น.ส.ศุภวรรณ  ศรีจันทร์ : วิศวกร

  สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน(องค์การมหาชน)

            เมื่อร้อยกว่าปีมาแล้ว ในคืนวันที่ 10 กรกฎาคม ค.ศ.1908 ณ ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยไลเดน ประเทศเนเธอร์แลนด์ ศาสตราจารย์ ไฮเค คาเมอร์ลิงห์-ออนเนส (Heike Kamerlingh- Onnes)  กำลังจับตามองค่าอุณหภูมิที่ค่อยๆลดลงจนคงที่ที่ประมาณ 4 เคลวิน หรือ -268.5 องศาเซลเซียส ในเวลานั้นห้องทดลองแห่งนี้เรียกได้ว่าเป็นสถานที่ที่หนาวเย็นที่สุดในโลก เนื่องจากก๊าซฮีเลียมถูกทำให้เป็นของเหลวได้เป็นครั้งแรกซึ่งเป็นก๊าซเหลวที่มีจุดเดือดต่ำที่สุด โดยก่อนหน้านั้นได้มีการทำไฮโดรเจนเหลว ออกซิเจนเหลว ไนโตรเจนเหลวมาแล้ว สำหรับการผลิตฮีเลียมเหลวครั้งแรกนี้แม้ว่าจะได้ปริมาณเพียงแค่ถ้วยเล็กๆ แต่ก็นำไปสู่การเริ่มต้นของวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์อุณหภูมิเย็นยวดยิ่งหรือ Cryogenics และการค้นพบสภาวะตัวนำยวดยิ่ง หรือ Superconductivity ที่มีคุณประโยชน์ในปัจจุบัน 

รูปที่ 1 ศาสตราจารย์ไฮเค คาเมอร์ลิงห์-ออนเนส กับระบบผลิตฮีเลียมเหลวเครื่องแรกของโลก เมื่อปี ค.ศ. 1911

            ความสำเร็จในการผลิตฮีเลียมเหลวของ คาเมอร์ลิงห์-ออนเนส ต้องใช้เวลาในการเตรียมการทดลองถึง 7 ปี โดยพยายามแก้ไขปัญหาต่างๆที่เกิดขึ้นในระบบ ไม่ว่าจะเป็นการทำให้ก๊าซฮีเลียมบริสุทธิ์เพียงพอ การควบคุมปริมาณการใช้ก๊าซฮีเลียม การป้องกันการรั่วไหลของระบบอัดและระบบส่งก๊าซฮีเลียม การปรับปรุงอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนและภาชนะบรรจุก๊าซเหลว สิ่งสำคัญคือความเข้าใจคุณสมบัติและพฤติกรรมของของไหลที่อุณหภูมิต่ำ การผลิตฮีเลียมเหลวประสบความสำเร็จโดยการนำก๊าซฮีเลียม 7 ลิตร ที่ผ่านการลดอุณหภูมิลงด้วยไฮโดรเจนเหลวจนถึง 15 เคลวิน หรือ -258 องศาเซลเซียส และมีความดัน 100 บรรยากาศ มาปล่อยให้ผ่านรูพรุนออกสู่ภาชนะที่มีความดัน 1 บรรยากาศ การขยายตัวอย่างรวดเร็วทำให้อุณหภูมิของก๊าซลดต่ำลง และเมื่อนำก๊าซฮีเลียมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก มาผ่านรูพรุนซ้ำแล้วซ้ำอีกร่วม 20 ครั้ง จึงได้ฮีเลียมเหลวปริมาณ 60 มิลลิลิตร ที่อุณหภูมิ 4 เคลวิน

รูปที่ 2 ปัจจุบันอุปกรณ์หลักของระบบผลิตฮีเลียมเหลวในยุคเริ่มต้นของ คาเมอร์ลิงห์-ออนเนส ยังถูกเก็บรักษาไว้เป็นอย่างดีและจัดแสดง

ณ ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยไลเดน ประเทศเนเธอร์แลนด์

รูปที่ 3 ภาพร่างแสดงระบบผลิตฮีเลียมเหลวโดย คาเมอร์ลิงห์-ออนเนส (สีเขียวแสดงระบบหมุนเวียนของไฮโดรเจนและสีแดงแสดงระบบหมุนเวียนของฮีเลียม)

 จัดแสดงที่มหาวิทยาลัยไลเดน ประเทศเนเธอร์แลนด์

            การผลิตฮีเลียมเหลวในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยไลเดน ในยุคแรกนั้น อุปกรณ์หลักได้แก่ เครื่องอัดก๊าซของ Cailletet ที่สร้างโดย Louis-Paul Cailletet ในปี ค.ศ. 1883 ซึ่งเป็นเครื่องอัดก๊าซแบบใหม่ที่มีประสิทธิภาพ  แต่ประสบปัญหาการปนเปื้อนสารกลีเซอรีนในก๊าซฮีเลียมซึ่งในที่สุดก็ถูกปรับปรุงให้สามารถอัดก๊าซฮีเลียมที่มีความบริสุทธิ์เพียงพอได้ และอุปกรณ์ที่เรียกว่า Dewar หรือภาชนะบรรจุก๊าซเหลวหุ้มสุญญากาศ ที่สร้างโดย James Dewar ในปี ค.ศ. 1898 ซึ่งการทดลองครั้งนี้ได้เปลี่ยนวัสดุที่ใช้มาเป็นแก้วเพื่อให้มองเห็นขั้นตอนเมื่อก๊าซฮีเลียมถูกทำให้เป็นของเหลว และก๊าซฮีเลียมที่ใช้ในครั้งแรกนั้นได้จากแร่โมนาไซท์ ซึ่งภายหลังในปี ค.ศ. 1919 ก๊าซฮีเลียมสามารถผลิตได้จากการแยกก๊าซธรรมชาติและปัจจุบันมีการผลิตมากที่สุดในประเทศสหรัฐอเมริกา

รูปที่ 4 เครื่องอัดก๊าซ Cailletet Compressor ที่ใช้ในระบบอัดและส่งก๊าซฮีเลียม จัดแสดงที่มหาวิทยาลัยไลเดน ประเทศเนเธอร์แลนด์

รูปที่ 5 อุปกรณ์ Dewar ในระบบผลิตฮีเลียมเหลวของ คาเมอร์ลิงห์-ออนเนส จัดแสดงที่ มหาวิทยาลัยไลเดน ประเทศเนเธอร์แลนด์ 

            ในปัจจุบันระบบผลิตฮีเลียมเหลวได้พัฒนาให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อรองรับการนำไปใช้ประโยชน์ด้านงานวิจัยทางฟิสิกส์ การแพทย์ เทคโนโลยีอวกาศ และการคมนาคมขนส่ง โดยปัจจุบันผู้ครองตลาดระบบผลิตฮีเลียมเหลว 2 รายใหญ่ของโลก คือ Air Liquide SA ประเทศฝรั่งเศส และ Linde Kryotechnik AG ประเทศเยอรมนี

            สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน(องค์การมหาชน) ได้ดำเนินการติดตั้งและทดสอบระบบผลิตฮีเลียมเหลวร่วมกับ Air Liquide Advanced Technologies ประเทศฝรั่งเศส เพื่อผลิตฮีเลียมเหลวให้กับแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง(Superconducting Wavelength Shifter) ในการผลิตรังสีเอ็กซ์ในย่านพลังงานสูงจากเครื่องกำเนิดแสงสยาม ซึ่งเป็นระบบผลิตฮีเลียมเหลวแห่งเดียวในประเทศไทย สามารถผลิตฮีเลียมเหลวได้ครั้งแรกเมื่อวันที่ 15 เมษายน 2552  มีอัตราการผลิตฮีเลียมเหลว 20 ลิตรต่อชั่วโมง โดยระบบจะทำการจ่ายฮีเลียมเหลวให้กับแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่งที่ทำงานภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำที่ 4.5 เคลวิน  หรือ  – 269 องศาเซลเซียส ระบบผลิตฮีเลียมเหลวนี้เป็นระบบที่ออกแบบมาเฉพาะเพื่อให้สามารถควบคุมคุณภาพของฮีเลียมเหลวให้ได้ตามมาตรฐานที่ต้องการ และเป็นระบบปิดสามารถนำก๊าซฮีเลียมที่ผ่านการใช้งานหมุนเวียนกลับมาผลิตเป็นฮีเลียมเหลวได้อีก

รูปที่ 6 อุปกรณ์หลักของระบบผลิตฮีเลียมเหลวของสถาบันฯ ได้แก่ Main Compressor, Recovery Compressor, Oil Removal System และ Gas Dryer

รูปที่ 7อุปกรณ์หลักของระบบผลิตฮีเลียมเหลวของสถาบันฯ ได้แก่ Cold Box และ Main Dewar     

รูปที่ 8 สถาบันฯ ได้ดำเนินการออกแบบและติดตั้งระบบท่อส่งก๊าซฮีเลียม

รูปที่ 9 แสดงระบบผลิตฮีเลียมเหลวของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) 

            จากรูปที่ 9 การผลิตฮีเลียมเหลวเริ่มจากเครื่องอัดก๊าซฮีเลียม (Main Compressor)จะนำก๊าซฮีเลียมจากถังเก็บก๊าซ(Buffer Tank) ขนาดบรรจุ 200 ลูกบาศก์เมตรผ่านระบบท่อส่งก๊าซฮีเลียมที่มีความยาว 80 เมตร ผ่านเข้าสู่ระบบแลกเปลี่ยนความร้อนหรืออุปกรณ์ที่เรียกว่า Cold Box เมื่อก๊าซฮีเลียมกลายเป็นฮีเลียมเหลวจะนำส่งไปเก็บไว้ที่อุปกรณ์ Dewar ความจุปริมาตร 500 ลิตร เพื่อเตรียมจ่ายฮีเลียมเหลวให้กับแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง สำหรับก๊าซฮีเลียมที่ผ่านการใช้งานทั้งหมดจะถูกเก็บไว้ในถุงเก็บก๊าซ(Gas Bag) ขนาด 100 ลูกบาศก์เมตร เพื่อส่งกลับผ่านเครื่องอัดก๊าซมาเก็บไว้ในถังเก็บก๊าซความดันสูงก่อนที่จะผ่านกระบวนการทำให้ก๊าซฮีเลียมบริสุทธิ์ให้ได้ตามมาตรฐานแล้วนำกลับมาผลิตเป็นฮีเลียมเหลวอีกครั้ง

            ในปัจจุบัน ระบบผลิตฮีเลียมเหลวของสถาบันฯอยู่ระหว่างการพัฒนาเพื่อรองรับการจ่ายฮีเลียมเหลวแบบต่อเนื่องให้กับแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่งซึ่งอยู่ระหว่างการปรับปรุงเพื่อเตรียมติดตั้งในวงกักเก็บอิเลคตรอน โดยในระยะเวลาตั้งแต่เริ่มการทดสอบและติดตั้งระบบผลิตฮีเลียมเหลวจนถึงปัจจุบัน สถาบันฯสามารถแก้ไขปัญหาต่างๆที่เป็นสาเหตุให้ระบบหยุดการเดินเครื่องชั่วคราว และได้รวบข้อมูลปัญหาและการแก้ไขเพื่อพัฒนาให้ระบบผลิตฮีเลียมเหลวสามารถรองรับการจ่ายฮีเลียมเหลวให้กับแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่งได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ 

          สำหรับการประยุกต์ใช้ฮีเลียมเหลวเพื่องานวิจัยด้านวิทยาศาสตร์ต่างๆทั่วโลกได้ขยายตัวอย่างรวดเร็วตั้งแต่ปี ค.ศ. 1980 เป็นต้นมา รวมทั้งด้านฟิสิกส์เครื่องเร่งอนุภาค โดยในปี ค.ศ. 2008 ได้มีการก่อสร้างและติดตั้งเครื่องเร่งอนุภาค LHC (Large Hadron Collider) ที่สถาบันวิจัย CERN ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ ซึ่งเป็นงานวิจัยที่ใช้ปริมาณฮีเลียมเหลวมากที่สุดในโลก โดยใช้ฮีเลียมเหลวปริมาตร 1,100,000 ลิตร เพื่อหล่อเย็นแม่เหล็กตัวนำยวดยิ่งพลังงานสนามแม่เหล็ก 3 เทสลา น้ำหนักแม่เหล็กทั้งหมด 36,000 ตัน ทำให้ต้องมีการติดตั้งระบบผลิตฮีเลียมเหลวจากทั้ง Air Liquide และ Linde 

          นอกจากนี้ ฮีเลียมเหลวได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีด้านต่างๆ เช่น Cooling detector technology, nuclear fusion research และ MRI imaging เป็นต้น

รูปที่ 10 แม่เหล็กกึ่งยวดยิ่งเครื่องเร่งอนุภาค LHC ในอุโมงค์ความยาว 26 กิโลเมตร

รูปที่ 11 อุปกรณ์ Cold Box ของ Air Liquide เพื่อผลิตฮีเลียมเหลวให้กับเครื่องเร่งอนุภาค LHC 

รูปที่ 12 อุปกรณ์ Cold Box ของ Linde เพื่อผลิตฮีเลียมเหลวให้กับเครื่องเร่งอนุภาค LHC 

            นอกจากนี้ ฮีเลียมเหลวได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีด้านต่างๆ เช่น Cooling detector technology, nuclear fusion research และ MRI imaging เป็นต้น

 

รูปที่ 13 ฮีเลียมเหลวใช้หล่อเย็น SQUID-base RF mixer ของ ALMA: Atacama Large Millimeter Array เป็นแถวกล้องโทรทรรศน์วิทยุช่วงคลื่นเป็นมิลลิเมตรขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ติดตั้งบริเวณทะเลทราย อะตาคามา ทางตอนเหนือของประเทศชิลี เพื่อศึกษาเอกภพจากการรวมแถวกล้องรับคลื่นวิทยุขนาดใหญ่ช่วงมิลลิเมตร กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดนี้จะสามารถสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าได้รายละเอียดมาก

 

รูปที่ 14 ฮีเลียมเหลวใช้หล่อเย็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้เทคโนโลยีฟิวชันของ ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor ตั้งอยู่ที่เมือง Cadarache ประเทศฝรั่งเศสเพื่อทำให้เกิดปฏิริยานิวเคลียร์บนโลกแบบเดียวกับปฏิกิริยาที่ให้พลังงานออกมาจากดวงอาทิตย์หรือดาวฤกษ์ 

 

รูปที่ 15 ฮีเลียมเหลวใช้หล่อเย็นวัสดุตัวนำยวดยิ่งที่ใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงในอุปกรณ์ถ่ายภาพอวัยวะภายในของร่างกาย

ที่เรียกว่า Magnetic Resonance Imaging (MRI)

แม้ว่าการค้นพบวัสดุตัวนำยวดยิ่งที่ทำจากเซรามิคตั้งแต่ปี ค.ศ. 1986 ซึ่งเป็นวัสดุตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่สามารถทำงานภายใต้สภาวะอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวที่มีจุดเดือดสูงกว่าฮีเลียมเหลว จะทำให้การใช้งานตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง เริ่มมีมากขึ้นโดยเฉพาะในงานด้านสายส่งกระแสไฟฟ้าที่ใช้พลังงานสนามเหล็กไม่เกิน 1 เทสลา แต่อย่างไรก็ตามเครื่องมือ MRI หรืออุปกรณ์ที่ใช้สนามแม่เหล็กพลังงานสูง ก็ยังต้องทำงานที่อุณหภูมิของฮีเลียมเหลวและมีความต้องการใช้งานอย่างต่อเนื่องในปัจจุบัน

 

แหล่งที่มา 

1. D. van Deft, Physics Today: Little cup of helium, big science! , American Institute of Physics, March 2008, p36-42.
2. ภาพประกอบเรื่องจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยไลเดน ประเทศเนเธอร์แลนด์ ถ่ายภาพโดย นางสาวศุภวรรณ ศรีจันทร์ เมื่อวันที่ 23 กันยายน พ.ศ. 2554
3. Lebrun Ph.: Cryogenics, key to Advanced Science and Technology, Bulletin of the IIR – No.2003-5.
4. Scurlock RG., The Centenary of the First Liquefaction of Helium, Bulletin of the IIR – No.2008-6.
5. ข้อมูลจากเวบไซต์https://sites.google.com/site/thinkstars/hmwdklxngthorthrrsn/alm
6. ข้อมูลจากเวบไซต์ http://www.nst.or.th/article/article492/article49201.html
7. ภาพประกอบข้อมูลระบบผลิตฮีเลียมเหลวโดยนายวิศิษฎ์ชัย สุขศรีเมือง สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)