ปัญหาคลาสสิกของแผงโซลาร์เซลล์ที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้ คือมันมักจะสูญเสียพลังงานจำนวนมากไปกับการแผ่ความร้อนทิ้งสู่อากาศ สาเหตุหลักมาจาก “กฎการแผ่รังสีความร้อนของเคอร์ชอฟฟ์” (Kirchhoff’s law of thermal radiation) กฎฟิสิกส์เก่าแก่ตั้งแต่ปี 1860 ที่ระบุไว้ว่า วัสดุใดที่ดูดกลืนพลังงานรังสีได้เก่ง มันก็ต้องคายพลังงานนั้นออกมาได้เก่งเท่าๆ กันในทิศทางเดียวกันด้วย ทำให้เราเสียพลังงานไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
แต่เมื่อกลางปี 2025 ทีมนักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียสเตต (Penn State University) สามารถหาวิธีก้าวข้ามกฎข้อนี้ได้สำเร็จ พวกเขาสร้างแผ่นฟิล์มชนิดพิเศษ (metamaterial microfilm) ที่มีความหนาเพียง 2.2 ไมโครเมตร หรือบางยิ่งกว่าเส้นผมของเรา แผ่นฟิล์มนี้ถูกออกแบบมาอย่างแยบยลด้วยการนำสารกึ่งตัวนำ อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (Indium Gallium Arsenide หรือ InGaAs) มาวางซ้อนกัน 5 ชั้นบนฐานทองคำบางๆ โดยแต่ละชั้นมีการปรับแต่งความหนาแน่นของอิเล็กตรอนให้ไม่เท่ากัน
เคล็ดลับที่ทำให้พวกเขาเอาชนะกฎธรรมชาติข้อนี้ได้ คือการใช้ “สนามแม่เหล็ก” ความเข้มข้นสูงถึง 5.0 เทสลาเข้าไปเหนี่ยวนำแผ่นฟิล์ม พลังของสนามแม่เหล็กได้เข้าไปกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาร่วมกันระหว่างไฟฟ้า ความร้อน และแม่เหล็ก (electro-thermo-magnetic effects) ภายในเนื้อวัสดุระดับจุลภาค
ผลที่ตามมาคือ วัสดุนี้เริ่มมีพฤติกรรมดูดความร้อนเข้ามา แต่ไม่คายออกไปในปริมาณที่เท่าเดิม (nonreciprocal thermal radiation) เมื่อทีมวิจัยใช้เครื่องสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ (spectrophotometer) วัดค่า พวกเขาพบความต่างระหว่างอัตราการดูดกลืนและการแผ่รังสีสูงถึง 0.43 ซึ่งในสภาวะปกติที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก ค่านี้จะต้องเป็นศูนย์เป๊ะเสมอตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์
การค้นพบนี้ได้ปลดล็อกข้อจำกัดทางพลังงานครั้งใหญ่ เพราะมันเปิดทางให้เราสร้างอุปกรณ์ที่สามารถบังคับทิศทางของความร้อนที่กำลังจะสูญเสียไปเปล่าๆ ให้เลี้ยวไปเข้าอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานตัวอื่นที่รอรับอยู่ด้านข้างแทน เทคโนโลยีนี้จะเข้ามาพลิกโฉมแผงโซลาร์เซลล์ให้เก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ได้เต็มประสิทธิภาพมากขึ้น ยกระดับการทำงานของเซนเซอร์อินฟราเรด (infrared sensing) และยังเป็นรากฐานสำคัญสู่เทคโนโลยีขั้นสูงอย่างการพรางตัวจากความร้อน (thermal cloaking) ในอนาคตได้อย่างก้าวกระโดด
แหล่งอ้างอิง
[1] Zhang, Z., Dehaghi, A. K., Ghosh, P., & Zhu, L. (2025). Observation of Strong Nonreciprocal Thermal Emission. Physical Review Letters, 135(1), 016901.
[2] Rahman, F. (2025). Exploring Nonreciprocal Thermal Radiation: Challenging Kirchhoff’s Law through Metamaterial Microstructures-A Review. TK Techforum Journal, 2025(1), 35-40.
[3] Penn State University. (2025). Rewriting a scientific law to unlock the potential of energy, sensing and more. (News Release).
#ฟิสิกส์ #วิทยาศาสตร์ #พลังงานสะอาด #เทคโนโลยี #โซลาร์เซลล์ #นวัตกรรม #วิศวกรรม #สาระความรู้