นักวิทยาศาสตร์ที่สหรัฐอเมริกามีไอเดียเจ๋งๆ คิดค้นวิธีการทำให้รองเท้ากลายเป็นเครื่องช่วยชาร์จแบตเตอรี่ ทำให้ทุกย่างก้าวที่เราเดินคือ การชาร์จแบตเตอรี่ที่พร้อมจะเอาไปต่อกับอุปกรณ์ต่างๆ อย่างโทรศัพท์มือถือได้

นวัตกรรมนี้เกิดขึ้นจากไอเดียของทีมวิศวกรรมเครื่องกล มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน นำโดย ทอม ครูเพนคิน ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล และ เจ. แอชลีย์ เทย์เลอร์ นักวิทยาศาสตร์ประจำศูนย์วิจัย โดยได้รายงานการค้นพบนี้ในวารสารวิชาการ Scientific Reports เผยถึงเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานจากการเคลื่อนไหวของมนุษย์เพื่อต่อยอดเป็นพลังงานให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่อไป และในอนาคตอันใกล้ก็อาจจะนำไปฝังอยู่ในรองเท้าเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานจากการเดินของมนุษย์ และใช้งานภายหลังได้

และยังถือเป็นหนึ่งในความภาคภูมิใจของคนไทยอีกด้วย เมื่อหนึ่งในทีมวิจัยนั้นคือ ดร.สุพล มนะเกษตรธาร แห่งศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติที่ได้มีส่วนร่วมในงานวิจัยชิ้นนี้ในสมัยที่กำลังศึกษาระดับปริญญาเอกอยู่ที่มหาวิทยาลัยแห่งนี้

รองเท้าให้กำเนิดพลังงานนี้อาจจะนำไปใช้ในทางทหารได้ เช่น แทนที่ทหารจะต้องแบกแบตเตอรี่หนัก ๆ เพื่อไปนำใช้อุปกรณ์วิทยุสื่อสาร หน่วย GPS และแว่นไฟฟ้า ก็เปลี่ยนมาเป็นการใช้ไฟฟ้าจากรองเท้าแทน หรืออาจจะนำไปประยุกต์ใช้ในประเทศกำลังพัฒนาที่ขาดแคลนไฟฟ้าด้วยก็ได้

"การเดินของมนุษย์มีพลังงานมหาศาล ตามทฤษฎีแล้วรองเท้าข้างหนึ่งจะมีพลังงานสะสมอยู่ 10 วัตต์จากการเดิน ซึ่งส่วนใหญ่ก็จะเสียไปในรูปแบบของความร้อน พลังงาน 20 วัตต์นี้ไม่ใช่เล็กน้อยเลยถ้าเทียบกับพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์สมัยใหม่ต้องการ" ศาสตราจารย์ครูเพนคินเผย

ศาสตราจารย์ครูเพนคินเผยว่า การจับเอาพลังงานปริมาณน้อย ๆ มารวมกันนี้ก็มากเพียงพอที่จะไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าหลาย ๆอย่างทั้งสมาร์ทโฟน แทบเล็ต คอมพิวเตอร์พกพา และไฟฟ้า ที่จริงแล้วสมาร์ทโฟนนั้นต้องการใช้ไฟน้อยกว่า 2 วัตต์เสียด้วยซ้ำ

อย่างไรก็ตาม วิธีการเก็บพลังงานจากการเดินที่นักวิทยาศาสตร์เคยคิดกันมานั้นไม่ดีพอ ไม่สามารถเก็บพลังงานได้หากว่าเดินน้อยๆ กล่าวคือ ต้องเดินมาก ๆ และเดินกดลงไปแรง ๆ จึงจะได้พลังงาน

"ดังนั้น เราก็เลยคิดหาวิธีการใหม่ที่สามารถเปลี่ยนการเคลื่อนไหวเชิงกลให้เป็นพลังานไฟฟ้าที่เหมาะสมกับอุปกรณ์เหล่านี้"

นักวิทยาศาสตร์จึงใช้เทคโนโลยีเก็บพลังงานแบบใหม่ที่ใช้ประโยชน์จากหลักการ "reverse electrowetting" ซึ่งเป็นหลักการที่ทีมวิจัยกลุ่มนี้คิดค้นขึ้นในปี 2011 เป็นวิธีการเปลี่ยนพลังงานกลจากอันตรกิริยาของของเหลวนำไฟฟ้ากับพื้นผิวที่เคลือบด้วยฟิล์มนาโนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง

วิธีการ reverse electrowetting นี้สามารถให้กำลังไฟฟ้าได้ก็จริง แต่ยังต้องอาศัยแหล่งพลังงานกลที่มีความถี่สูงเพียงพอ เช่น การสั่นหรือการหมุนอย่างเร็ว

"ปัญหาก็คือ ทุกอย่างรอบตัวเรามักจะเป็นพลังงานกลที่มีความถี่ต่ำ โดยเฉพาะการเคลื่อนไหวของมนุษย์ ขณะที่เป้าหมายของเราคือการจะเก็บพลังงานจากพลังงานกลความถี่ต่ำ วิธีการ reverse electrowetting ในตอนแรกจึงไม่ได้แก้ปัญหาตรงจุดนี้"

ในการแก้ปัญหานั้น ทีมวิจัยจึงได้คิดค้นวิธีการใหม่ที่เรียกว่าวิธี bubbler คือ เป็นการผสมผสานวิธีการ reverse electrowetting กับการพองและการแตกของฟองอากาศในของเหลวนั่นเอง

อุปกรณ์ bubbler นี้ประกอบไปด้วยแผ่นแบนสองแผ่นที่แยกจากกันเพียงนิดเดียวด้วยของเหลวนำไฟฟ้า แผ่นล่างจะคลุมด้วยหลุมเล็ก ๆ ที่จะให้ความดันเพื่อให้แก๊สสร้างฟองอากาศขึ้นมา จากนั้นฟองอากาศจะโตและใหญ่ขึ้น จนกระทั่งไปชนแผ่นบนซึ่งจะทำให้ฟองอากาศแตก

เมื่อเร่งให้ฟองอากาศโตและแตกเร็ว ๆ และซ้ำๆ แบบนี้ ของเหลวนำไฟฟ้าที่อยู่ในอุปกรณ์ก็จะถูกดันกลับไปกลับมา และสร้างเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้นมานั่นเอง

"ความถี่สูงที่เราต้องใช้เพื่อสร้างพลังงานนั้นไม่ได้มาจากการเคลื่อนไหวทางกลของร่างกาย แต่มาจากอุปกรณ์ภายในผ่านวิธีการฟองอากาศ (bubbler) ของเรา" ศาสตราจารย์ครูเพนคินอธิบาย

นักวิจัยเผยว่า วิธีการนี้สามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าปริมาณสูงหลายวัตต์ได้ขึ้นกับขนาดของผิวสัมผัสนั่นคือ เราจะได้อุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าที่ทั้งเล็กและเบา สามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าได้หลากหลาย

อุปกรณ์นี้สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ถึง 10 วัตต์ต่อตารางเมตรในการทดลอง และในทางทฤษฎีนี้อาจจะเก็บได้ถึง 10 กิโลวัตต์ต่อตารางเมตรเลยก็ได้

"วิธีการเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานกลวิธีนี้ถือว่ามีศักยภาพสูงที่จะทำให้เราได้พลังงานไฟฟ้าเข้มข้นสูง"

ปัจจุบัน ศาสตราจารย์ครูเพนคินและเทย์เลอร์กำลังหาความร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรมเพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์นี้ออกสู่ตลาดพาณิชย์ โดยปัจจุบันกำลังคุยกับบริษัทสตาร์ตอัพ InStep NanoPower อยู่

อ้างอิง: University of Wisconsin-Madison. (2016, February 11). Power walk: Footsteps could charge mobile electronics. ScienceDaily. Retrieved February 14, 2016 from www.sciencedaily.com/releases/2016/02/160211090238.htm

งานวิจัย: Tsung-Hsing Hsu, Supone Manakasettharn, J. Ashley Taylor, Tom Krupenkin. Bubbler: A Novel Ultra-High Power Density Energy Harvesting Method Based on Reverse Electrowetting. Scientific Reports, 2015; 5: 16537 DOI: 10.1038/srep16537