ประวัติย่นย่อของไฟฟ้าและกังหันลม

เรื่องโดย ผศ. ดร.ภาณุ ตรัยเวช

คนปัจจุบันตระหนักในปัญหาภาวะโลกร้อนเป็นอย่างดี มีเสียงเรียกร้องให้นักวิทยาศาสตร์หาแหล่งพลังงานทางเลือกใหม่ ๆ นอกเหนือไปจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ไม่ว่าจะเป็นแสงอาทิตย์ ปรมาณู หรือพลังงานจากสายลม คนทั่วโลกต่างกลั้นหายใจรอ เมื่อไหร่บรรดายอดวิศวกรจะหาหนทางช่วยโลกเราจากภัยพิบัติคราวนี้ได้

แต่รู้หรือไม่ว่าในความเป็นจริงพลังงานไฟฟ้าจากสายลมไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ พลังงานลมมีประวัติศาสตร์ยาวนาน เอาเข้าจริงแทบไม่แตกต่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเลย และครั้งหนึ่งมันเคยเกือบเป็นพลังงานทางเลือกหลักของมนุษยชาติเลยด้วยซ้ำ

มนุษย์รู้จักพลังงานไฟฟ้าตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 19 และรู้จักพลังงานลมก่อนหน้านั้นหลายศตวรรษ ใบเรือใช้พลังงานลมผลักยานพาหนะไปข้างหน้า กังหันลมช่วยให้มนุษย์เก็บเกี่ยวพลังงานลมมาแปรใช้ประโยชน์ด้านการเกษตร เช่น บดเมล็ดพันธุ์ สูบน้ำออกจากไร่นา คนแรกที่ใช้สายลมผลิตไฟฟ้าคือนักวิทยาศาสตร์ชาวสกอตแลนด์ เจมส์ ไบลท์ (James Blyth) ในปี ค.ศ. 1887 เขาต่อกังหันลมเข้ากับแม่เหล็กไดนาโม ปั่นกระแสไฟฟ้าออกมาได้สำเร็จ ไบลท์ใช้ไฟฟ้ากับหลอดไฟในบ้าน ถึงกระนั้นก็ยังมีพลังงานเหลือพอติดหลอดไฟให้ถนนทั้งสายในเมืองเล็กๆ จนผู้คนขนานนามกังหันลมของเขาว่า “เครื่องมือของปีศาจ”

นักประดิษฐ์ที่คิดค้นหลอดไฟคือ ทอมัส เอดิสัน (Thomas Edison) ชาวอเมริกัน ก่อนหน้านั้นในปี ค.ศ. 1882 เอดิสันเพิ่งลงทุนสร้างโรงงานไฟฟ้าพลังงานถ่านหินแห่งแรกของโลก เท่ากับว่าพลังงานไฟฟ้าจากสายลมมีอายุน้อยกว่าพลังงานไฟฟ้าจากถ่านหินแค่ห้าปีเท่านั้นเอง

กังหันผลิตไฟฟ้ายุคแรก ๆ คือเอาไดนาโมมาต่อเข้ากับกังหันลมเพื่อการเกษตร
ที่มาภาพ : Wikimedia

ไม่กี่เดือนหลังจากที่ไบรท์ประดิษฐ์กังหันลมได้สำเร็จ ชาลส์ บรัช (Charles Brush) วิศวกรชาวอเมริกันก็ผลิตกระแสไฟฟ้าจากกังหันลมได้เช่นกัน ในทางประวัติศาสตร์ต้องถือว่าไบลท์เข้าเส้นชัยก่อนบรัช แต่ในทางปฏิบัติ กังหันลมผลิตไฟฟ้าของบรัชมีประสิทธิภาพมากกว่า ไบลท์ใช้กังหันลมที่มีแกนหมุนตั้งฉากกับพื้น ส่วนบรัชใช้กังหันลมที่มีแกนหมุนขนานกับพื้น ซึ่งเป็นรูปแบบที่ใกล้เคียงกับกันหันในปัจจุบันมากกว่า

อันที่จริงบรัชไม่ต้องสร้างกังหันลมอะไรขึ้นมาใหม่เลยด้วยซ้ำ เขาใช้กังหันลมเดิมสำหรับโม่บดเมล็ดพันธุ์ที่กระจายตัวอยู่ตามชนบทของประเทศอเมริกา บรัชเชื่อว่าเราไม่จำเป็นต้องสร้างโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่แบบเอดิสัน แค่ดัดแปลงเอากังหันลมที่มีอยู่ทุกหนทุกแห่งมาปั่นสร้างพลังงานไฟฟ้า แค่นี้ชาวชนบทของอเมริกาก็จะเข้าถึงพลังงานอันแสนวิเศษนี้แล้ว

อย่างไรก็ดีข้อเสนอนี้ไม่ได้รับการตอบสนองโดยรัฐบาล พลังงานลมมีข้อเสียที่แก้ไขไม่ได้ก็คือ ความแรงไฟฟ้าขึ้นกับความแรงลม คาดเดาไม่ได้ ติด ๆ ดับ ๆ ตามแต่ธรรมชาติจะประทานพร ปัญหาถัดมาคือพลังงานที่ได้ยังต่ำเกินไป มากสุดที่กังหันลมจะผลิตไฟฟ้าออกมาได้คือ 12 กิโลวัตต์ (ปัจจุบันบ้านหลังหนึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าโดยเฉลี่ย 2 กิโลวัตต์)

กังหันลมของลาคูร์
ที่มาภาพ : Wikimedia

เทคโนโลยีกังหันลมพัฒนาอย่างก้าวกระโดดอีกครั้งโดย โพล ลาคูร์ (Poul la Cour) นักอุตุนิยมชาวเดนมาร์ก ลาคูร์สร้างกังหันลมเครื่องแรกในเดนมาร์กปี ค.ศ. 1891 เขาพบว่า กังหันลมเพื่อการเกษตรแบบของบรัชจะเน้นแรงบดแรงสูบ แต่กังหันลมที่จะผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพจริง ๆ ต้องเน้นความเร็วการหมุน ลาคูร์คิดสูตรและสมการอธิบายการแปลงพลังงานลมเป็นพลังงานไฟฟ้า

ลาคูร์ค้นพบวิธีสะสมพลังงานแทนที่จะให้กังหันผลิตไฟฟ้าเพื่อใช้งานโดยตรง เขาเอาไฟฟ้าที่ได้มาแยกน้ำเป็นแก๊สออกซิเจนและไฮโดรเจนก่อน จากนั้นค่อยเอาออกซิเจนไปจุดไฟสร้างพลังงานอีกทีหนึ่ง แต่ปัญหาของวิธีการนี้คือ ออกซิเจนที่แยกออกมา ถ้าไม่บริสุทธิ์จริง ๆ มีไฮโดรเจนปะปนอยู่ พอเอาไปจุดไฟจะเกิดอันตรายได้ เครื่องผลิตกระแสไฟฟ้าของลาคอร์ที่ติดตั้งในโรงเรียนมัธยมแห่งหนึ่งเกิดระเบิดขึ้นมา แม้ไม่มีใครบาดเจ็บ แต่เจ้าตัวก็รู้สึกผิดจนไม่กล้าเอาเทคโนโลยีตัวนี้ไปพัฒนาต่อ

ลาคูร์เป็นนักวิทยาศาสตร์ผู้มีวิสัยทัศน์ที่สุดคนหนึ่ง นอกจากจะพัฒนาพลังงานลมแล้ว เขายังฉลาดพอที่จะรู้ว่าต่อให้พัฒนาอย่างไร พลังงานลมก็จะสู้เชื้อเพลิงฟอสซิลไม่ได้ ทั้งในแง่ของราคาและประสิทธิภาพ อย่างไรก็ดีเชื้อเพลิงฟอสซิลมีวันหมด ลมไม่มีหมด สักวันหนึ่งลมจะกลายเป็นพลังงานทางเลือกที่คุ้มค่ายิ่งกว่า ด้วยเหตุนี้ลาคูร์ยังใช้เวลา พลังงาน และงบประมาณไปกับการฝึกฝนและถ่ายทอดวิชาให้คนรุ่นใหม่

กังหันลมยังพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ช่วงสงครามโลกครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์พบว่า กังหันที่เหมาะที่สุดสำหรับปั่นไฟ คือกังหันแบบเดียวกับที่ติดเครื่องบินนั่นเอง ควร์ท บีเลา (Kurt Bilau) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันหลงใหลกังหันลมมาก ๆ เขาหาวิธีดัดแปลงกังหันลมโบราณให้หมุนด้วยพลังงานและความเร็วมากที่สุด บีเลาค้นพบว่า แค่เอาแผ่นเหล็กมาประกอบเข้ากับกังหันไม้ดั้งเดิมก็ช่วยให้กังหันหมุนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นห้าเท่า เขาเดินทางไปทั่วชนบทของเยอรมนี พลิกฟื้นคืนชีวิตให้กังหันลม อย่างไรก็ดีช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เขาสนับสนุนลัทธินาซี ชื่อของเขาเลยถูกลบหายไปจากประวัติศาสตร์

กังหันลมที่เหมาะกับการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่สุด คือ กังหันเครื่องบิน
ที่มาภาพ : wikipedia

ช่วงสงครามโลกครั้งที่สองอีกเช่นกันที่ โยฮันเนส ยูล (Johannes Juul) ลูกศิษย์ของลาคูร์สานต่องานของอาจารย์ เพราะเดนมาร์กถูกกองทัพเยอรมันยึดครอง ผู้คนไม่สามารถนำเข้าถ่านหินมาผลิตกระแสไฟฟ้าได้ หน้าที่การผลิตกระแสไฟฟ้าหลักช่วงสงครามตกเป็นของกังหันลม ยูลใช้ความรู้ที่ร่ำเรียนมาจากลาคูร์บริหารจัดการพลังงาน และแม้สงครามจะสิ้นสุดลงไปแล้ว เขายังคงคิดค้นเทคนิคใหม่ ๆ สำหรับผลิตกระแสไฟฟ้า

หนึ่งในนั้นคือ การถ่วงกังหัน ถ้าลมพัดกังหันแรงเกินกว่าที่มันจะหมุนทัน ความเร็วกังหันจะไม่เพิ่มขึ้น ในระยะแรกอุบัติเหตุเครื่องบินตกก็เกิดจากปรากฏการณ์ที่ว่า ยูลดัดแปลงแนวคิดตรงนี้มาใช้กับการผลิตกระแสไฟฟ้า ถ้ากังหันหมุนด้วยภาวะการถ่วงตลอดเวลา มันจะหมุนด้วยความเร็วสูงสุดคงที่ โดยไม่ต้องสนใจว่าลมพัดแรงแค่ไหน ข้อเสียก็คือ โครงสร้างเหล็กต้องรับภาระมหาศาล กังหันจะมีอายุการใช้งานสั้น

ช่วงทศวรรษ 70 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบว่า วิธีติดตั้งกังหันลมให้มีประสิทธิภาพที่สุด ไม่ใช่การติดเดี่ยว ๆ ชุมชนใครชุมชนมัน แต่ต้องเอากังหันจำนวนมากมาอยู่รวมกัน เรียกว่า วินด์ฟาร์ม (wind farm) ถ้าทำแบบนี้จะป้อนไฟฟ้าจากโรงงานลมเข้าเครือข่ายสายไฟ และจ่ายออกตามบ้านคนได้อย่างง่ายดายกว่า

ปัจจุบันโดยเฉลี่ยกังหันลมทั้งโลกผลิตพลังงานไฟฟ้ารวม 600 กิกะวัตต์ สามารถหล่อเลี้ยงบ้านได้ 300 ล้านหลัง (จากบ้านทั้งหมด 2,000 ล้านหลังทั่วโลก) คำทำนายของลาคูร์ใกล้จะเป็นจริงแล้ว เชื้อเพลิงฟอสซิลยังไม่หมดไป แต่เพราะวิกฤตภาวะโลกร้อน มนุษย์จึงได้เรียนรู้ว่าเราไม่สามารถพึ่งพาเชื้อเพลิงไปได้ตลอด เทคโนโลยีกังหันลมผ่านการพัฒนามาอย่างยาวนาน มีอุปสรรคมากมาย แต่นักวิทยาศาสตร์ผู้ศรัทธาก็ช่วยประคับประคองมันมาได้ สักวันหนึ่งกังหันลมจะเป็นพลังงานทางเลือกที่สำคัญอีกประเภทสำหรับมนุษยชาติ