Qurie พัฒนาเครื่องทำความเย็นไร้สารทำความเย็นด้วยเทคโนโลยี Electrocaloric

ระบบทำความเย็นและระบบปรับอากาศเป็นโครงสร้างพื้นฐานสำคัญของอาคาร ยานพาหนะ และอุตสาหกรรมทั่วโลก แต่เทคโนโลยีหลักที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันแทบไม่เปลี่ยนแปลงมาหลายสิบปี ระบบ HVAC ส่วนใหญ่ยังคงอาศัย คอมเพรสเซอร์และสารทำความเย็นเคมีในวงจรไออัด (vapor‑compression) ซึ่งกินพลังงานสูงและกำลังเผชิญข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดขึ้น

สตาร์ตอัปด้าน climate tech จากเมืองไฟรบวร์ก ประเทศเยอรมนีชื่อ Qurie กำลังทดลองแนวทางใหม่ คือ ระบบทำความเย็นแบบ solid‑state ที่ใช้ปรากฏการณ์ electrocaloric ซึ่งไม่ต้องใช้คอมเพรสเซอร์และหลีกเลี่ยงการใช้สารทำความเย็นแบบดั้งเดิม เทคโนโลยีนี้มีรากฐานจากงานวิจัยของสถาบัน Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques (Fraunhofer IPM) และถูกออกแบบให้เหมาะกับระบบพลังงานไฟฟ้าในอนาคต

ปัญหาของระบบทำความเย็นแบบเดิม

เครื่องปรับอากาศ ตู้เย็น และฮีตปั๊มส่วนใหญ่ทำงานด้วยวงจรไออัด ซึ่งใช้คอมเพรสเซอร์ในการบีบอัดสารทำความเย็นเพื่อเคลื่อนย้ายความร้อนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง แม้เทคโนโลยีนี้จะใช้งานได้ดี แต่ก็มีข้อจำกัดสำคัญสองประการ

• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม — สารทำความเย็นหลายชนิดมีศักยภาพทำให้เกิดภาวะโลกร้อนสูง หากเกิดการรั่วไหล
• การใช้พลังงานและความซับซ้อนของเครื่องจักร — ระบบต้องใช้คอมเพรสเซอร์และชิ้นส่วนเคลื่อนไหวจำนวนมาก ทำให้ใช้พลังงานสูง

งานวิจัยของ Fraunhofer ระบุว่า ฮีตปั๊มแบบ solid‑state ที่ใช้วัสดุ caloric สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้สารทำความเย็นที่เป็นอันตราย ซึ่งทำให้เป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับระบบทำความร้อนและความเย็นที่ยั่งยืนกว่าในอนาคต

Electrocaloric cooling ทำงานอย่างไร

เทคโนโลยีของ Qurie อาศัย electrocaloric effect ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่วัสดุบางชนิดสามารถเปลี่ยนอุณหภูมิได้เมื่อมีการใช้หรือถอนสนามไฟฟ้า

หลักการทำงานมีดังนี้

• เมื่อใช้สนามไฟฟ้ากับวัสดุ electrocaloric โครงสร้างไดโพลไฟฟ้าภายในจะเรียงตัวและทำให้วัสดุ อุณหภูมิสูงขึ้น
• เมื่อเอาสนามไฟฟ้าออก โครงสร้างจะคลายตัวและทำให้วัสดุ เย็นลงต่ำกว่าค่าเดิม

หากนำกระบวนการนี้มาหมุนเวียนและจัดการการถ่ายเทความร้อนระหว่างด้านร้อนและด้านเย็น ระบบก็สามารถทำหน้าที่เหมือน ฮีตปั๊มหรือเครื่องทำความเย็น ได้

ความแตกต่างจากระบบ HVAC แบบเดิม ได้แก่

• การสร้างความเย็นเกิดจาก วัสดุที่ตอบสนองต่อสนามไฟฟ้า แทนการอัดสารทำความเย็น
• โครงสร้างสามารถเป็น solid‑state ที่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวน้อยมาก
• สามารถใช้ ของเหลวที่ปลอดภัย เช่น น้ำ ในการถ่ายเทความร้อน แทนสารทำความเย็นที่มีผลต่อสภาพภูมิอากาศ

นักวิจัยของ Fraunhofer ได้พัฒนาและทดสอบต้นแบบฮีตปั๊ม electrocaloric ในโครงการวิจัยขนาดใหญ่ชื่อ ElKaWe ซึ่งรวมความร่วมมือของหลายสถาบันเพื่อพัฒนาวัสดุ โครงสร้างระบบ และต้นแบบอุปกรณ์สำหรับระบบทำความเย็นรุ่นใหม่

บทบาทของงานวิจัย Fraunhofer

เทคโนโลยีที่ Qurie กำลังพัฒนาต่อยอดจากระบบนิเวศงานวิจัยของ Fraunhofer ในด้าน caloric cooling ซึ่งรวมถึงวัสดุหลายประเภท เช่น

• electrocaloric
• magnetocaloric
• elastocaloric

Fraunhofer IPM ทำงานทั้งในด้านวัสดุศาสตร์ การจำลอง และการออกแบบระบบ เพื่อสร้าง ฮีตปั๊มและระบบทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพและไม่ต้องใช้สารทำความเย็นอันตราย

หนึ่งในความท้าทายสำคัญของระบบ solid‑state คือการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ งานวิจัยจึงมุ่งพัฒนาแนวคิดการถ่ายเทความร้อนแบบใหม่ เช่น แนวทางที่เกี่ยวข้องกับ heat pipe ขั้นสูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบโดยรวม

หากการพัฒนานี้สามารถนำไปสู่การผลิตจริงได้ ก็อาจเป็นการเปลี่ยนผ่านครั้งใหญ่จากระบบ HVAC ที่พึ่งพาคอมเพรสเซอร์มานานหลายสิบปี

การใช้งานที่อาจเกิดขึ้นก่อน

แม้เทคโนโลยี electrocaloric จะยังอยู่ในช่วงพัฒนา แต่นักวิจัยได้ระบุการใช้งานที่มีศักยภาพหลายด้าน เช่น

• ระบบทำความร้อนและความเย็นในอาคาร
• ตู้เย็นภายในบ้านและอุตสาหกรรม
• ระบบปรับอากาศในรถยนต์ โดยเฉพาะรถยนต์ไฟฟ้า

ภาคส่วนเหล่านี้มีลักษณะร่วมกันคือ

• ใช้พลังงานจำนวนมากสำหรับการทำความเย็น
• อยู่ภายใต้แรงกดดันด้านกฎระเบียบให้ลดหรือเลิกใช้สารทำความเย็นที่เป็นอันตรายต่อสภาพภูมิอากาศ

สำหรับสตาร์ตอัปอย่าง Qurie การเริ่มต้นเชิงพาณิชย์มักจะเน้นตลาดที่ ต้องการระบบขนาดกะทัดรัด เสียงเงียบ และมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบของเทคโนโลยี solid‑state

ทำไมเทคโนโลยีทำความเย็นเชิงลึกจึงได้รับการลงทุน

การนำเทคโนโลยีทำความเย็นแบบใหม่ออกสู่ตลาดต้องใช้เวลาและเงินลงทุนสูง เพราะต้องผสานหลายสาขาเข้าด้วยกัน ทั้งวัสดุศาสตร์ วิศวกรรมระบบ และการผลิต

ในเยอรมนี สตาร์ตอัป deep‑tech มักได้รับการสนับสนุนจากกองทุนที่เชื่อมโยงกับสถาบันวิจัย เช่น

• High‑Tech Gründerfonds (HTGF) นักลงทุน seed ที่มีบทบาทสำคัญในยุโรปสำหรับสตาร์ตอัปเทคโนโลยีขั้นสูง
• Tech‑Transfer Fund TT49 กองทุนที่ช่วยสนับสนุนสตาร์ตอัปที่เกิดจากงานวิจัยให้ผ่านช่วงพัฒนาเทคโนโลยีที่ยาวนาน
• โครงการสนับสนุนของรัฐบาลเยอรมนีที่มุ่งเพิ่มการนำงานวิจัยไปใช้เชิงพาณิชย์และสร้างสตาร์ตอัปใหม่

เงินลงทุนและเครือข่ายเหล่านี้ช่วยให้เทคโนโลยีอย่าง electrocaloric cooling สามารถก้าวจากต้นแบบในห้องทดลองไปสู่ระบบที่ผลิตได้จริง

ภาพใหญ่ของนวัตกรรมในระบบทำความเย็น

การทำความร้อนและความเย็นคิดเป็นสัดส่วนพลังงานจำนวนมากของโลก การเพิ่มประสิทธิภาพในภาคส่วนนี้จึงเป็นกุญแจสำคัญของการเปลี่ยนผ่านพลังงาน ฮีตปั๊มเองก็ถูกมองว่าเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับระบบพลังงานที่ใช้ไฟฟ้าจากแหล่งหมุนเวียน

ระบบ electrocaloric เป็นหนึ่งในแนวทาง solid‑state cooling ที่กำลังถูกวิจัยเพื่อเป็นผู้สืบทอดเทคโนโลยีคอมเพรสเซอร์แบบดั้งเดิม แม้จะยังอยู่ในช่วงพัฒนา แต่ความก้าวหน้าในวัสดุศาสตร์ การจัดการความร้อน และการออกแบบระบบ ทำให้เทคโนโลยีทำความเย็นไร้สารทำความเย็นมีโอกาสเกิดขึ้นจริงในทศวรรษหน้า

หากสตาร์ตอัปอย่าง Qurie สามารถเปลี่ยนต้นแบบทางวิจัยให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตได้ในระดับอุตสาหกรรม ก็อาจเปลี่ยนวิธีที่อาคาร รถยนต์ และเครื่องใช้ไฟฟ้าจัดการกับความร้อนในอนาคตได้อย่างสิ้นเชิง