื่อเดินทางไปยังที่ต่างๆ โดยปราศจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

เรามีพลังงานมากเกินพอบนโลกของเรา ไม่เพียงแต่สำหรับการแล่นเรือเท่านั้น ดวงอาทิตย์ก็ยังให้แสงสว่างและความร้อนที่เพียงพอแก่เรา และด้วยเหตุนี้ แสงอาทิตย์จึงให้ลมด้วยเช่นกัน เราไม่ต้องกังวลเรื่องการขาดแคลนพลังงานเลย แต่สิ่งสำคัญคือ เราจะแปลงพลังงานอย่างไรเพื่อให้สามารถใช้งานได้ ใบเรือทําให้สามารถแล่นเรือได้เป็นอย่างดีมาเป็นเวลาสองสามพันปี แม้ว่าจะมีขอบเขตการใช้งานที่จำกัด ในขณะที่กังหันลมจะมีความยืดหยุ่นมากกว่าและให้พลังงานแก่เครื่องมือและเครื่องจักรมากมายมาเป็นเวลาหลายพันปี และกังหันลมสมัยใหม่สามารถแปลงลมให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าที่ยืดหยุ่นที่สุดของเราได้อย่างมีประสิทธิภาพความก้าวหน้าทางเทคนิคในทศวรรษที่ผ่านมา และความต้องการไฟฟ้าที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นนั้น ทําให้พลังงานลมเป็นพลังงานที่สามารถแข่งขันกับพลังงานอื่นๆ ได้มานานแล้ว ซึ่งดียิ่งขึ้นสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ โฟโตโวลตาอิกส์ (Photovoltaics) เป็นที่ยอมรับในการใช้งานอย่างแพร่หลายและมีความน่าสนใจในเชิงเศรษฐกิจ เนื่องจากเยอรมนีมีราคาไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูง

แน่นอนว่า การออกแบบกังหันลมและการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์มีบทบาทอย่างมากในการเพิ่มประสิทธิภาพ และความก้าวหน้าที่เป็นไปได้โดย ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ นั้นมีความชัดเจนทีเดียว การไม่ต้องแปลงกระแสตรงจากเซลล์แสงอาทิตย์และไฟฟ้ากระแสสลับจากพลังงานลม ตลอดจนการปรับให้เข้ากับความต้องการของโครงข่ายไฟฟ้าของเรา ล้วนเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการให้แสงอาทิตย์และลมกับแหล่งจ่ายไฟของเรา การสนับสนุนนี้ต้องการ เซมิคอนดักเตอร์ที่เปลี่ยนกระแสตรงให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับและปรับความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ทุกครั้งที่แปลงพลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน เช่นเดียวกับการผลิตไฟฟ้าและการใช้ไฟฟ้า ใครก็ตามที่เคยถือแหล่งจ่ายไฟของโน้ตบุ๊กที่เปิดเครื่องไว้ในมือจะรู้เรื่องนี้ เซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ช่วยให้แน่ใจว่าการสูญเสียความร้อนเหล่านี้จะลดลง แม้ว่าเมื่อ 20 ปีที่แล้ว ผู้คนจะพึงพอใจหากแหล่งจ่ายไฟทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ 85 เปอร์เซ็นต์ แต่ทุกวันนี้ เราสามารถบรรลุระดับประสิทธิภาพสูงสุดถึง 99 เปอร์เซ็นต์ด้วยไมโครชิปที่ทันสมัย ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าอย่างมาก เซมิคอนดักเตอร์สำหรับการแปลงพลังงานในระบบพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมก็ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นในลักษณะเดียวกัน

แต่เราต้องการความก้าวหน้ามากกว่านี้ ความหิวกระหายพลังงานในโลกของเรานั้นมีจำนวนมาก และกําลังเพิ่มมากขึ้น การบริโภคปิโตรเลียมเป็นตัวชี้วัดการเติบโตทางเศรษฐกิจเป็นเวลาหลายทศวรรษ สิ่งนี้มาพร้อมกับภาระที่เพิ่มมากขึ้นต่อสภาพอากาศของเรา เราไม่สามารถรับสิ่งนี้ได้อีกต่อไปและเราก็ไม่ต้องการด้วยเช่นกัน ไฟฟ้าที่เกิดจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนและผลิตในลักษณะที่เป็นกลางต่อสภาพอากาศ ต้องแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิล ความท้าทายสุดพิเศษ การผลิตพลังงานสีเขียวไม่เพียงแต่จะต้องเข้ามาแทนที่แหล่งพลังงานที่ทําลายสภาพภูมิอากาศเท่านั้น แต่ยังต้องช่วยให้เติบโตขึ้นอย่างต่อเนื่องด้วย และเราจะต้องทําเช่นนั้นในระดับโลกเพราะผู้คนทั่วโลกควรมีโอกาสได้ใช้ชีวิตที่เจริญรุ่งเรือง ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะเพิ่มประสิทธิภาพในทุกสิ่งตั้งแต่การผลิตพลังงานไปจนถึงการส่งพลังงานและการใช้พลังงาน ทุกจุดเปอร์เซ็นต์เพิ่มเติมที่เราสามารถนับได้

ผมมั่นใจมากว่าเราจะก้าวหน้ามากยิ่งขึ้นต่อไป ตัวอย่างเช่น วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่และสําคัญ ตั้งแต่การวิจัยซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์ไปจนถึงการใช้งานจริง ทําให้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดถึง 50 เปอร์เซ็นต์

วัสดุใหม่เหล่านี้ให้กระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนแบบดั้งเดิม ซึ่งช่วยลดการสูญเสียความร้อนและช่วยให้แปลงได้เร็วขึ้น ซึ่งทําให้พวกมันถูกกําหนดไว้ล่วงหน้าสำหรับใช้ในการจัดหาพลังงานที่ซับซ้อนมากขึ้นของเรา วัสดุใหม่นี้ลดความต้องการพลังงานในการผลิตและการบริโภค เช่นเดียวกับในโครงข่ายไฟฟ้าที่มีเครือข่ายและระดับแรงดันไฟฟ้าต่างๆ โครงสร้างของวัสดุใหม่เหล่านี้มีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่เมื่อสองสามทศวรรษก่อน เศรษฐกิจของสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี (Federal Republic of Germany) มีโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่จํานวนพอสมควรที่สามารถจัดการได้ ซึ่งค่อนข้างง่ายต่อการประสานงานเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจ่ายไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ ในปัจจุบัน ต้องมีการประสานงานกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กหลายล้านเครื่อง แม้แต่ทิศทางของกระแสไฟฟ้าก็ไม่เรียบง่ายและชัดเจนอย่างที่เคยเป็นมา ผู้บริโภคจำนวนมากเองก็ได้กลายเป็นผู้ผลิตไฟฟ้าเช่นกัน บางครั้งพวกเขาก็ต้องการไฟฟ้าจากโครงข่ายไฟฟ้า บางครั้งพวกเขาก็ใช้ไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากแผงโซลาร์เซลล์บนหลังคา และบางครั้งพวกเขาก็ป้อนไฟฟ้าเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าสาธารณะ

เซมิคอนดักเตอร์ ถูกนามาใช้ในทุกส่วนของการแปลงพลังงาน วัสดุใหม่นี้ไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังช่วยให้มีการออกแบบใหม่ที่จุดแปลงของแหล่งจ่ายไฟของเราด้วย โดยไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟจํานวนมาก เช่น ตัวเก็บประจุและขดลวด ซึ่งช่วยให้มีหน่วยควบคุมขนาดเล็กลง ทําให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลมมีขนาดเล็กลงและเรียบง่ายขึ้น ส่งผลให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดต้นทุนลง การออกแบบที่เล็กลงทําให้สามารถนําการแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงมาใช้กับการเคลื่อนที่ได้ง่ายยิ่งขึ้น ดังนั้น เราจึงได้รับประโยชน์ในด้านการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าจากความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เป็นอย่างมากทีเดียว

เราจะทําให้เกิดความก้าวหน้าต่อไปเนื่องจากสติปัญญาและความอยากรู้อยากเห็นของเรายังคงขับเคลื่อนการวิจัย การพัฒนาและนวัตกรรม สิ่งเหล่านี้เป็นเชื้อเพลิงที่ขับเคลื่อนความก้าวหน้าและนำพาไปสู่อนาคต ไปสู่โลกที่คาร์บอนไดออกไซด์มีความสมดุล ซึ่งให้พลังงานแก่มนุษย์อย่างเพียงพอแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีการออกแบบทางวิศวกรรมขั้นสูง และช่วยให้เราสามารถก้าวหน้าและใช้ชีวิตอย่างยั่งยืนร่วมกับโลกของเรา

อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่นี่