ไฟเย็น โดดเด่น และสดใส

เนื้อเรื่อง

ไฟเย็น...โดดเด่นสดใส..
เทคโนโลยีพลังงาน

ลองนึกถึงเปลวระยิบระยับที่อวดโฉมจากตะเกียงแก้วบรั่นดีที่ประดับในงานราตรีเลิศหรู แล้วเติมสีสันในจินตนาการอันบรรเจิดเพริดพริ้งต่อไปถึงแสงไฟที่ทำท่าจะดับมอดลง แต่งเติมด้วยแสงสีที่ไม่ร้อนแรงดุจเปลวเพลิง แต่ยังคงเพียบพร้อมด้วยปฏิกิริยา ทางเคมีที่มีชีวิต นี่แหละคือสิ่งที่เรียกว่า ไฟเย็น ปรากฏการณ์ที่โดดเด่นที่ สรรค์สร้างจากปรากฏการณ์ออกซิเดชั่นอย่างเบาๆ ที่ไม่ถึงกับหวือหวาอย่างการเผาไหม้ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ออกซิเดชั่นที่รู้จักกันเป็นอย่างดี ไฟเย็นเป็นที่รู้จักกันมานานเกือบสองร้อยปีแล้ว แต่ก็ไม่ได้รับความสนใจใฝ่รู้มาก เท่าที่ควรจนเกือบถูกลืมไปแล้วมาเมื่อไม่กี่ปีมานี้เองที่เรื่องราวของไฟเย็นกลับมาเป็นประเด็นฮอตฮิตติดชาร์ตในวงการวิจัยเรื่องการเผาไหม้

บรรดาวิศวกรได้ใช้ไฟเย็นเพื่อการปฏิวัติวงการระบบความร้อน และ การปรับปรุงหม้อไอน้ำให้มีประสิทธิภาพทางเชื้อเพลิง (fuel efficiency) ให้ดียิ่งขึ้นไป ด้วยการใช้ไฟเย็นร่วมกับเชื้อเพลิงหลากหลายชนิด และช่วยให้การเผาไหม้สะอาดหมดจด ลดการปล่อยไอเสีย เรายังสามารถนำไฟเย็นไปใช้ในกระบวนการผลิตไฮโดรเจน เพื่อการผลิตเป็นเซลล์เชื้อเพลิง และสิ่งเหล่านี้กำลังเดินทางเข้ามาสู่อาณาจักรของเครื่องยนต์ต้นกำลังของยานพาหนะยุคใหม่ เพื่อเติมศักยภาพสู่ยุคจักรกลสะอาดเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ย้อนยุคกลับไปเมื่อ พ.ศ. 2348 ฮัมฟรีย์ เดวีย์ เป็นผู้ที่พบไฟเย็นเป็น ครั้งแรก โดยค้นพบจากการออกซิไดซ์สารไดเอทิลอีเทอร์ ด้วยการใช้แพลทินัมร้อนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และในอีก 70 ปีต่อมาที่ห้องปฏิบัติการของเขาที่เมืองลีดส์ ในสหราชอาณาจักร นักวิทยาศาสตร์นามว่า วิลเลียม เพอร์กิน ได้พบเหตุการณ์ไฟเย็นเฉกเช่นเดียวกันกับที่เคยมีการค้นพบมาก่อน แต่ด้วยกรรมวิธีที่แตกต่างออกไป เขาได้ไฟเย็นจากหยดอีเทอร์ลงบนพื้นทรายที่ร้อนระอุ เมื่อเขาปิดไฟหมด ก็พบว่ามีเปลวไฟสีฟ้าอ่อนเรืองแสงขึ้นมา มันไม่ถึงกับเป็นไฟที่ร้อนแรงจนเผาอะไรให้ไหม้เกรียม แต่ขึ้นชื่อว่าไฟ มันก็ยังสามารถสร้างความร้อนแรงให้ปรากฏเห็นได้ แม้จะเป็นเพียงแค่ให้ความร้อนระคายปลายเล็บ ทำให้กระดาษเปลี่ยนเป็น สีเกรียม และเกิดการเรืองแสง นั่นดูจะเป็นการให้นิยามของไฟเย็นได้อย่างชัดเจนเป็นที่สุด

ไฟเย็นมีความแตกต่างจากไฟร้อนหรือเปลวไฟทั่วไปตรงปฏิกิริยาเคมี การเผาไหม้ทั่วไปสร้างความร้อนด้วยการปลดปล่อยพลังงานจากพันธะทางเคมีของสารที่เผาไหม้ โดยการ เกิดปฏิกิริยาและการกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องกันไปในบริเวณที่เกิดการเผาไหม้ ปฏิกิริยาทางเคมีเหล่านี้เป็นปฏิกิริยาเคมีที่ก่อให้เกิดเปลวไฟและการลุกไหม้ที่ต่อเนื่องกัน ที่เรียกว่า ปฏิกิริยาต่อเนื่องแบบลูกโซ่ (chain branching process) เอาละครับถ้ายังนึกภาพการสันดาปหรือการเผาไหม้ที่เลอะเลือนไปตามวัยหรือได้คืนคุณครูผู้สอนไปแล้วยังไม่ออก ลอง นึกถึงอะตอมอิสระของไฮโดรเจนที่เข้าไปเกาะเกี่ยวทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของออกซิเจน เพื่อสร้างสภาวะที่พร้อมในการจับคู่สร้างปฏิกิริยา (two reactive species) ในรูปของอนุมูลสารประกอบไฮดรอกซิล (OH) และอะตอมของออกซิเจน (O) ซึ่งสามารถเร่งให้เกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับ โมเลกุลอื่นในชั้นที่สามารถเกาะเกี่ยวกันกับอนุมูลอิสระอื่น (avalanche of radicals)

ในขณะที่รูปแบบการเกิดไฟเย็น เป็นปรากฏการณ์ที่แตกต่างไปจากการลุกไหม้ในการเกิดไฟร้อน โดยมันพัฒนามาจากการเกิดไอของสารอินทรีย์ อันได้แก่ อัลดีไฮด์ อีเทอร์ และแอลกอฮอล์ ซึ่งรวมตัวกันเองตามธรรมชาติ เมื่อ อุณหภูมิสูงขึ้นถึงระดับ 250 องศาเซลเซียส ในช่วงต้นจะมีลักษณะ ที่เหมือนกับการลุกไหม้ของไฟร้อน ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในขณะปรากฏการณ์ไฟเย็นจะปลดปล่อยความร้อนบางส่วน และมีลักษณะอย่างเดียวกันกับกระบวนการเผาไหม้แบบต่อเนื่องของ ไฟร้อน ดังที่ได้กล่าวมาข้างต้น ด้วย กระบวนการที่เรียกว่า การจุดระเบิดโดยธรรมชาติ (spontaneous ignition) แม้ว่าอุณหภูมิจะสูงขึ้นแต่ว่าในที่สุดปฏิกิริยาก็จะหยุดลง มันถูกแทนที่ด้วยกระบวนการที่ช้ากว่าการสันดาปแบบ ทั่วไป ซึ่งมีชื่อเรียกว่า ปฏิกิริยาต่อเนื่องแบบ chain propagation ทำให้เกิดการทำปฏิกิริยาเชิงเดี่ยว (single reactive species) อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะไม่เพิ่มขึ้น แต่จะไปหยุดอยู่ที่ประมาณ 500 องศาเซลเซียส

แล้วทำไมไฟเย็นที่เพอร์กินพบจึงไม่ทำให้มือของเขาไหม้เกรียม เรื่องนี้อธิบายได้ว่า ไฟร้อนโดยทั่วไปจะมีอุณหภูมิในราว 1,000 องศาเซลเซียส และความร้อนจะทำให้เกิดเขม่าควันเพิ่มขึ้นไปอีก ในขณะที่ปฏิกิริยาเคมีของไฟเย็นไม่ เกิดเขม่าควัน และปริมาณความร้อนที่ได้มีไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการไหม้เกรียม และหากใช้มืออังดู ความรู้สึก ที่ได้รับจากไฟเย็นจะคล้ายๆ กับความรู้สึกวูบวาบที่ได้จากความร้อนที่แผ่ซ่านจากเตาอบเท่านั้น

ความสามารถของไฟเย็นในการคงอุณหภูมิในระดับที่ไม่สูงได้ เป็นโอกาสให้วิศวกรสามารถนำมันไปใช้ในหม้อกำเนิดไอน้ำแบบท่อไฟ (oil-fired boiler) รุ่นใหม่ซึ่งใช้น้ำมันให้ความร้อน โดยหม้อกำเนิดไอน้ำแบบท่อไฟรูปแบบเดิมนั้นจะฉีดน้ำมัน เชื้อเพลิงเข้าไปยังห้องเผาไหม้ในรูปแบบละออง (atomized) และปรับอัตราการไหลเพื่อให้เกิดการ เผาไหม้อย่างเหมาะสม ซึ่งการปรับและควบคุมกำลังเพลาที่ได้จากหม้อกำเนิดไอน้ำแบบนี้ทำได้ยาก เพราะการเผาไหม้จะไม่มีเสถียรภาพและมีประสิทธิภาพต่ำลงเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลของน้ำมัน การ เปลี่ยนแปลงหรือควบคุมกำลังเพลา แม้จะทำได้โดยการปิดเปิดเพื่อ ควบคุมอัตราการไหลของน้ำมันเข้า สู่ห้องเผาไหม้ แต่วิธีการเช่นนี้ไม่มีประสิทธิภาพ

มีโครงการวิจัยที่ชื่อว่า ไบโอแฟลม (Bioflam) ที่ได้รับการสนับสนุนจากสหภาพยุโรป ได้ทดลองใช้ระบบซึ่งทำให้น้ำมันที่ใช้มีลักษณะ เป็นไอ (vaporized) แทนที่จะเป็นรูปแบบละออง ก่อนที่จะส่งเข้าห้อง เผาไหม้ ไอน้ำมันที่ฉีดเข้าไปยังห้อง อุ่นที่มีฉนวนหุ้มเพื่ออุ่นให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 250 องศาเซลเซียสและ ผสมกับอากาศ ตอนนี้จะเกิดไฟเย็นก่อตัวขึ้น และเกิดเสถียรภาพทางเคมีโดยการผสมผสานระหว่างอากาศและไอน้ำมันในช่องเล็กๆ ที่หมุนเวียนในห้องอุ่น อุณหภูมิในห้องดังกล่าวจะอยู่ที่ประมาณ 500 องศาเซลเซียส ซึ่งมากพอที่จะทำให้ละอองน้ำมันและหยดน้ำมันที่ไหลผ่านห้องอุ่นกลายสภาพเป็นไอน้ำมันก่อนเข้าสู่หัวเผาไหม้

หัวเผาไหม้ที่ออกแบบขึ้นใหม่นั้นทำจากเซรามิกความพรุนสูง ซึ่งออกแบบพัฒนาโดยวิศวกรที่มหาวิทยาลัยแอร์ลันเจินนูรัมแบร์ก (Erlangen Nuramberg) ในเยอรมนี การมีรูพรุนเล็กๆ ช่วยพิทักษ์สิ่งแวดล้อมได้เป็นอย่างดี เพราะทำให้การเผาไหม้สะอาดและช่วยลดการแปรเปลี่ยนของอุณหภูมิในขณะมีการเผาไหม้ อันเป็นตัวแปรสำคัญที่ก่อให้เกิดมลพิษ และด้วยการที่ไอน้ำมันมีเสถียรภาพการ ไหลสม่ำเสมอ หัวเผาไหม้จึงทำหน้าที่เสมือนเป็นหัวเผาแบบเตาแก๊สแทนที่จะมีลักษณะเป็นหัวเผาน้ำมัน ซึ่งจะทำให้การเดินระบบเพื่อผลิตพลังงานมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ในการทดสอบ หัวเผาในรูปแบบเช่นว่านี้จะให้พลังงานตั้งแต่ 3 ถึง 30 กิโลวัตต์

ต้องขอบคุณไฟเย็นและหัวเผาอย่างใหม่ ที่ลดการเกิดไอเสียไนโตรเจนออกไซด์ลงได้ครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับหม้อกำเนิด ไอน้ำแบบท่อไฟแบบ ดั้งเดิม แถมยังมีประสิทธิภาพมากกว่าอีก 10 เปอร์เซ็นต์ ลักษณะการเป็นไอยังส่งผลดีต่อการออกแบบให้สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลาย ชนิดขึ้น กล่าวคือสามารถใช้เชื้อเพลิงตั้งแต่น้ำมันทอดอาหารที่ใช้แล้ว จนถึงน้ำมันพืชชนิดเชื้อเพลิงชีวภาพ (biofuels) ที่ทำจากถั่วเหลืองหรือเมล็ดพืชอย่างอื่น และเพื่อเป็นการทดสอบแนวคิดดังกล่าว โครงการ ไบโอแฟลมจะเริ่มทดสอบอย่างจริงจังในบ้านเรือนในภาคพื้นยุโรปภายในเร็ววันนี้

นักวิจัยยังได้ผสมผสานตัวทำไอ ที่ทำให้เกิดไฟเย็นให้ทำงานร่วมกับ ตัวเร่งปฏิกิริยาความร้อน เพื่อที่จะทำให้เกิดหน่วยแปรรูปเชื้อเพลิง(fuel reformer) โดยหน่วยแปรรูปเชื้อเพลิง ดังกล่าวมานี้จะเป็นตัวแปลงเชื้อเพลิงอย่างเช่นน้ำมันดีเซลให้อยู่ในรูปของแหล่งไฮโดรเจนที่บริสุทธิ์ก่อนที่จะส่งตรงเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง เพื่อเป็นแหล่งพลังงานของรถไฟฟ้า โดยที่เครื่องมืออุปกรณ์ต่างๆ เหล่านี้ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา แนวคิดดังกล่าวยังคงมีอยู่ต่อไปตราบเท่าที่การใช้ไฮโดรเจนยังเป็นที่สนใจเพื่อให้เป็นแหล่งพลังงานอย่างใหม่ ไปจนถึงขั้นมีสถานีเติมไฮโดรเจนแบบสถานีบริการน้ำมันกันเลยทีเดียว

วิศวกรรู้ซึ้งถึงคุณประโยชน์ของไฟเย็นแล้วว่าสามารถใช้งานได้ทั้งในเครื่องยนต์แก๊สโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซล ทั้งยังมีความเข้าใจถึงลักษณะการจุดระเบิดและสันดาปอย่างสมบูรณ์แบบของไฟเย็นอีกด้วย ซึ่งนับว่าจะเป็นหนทางนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงรูปแบบของเครื่องยนต์สันดาปภายในรูปแบบเดิมๆ

การเกิดไฟเย็นในระบบเครื่องยนต์นั้นมีความแตกต่างกันในประเภทและชนิดของเครื่องยนต์ กล่าวคือ ในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ดีเซล เชื้อเพลิงที่ผสมกับอากาศจะเกิดความร้อนโดยการอัดอากาศ ถึงตอนนี้ไฟเย็นจะค่อยๆ ก่อตัว และเข้าสู่การเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ สำหรับเครื่องยนต์แก๊สโซลีนที่ใช้หัวเทียนเป็นตัวจุดให้ประกายไฟ เพื่อให้เกิดการเผาไหม้นั้น จะมีสภาวะเงื่อนไขที่ก่อให้เกิดไฟเย็นได้ในขณะการจุดระเบิด ซึ่งอาการเช่นว่านี้อาจมีผลทำให้เกิดอาการจุดระเบิดเร็ว กว่าปกติ หรือที่รู้จักกันว่า อาการน็อคของเครื่องยนต์ และเพื่อแก้อาการประมาณเช่นว่านี้ ต้องมีการเติมสารเคมีเพื่อป้องกันการน็อคของเครื่องยนต์ อย่างเช่น โทลูอีน (toluene) ลงในน้ำมันเชื้อเพลิงด้วย

อย่างไรก็ตามนักวิจัยได้ออกแบบเครื่องยนต์สองระบบ (dual mode engine) เพื่อให้สอดคล้องกับการ ใช้งานได้ทั้งสองระบบ โดยใช้ระบบควบคุมการจุดระเบิดแบบซีเอไอ (CAI : Controlled Auto Ignition) การทำงานของซีเอไอนั้นจะเริ่มต้น จากระบบเครื่องยนต์ดีเซลในขณะรอบเดินเบา เมื่อคนขับเหยียบคันเร่งไป สู่ระบบแก๊ส หัวเทียนในแต่ละสูบจะ เริ่มทำงานเพื่อเพิ่มพลังงานขับให้มาก ยิ่งขึ้น

เครื่องยนต์ซีเอไอมีข้อเด่นหลายประการ เช่น การทำงานในสัดส่วน ของน้ำมันเชื้อเพลิงต่อมวลอากาศต่ำ ซึ่งแน่นอนว่าช่วยให้ประหยัดเชื้อเพลิงได้ดีกว่า ซึ่งอัตราการใช้เชื้อเพลิงของระบบนี้จะดีกว่าเครื่องยนต์ดีเซลที่นับว่าดีที่สุดในขณะนี้ ทั้งยังก่อให้เกิดไอเสียที่มีเขม่าควันต่ำกว่า นอกจากนั้นการใช้ไฟเย็นในระบบจุดระเบิดทำให้การเผาไหม้ในเครื่องยนต์ราบเรียบ อุณหภูมิในห้องเผาไหม้และกระบอกสูบก็ต่ำกว่า และเกิดแก๊สที่เป็นมลภาวะอย่างไนโตรเจนออกไซด์ในระดับต่ำกว่า และระบบเครื่องยนต์ซีเอไอยังสามารถใช้งานกับเชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิดมากกว่าด้วย

ยังมีปัญหาทางด้านเทคนิคบางอย่างสำหรับเครื่องยนต์ซีเอไอ กล่าวคือ เครื่องยนต์ซีเอไอ สามารถทำงานได้ในหลากหลายสถานการณ์ ดังนั้น ต้องควบคุมอุณหภูมิและความดันทำงานในห้องเผาไหม้ให้อยู่ตัวเพื่อให้ได้แรงบิดที่แน่นอนในการนำไปใช้งาน วิธีการอย่างหนึ่งที่ได้นำมาประยุกต์ใช้ในการควบคุมสภาพที่เหมาะสมในการทำงานของระบบคือ การใช้ไอเสียที่ได้นำกลับไปหมุนเวียนในการอุ่นระบบให้มีสภาวะคงที่ สุดท้ายก็คือต้องมีการ ผสมผสานการจัดจังหวะในการจุดระเบิดและการปิดเปิดวาล์วไอดีไอเสียอย่างสอดคล้องสัมพันธ์กัน โดยการประเมินอุณหภูมิและปรับส่วนผสมของอากาศเชื้อเพลิงไอเสียได้อย่างรวดเร็ว

ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งคือยวด ยานที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้นานาเชื้อเพลิงที่มีสารไฮโดรคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ ซึ่งยังไม่เข้าใจกันดีนักเกี่ยวกับการเผาไหม้ในลักษณะการเกิดปฏิกิริยาเคมีของไฟเย็น นักเคมีกำลังศึกษาประเมินในส่วนผสมของ เชื้อเพลิงกับอากาศที่แตกต่างกันไปว่า ค่าใดที่จะทำให้ระบบเครื่องยนต์ซีเอไอทำงานได้ประสิทธิภาพสูงสุด

แม้ปัจจุบันนักวิจัยยังไม่สามารถเข้าถึงกรรมวิธีในการพัฒนาให้ไฟเย็นให้ก่อตัวทำให้การเผาไหม้สมบูรณ์แบบ หนทางสำคัญอย่างหนึ่งในการศึกษาพัฒนาการในการเผาไหม้ในกลไกการเกิดไฟเย็นคือการศึกษาในระดับแรงโน้มถ่วงน้อย (microgravity) ซึ่งเป็นรูปแบบที่จะช่วยขจัดไม่ให้เกิดกระแสการไหลวนนำพาความร้อนออกไปจากระบบ ซึ่งช่วยให้การส่งผ่านมวลและความร้อนเป็นไปอย่างสะดวก ทำให้กระบวนการทางเคมีและฟิสิกส์ ที่เกิดขึ้นในรูปแบบที่ง่ายรวดเร็วไม่สลับซับซ้อน นักวิทยาศาสตร์ที่องค์การ นาซาได้ออกแบบการทดลองที่ว่าแล้ว โดยหวังเป็นอย่างยิ่งว่าจะสรุปแนวทางในการทดลองเพื่อนำไฟเย็นออกไปทดลองยังสถานีอวกาศนานาชาติได้ภายในหกปีข้างหน้า

และที่สร้างความฮือฮาไม่น้อยหน้าไปอีกเมื่อมีข่าวว่าบริษัทผู้ผลิตรถยนต์ญี่ปุ่นค่ายนิสสัน ได้ผลิตและทำตลาดเครื่องยนต์ที่ออกแบบให้มีระบบซีเอไอกันแล้ว คาดว่ายานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งจัดได้ ว่าเป็นเทคโนโลยีสีเขียวที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมจะเป็นที่แพร่หลายในช่วงเวลาสิบปีข้างหน้า และเมื่อวันนั้นมาถึง เราคงก้าวสู่ยุคเริ่มต้นของเครื่องยนต์ ไฟเย็นที่มีการประยุกต์ใช้งานให้ลือลั่นฮือฮาและน่าทึ่ง ไม่น้อยหน้าการค้นพบทางเคมีของไฟเย็นของเพอร์กินที่สร้างความตื่นตาตื่นใจให้กับโลกเมื่อ 130 กว่าปีที่แล้ว