การให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านความถี่คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ

การให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านความถี่คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ


การให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านความถี่คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ

โดย …  อ.ดร. วิบูลย์  ช่างเรือ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

การให้ความร้อนกับผลิตผลหลังการเก็บเกี่ยว ที่คุ้นเคยคือการทำแห้งผลิตผลเกษตร ซึ่งเป็นการทำแห้งผลิตผลสดมีวัตถุประสงค์เพื่อการเก็บรักษาผลิตผลเกษตรให้เป็นอาหารในระยะยาว นอกจากนี้ยังมีกิจกรรมให้ความร้อนที่อาจไม่คุ้นเคยนัก อาทิเช่น การทำให้ร้อนกับผลิตผลสดและตามด้วยทำให้เย็น หรือที่เรียกว่า Blanching เพื่อทำลายจุลินทรีย์หรือเพื่อทำลายเอนไซม์บางชนิดที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีของผลิตผลสด นอกจากนี้การให้ความร้อนยังอาจมีวัตถุประสงค์เฉพาะเพื่อการทำลายแมลงและไข่แมลง เทคนิคการให้ความร้อนที่ใช้กันโดยทั่วไปคือการให้ความร้อนโดยอาศัยลมหรือน้ำเป็นตัวกลางในการพาความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อนไปยังผลิตผลเกษตร ซึ่งวิธีที่นิยมใช้กันโดยทั่วไปนี้ ความร้อนจะเกิดที่บริเวณผิวของวัสดุและค่อยแพร่ไปยังศูนย์กลางของวัสดุ ระยะเวลาในการให้ความร้อนขึ้นกับสมบัติทางความร้อนของวัสดุ และความสามารถในการนำความร้อนของอากาศและน้ำ

การให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคำที่ไม่คุ้นเคยนัก แต่ถ้าบอกว่าการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟ ฟังดูจะเป็นที่คุ้นเคยเพราะปัจจุบัน การใช้ตู้อบไมโครเวฟมีใช้กันจนเหมือนเป็นเครื่องใช้ประจำบ้านอย่างหนึ่ง เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่สามารถทำให้วัสดุร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นที่รับรู้และยอมรับกันโดยทั่วไป นอกจากนี้ยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านความถี่วิทยุ (Radio Frequency) ซึ่งอาจไม่เป็นที่รู้จักกันว่าสามารถให้ความร้อนได้ แต่ในความจริงก็สามารถทำให้เกิดความร้อนได้ด้วยหลักการเดียวกับไมโครเวฟ หลักการเดียวกันที่ว่านี้คือทำให้โมเลกุลของสารที่มีขั้วบวกและลบ (Dipolar) ตัวอย่างเช่น น้ำ มีประจุบวกที่ H และมีประจุลบที่ O ดังนั้นเมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านสสารที่มีขั้วบวกและลบนี้ ก็ทำให้เกิดการสั่นหรือขยับตัวด้วยจำนวนครั้ง ตามความถี่ของคลื่น เช่น คลื่นไมโครเวฟ มีความถี่ 2540 MHz ก็จะทำให้โมเลกุลของน้ำสั่น 2540 ล้านครั้งภายใน 1 วินาที ซึ่งผลจากการสั่นนี้ก็จะทำให้เกิดความร้อนอันเนื่องจากความเสียดทานที่เป็นผลของการสั่นของโมเลกุล นอกจากโมเลกุลแบบมีขั้นแล้ว อนุมูลอิสระที่มีประจุบวกหรือลบ เช่น Fe2+, Al3+ เมื่ออยู่ในสนามคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะขยับตัวตามความถี่ของคลื่น และการขยับตัวนี้ก็ทำให้เกิดความร้อนเช่นเดียวกัน ความร้อนที่เกิดจาการสั่นของโมเลกุลนี้จะเกิดความร้อนพร้อมกันทั้งภายนอกและภายในมวลวัสดุทำให้มีชื่อเรียกการให้ความร้อนแบบนี้ว่า Volumetric heating จากหลักการที่กล่าวข้างต้นจะเห็นได้ว่ามีเรื่องที่น่าสงสัยบางประการ ซึ่งในเนื้อหาต่อไปจะได้อธิบายข้อสงสัยตามหัวข้อต่อไปนี้

  1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร
  2. คลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุมีหลักการทำงานเดียวกันแต่มีกลไกเหมือนหรือต่างกันอย่างไร
  3. คลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุให้ผลการทำงานในการให้ความร้อนต่างกันอย่างไร
  4. ทำไมบางครั้งพบว่าการทำให้วัสดุร้อนของไมโครเวฟมีความไม่สม่ำเสมอ
  5. คุณสมบัติที่เหมาะกับงานหลังการเก็บเกี่ยว

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คืออะไร เพราะองค์ประกอบของคำ 3 คำที่ไม่น่าจะมาอยู่รวมกันได้คือ “คลื่น” “แม่เหล็ก” และ “ไฟฟ้า” ด้วยหลักการที่ว่าการเปลี่ยนแปสงสนามไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก และการเป็นแปลงสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า ดังนั้นทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจึงเหมือนเป็นคู่แฝดที่เกิดควบคู่กับไป โดยนักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ James Clerk Maxwell ชาวอังกฤษ เป็นผู้ให้ทฤษฎีของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในรูปแบบของคลื่น

ความสัมพันธ์และการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

นอกจากความสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแล้ว คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อมีความยาวคลื่นและความถี่ที่ต่างกันทำให้คุณสมบัติของคลื่นมีความต่างกัน เช่น พลังงานต่างกัน ประโยชน์การนำไปใช้ต่างกัน จึงได้มีการจัดกลุ่มดังแสดงในรูป 2

สเปคตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในรูปที่ 2 จะสังเกตได้ว่าสเปคตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีการจำแนกออกได้หลายชนิด โดยที่แสงที่เรามองเห็น (Visible light) ก็จัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยเช่นกัน แต่ละชนิดได้รับการศึกษาและนำไปใช้ประโยชน์ต่างกัน สำหรับคลื่นความถี่ย่านไมโครเวฟและวิทยุโทรทัศน์ เป็นที่รู้จักกันถึงการใช้ประโยชน์เพื่ออุปกรณ์สื่อสาร อย่างไรก็ตามเนื้อข้างต้นทำให้เราทราบเพิ่มเติมว่า ยังสามารถทำให้วัตถุร้อนได้อีกด้วย

คลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุจะใช้หลักการสั่นโมเลกุล คล้ายกันแต่กลไกในการทำให้วัตถุร้อนมีความแตกต่างกัน เพราะคลื่นไมโครเวฟมีแหล่งกำเนิดคลื่น และสามารถถูกลำเลียงในท่อ (Wave guide) จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ดังในรูป 3 ส่วนคลื่นวิทยุในกระบวนการทำความร้อนจะได้จากการทำให้เกิดสนาม ไฟฟ้าระหว่างแผ่นอิเลคโทรด (Electrode plate) ซึ่งเป็นเส้นแรงไฟฟ้าที่สลับด้วยความถี่ในย่านคลื่นความถี่วิทยุ ดังรูปที่ 4

กลไกการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ

กลไกการให้ความร้อนด้วยคลื่นวิทยุ

ผลการทำให้วัตถุร้อนของคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุมีความแตกต่างกัน ด้วยสาเหตุหลักคือ มีความถี่ต่างกัน ถึงแม้คลื่นไมโครเวฟจะมีย่านความถี่ที่กว้าง 300 MHz ถึง 300 GMz และคลื่นวิทยุมีความถี่ตั้งแต่ 530 KHz ถึง 108 MHz แต่ความถี่ที่มีการใช้กันสำหรับการให้ความร้อนสำหรับคลื่นไมโครเวฟคือ 915 MHz และ 2450 MHz ส่วนคลื่นความถี่วิทยุคือ 27 MHz และ 40 MHz ผลจากความถี่นี้ทำให้ความสามารถในการเข้าไปในเนื้อวัสดุต่างกัน Yifen et al. (2003) ได้รายงานความสามารถในการผ่านเข้าไปในเนื้อของโปรตีนที่สกัดจากนม (Whey protein gel) โดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ต่างๆ ดังแสดงในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าเมื่อความถี่มากขึ้นความสามารถในการผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุจะลดลง และยังพบอีกว่าเมื่ออุณหภูมิมากขึ้นก็ส่งผลทำนองเดียวกัน

การผ่านเข้าในเนื้อโปรตีนสกัดจากนม (Whey protein gel) เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่างกัน

การทำให้วัสดุร้อนของไมโครเวฟมีความไม่สม่ำเสมอ เป็นเรื่องที่หลายคนอาจมีประสบการณ์นี้ เพราะนอกจากความสามารถในการผ่านเข้าไปในเนื้อที่ต่างกันด้วยคุณสมบัติของคลื่นแล้ว คุณสมบัติของวัสดุก็มีผลต่อการให้ความร้อนที่ต่างกัน คุณสมบัติที่ว่านี้คือ Dielectric properties ที่ประกอบด้วย Dielectric constant และ Dielectric loss ค่าทั้งสองนี้ เป็นค่าทางไฟฟ้าที่คนส่วนใหญ่ไม่คุ้นเคยนัก หรือแม้แต่นักวิจัยที่เกี่ยวข้องกับค่าทั้งสองนี้ ก็อาจจะยังไม่มีโอกาสทำความเข้าใจอย่างกระจ่างแจ้ง แต่เพื่อให้ง่ายต่อความเข้าใจ พอสรุปได้ว่า Dielectric constant เป็นสมบัติทางไฟฟ้า (electrical properties) ของวัสดุ ที่จะบอกการตอบสนองต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ถ้ามีค่ามากจะยอมรับคลื่นได้มาก ถ้าค่าน้อยจะสะท้อนคลื่นออกมามาก ยกตัวอย่างเช่น วัสดุประเภทโลหะ ค่า Dielectric constant ต่ำ จะสะท้อนคลื่นออกมามาก น้ำมี Dielectric constant สูง จะยอมรับคลื่นไว้ได้ดีกว่า และเมื่อรับคลื่นไว้แล้ว ยังไม่สามารถสรุปได้ว่า จะเกิดความร้อนได้มากหรือน้อย เพราะยังขึ้นกับค่า Dielectric loss เพราะถ้าค่า Dielectric loss สูง จะทำให้พลังงานในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายตัวในวัตถุนั้นได้ดี เมื่อพลังงานในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายตัวได้ดีในวัสดุ ก็จะทำให้เกิดความร้อนในวัตถุที่มากขึ้น หลายคนอาจเคยมีประสบการณ์ของการเกิดความร้อนที่ไม่เท่ากัน ดังเช่นการนำซาลาเปาไส้ครีม อุ่นในเตาไมโครเวฟแล้วพบว่าครีมมีความร้อนกว่าแป้งซาลาเปา การที่เกิดความร้อนไม่สม่ำเสมอนี้มีสามารถเหตุจากคุณสมบัติ Dielectric properties ของวัสดุตอบสนองต่อคลื่นไมโครเวฟ หรือคลื่นวิทยุต่างกัน ทำให้เป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งของการให้ความร้อนแบบนี้ที่เรียกว่า Selective heating

ถ้าจะพิจารณาความเหมาะสมของการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในงานหลังการเก็บเกี่ยว พอจะสรุปได้ว่า งานที่ต้องการให้ความร้อนที่รวดเร็ว ต้องการให้ร้อนพร้อมกันทั้งภายในและภายนอกคุณสมบัติ Volumetric heating ของการให้ความร้อนด้วยเทคนิคนี้จะช่วยได้ และจากการที่วัสดุที่มีค่า Dielectric properties ต่างกัน จะเกิดความร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติการให้ความร้อนแบบ Selective heating ก็สามารถเป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งที่สามารถใช้ให้เกิดประโยชน์ในงานหลังการเก็บเกี่ยวได้ เพราะถ้ากำหนดเงื่อนไขที่เหมาะสม อาจทำให้ตัวหรือไข่แมลงร้อนและตาย โดยที่ข้าวหรือผลิตผลเกษตรไม่ร้อนทำให้ไม่เสียคุณค่าทางโภชนาการ แต่สิ่งที่ท้าทายนักวิจัยคือ การหาค่าความถี่ที่เหมาะสมต่อพืชแต่ละชนิดที่ทำให้มีการทำให้ร้อนเฉพาะแมลงหรือเชื้อจุลินทรีย์ที่ไม่ต้องการในผลิตผลเกษตร โดยที่ไม่ทำให้ผลิตผลเกษตรนั้นเสียหาย

บทความนี้ตีพิมพ์ลงใน Postharvest Newsletter ปีที่ 17 ฉบับที่ 3 กรกฎาคม – กันยายน 2561

เอกสารอ้างอิง

  • Wang Y., D.W. Timothy, T. Juming and M.H. Linnea. 2003. Dielectric properties of foods relevant to RF and microwave pasteurization and sterilization. Journal of Food Engineering 57: 257-268.
  • Metaxas A.C. and R.J. Meredith. 1983. Industrial microwave heating. Peter Peregrius Ltd., London, England. pp 357.
  • Pozar, D. M. 1990. Microwave Engineering 2nd edition. Addison-Wesley Pub., Massachusettes, USA. pp.726.