สายฟ้ามีพลังงานเท่าใด?

ฟ้าผ่าคือการคายประจุไฟฟ้าที่เกิดจากความไม่สมดุลระหว่างประจุบวกและประจุลบที่สร้างขึ้นในเมฆฝนฟ้าคะนอง ฟ้าผ่าส่วนใหญ่เกิดขึ้นระหว่างหรือภายในก้อนเมฆ แต่มีฟ้าผ่าประมาณ 40 ล้านครั้งถล่มพื้นดินในสหรัฐอเมริกาในแต่ละปี ตามข้อมูลของศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค ซึ่งติดตามการบาดเจ็บและการเสียชีวิตจากฟ้าผ่า

เป็นไปได้ไหมที่จะควบคุมพลังงานนั้นเพื่อขับเคลื่อนชุมชนทั้งหมด? ที่นี่เราสำรวจคำถามนั้น

ปริมาณพลังงานในสายฟ้า

ฟ้าผ่าผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากกว่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟแรงสูงถึง 10 เท่า

นอกจากนี้ยังผลิตพลังงานความร้อนที่ร้อนกว่าพื้นผิวดวงอาทิตย์ และพลังงานเสียง (ฟ้าร้อง) ที่สามารถเดินทางได้ 25 ไมล์

แม้ว่าจะคงอยู่เพียงเสี้ยววินาที แต่คาดว่าฟ้าผ่าจะผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 10 กิกะวัตต์ (GW) ซึ่งจะเป็นหนึ่งในหกของกำลังการผลิตแผงโซลาร์เซลล์บนหลังคาทั้งหมดในสหรัฐอเมริกาในปี 2564อย่างไรก็ตาม การได้รับพลังงานนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย

คุณรู้หรือไม่?

สายฟ้าลูกเดียวสามารถบรรจุไฟฟ้าได้มากถึงหนึ่งพันล้านโวลต์และมีกระแสไฟฟ้าประมาณ 100,000 แอมป์หรือมากกว่า

เราสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานสายฟ้าได้หรือไม่?

ฟ้าผ่านำพาหรือผลิตพลังงานสามรูปแบบ: ไฟฟ้า ความร้อน และเสียง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจคำถามต่างๆ:

จะเป็นอย่างไรหากเราสามารถเก็บไฟฟ้านั้นไว้เพื่อชาร์จยานพาหนะไฟฟ้าทั้งหมดเพื่อครองถนนของเราในเร็วๆ นี้?
หรือกักเก็บความร้อนสูงเพื่อผลิตไอน้ำมากพอที่จะขับเคลื่อนกังหัน?
หรือแปลงเสียงให้เพียงพอเพื่อผลิตไฟฟ้าที่จำเป็นในการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ปราศจากคาร์บอน?

การจับไฟฟ้า

มีความพยายามหลายครั้งโดยใช้วงจรสวิตชิ่งไฟฟ้าแรงสูงและตัวเก็บประจุแม่เหล็กเพื่อจับและกักเก็บพลังงานฟ้าผ่า สิทธิบัตรหลายฉบับทั้งที่รอดำเนินการและที่ใช้งานอยู่อธิบายถึงระบบที่สามารถเปลี่ยนฟ้าผ่าให้เป็นไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการนำระบบเหล่านี้ไปใช้ อย่างน้อยก็แพร่หลาย

ดังที่การศึกษาวิจัยชิ้นหนึ่งกล่าวไว้ “นี่ไม่ใช่การดำเนินการทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อน เช่น เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันหรือโรงงานนิวเคลียร์”อันที่จริง เบนจามิน แฟรงคลิน พาเราไปได้ครึ่งทางด้วยการประดิษฐ์สายล่อฟ้า ซึ่งดึงดูดและจับฟ้าผ่าและพุ่งลงสู่พื้น อีกครึ่งหนึ่ง—การทำให้เชื่อง—เป็นส่วนที่ยาก

โลกทำหน้าที่เป็นกราวด์ไฟฟ้าเนื่องจากมีขนาดใหญ่พอที่จะดูดซับกระแสไฟฟ้าได้ไม่จำกัดโดยมีผลกระทบน้อยที่สุด

ความท้าทายนี้มาจากการลดพลังงานที่ส่งผ่านสายฟ้าให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย

โครงข่ายไฟฟ้าทำงานในลักษณะนี้อยู่แล้ว: สายส่งแรงสูงที่มาจากโรงไฟฟ้าส่งกระแสไฟฟ้าที่ 345,000 โวลต์ แต่ผ่านสถานีไฟฟ้าย่อยหลายแห่ง ไฟฟ้าจะถูกลดขั้นลงสู่ระดับภูมิภาคและจากนั้นไปที่ระดับใกล้เคียง จนกว่าสายไฟที่เข้าสู่ที่อยู่อาศัยจะส่งกระแสไฟฟ้าเพียง 120 โวลต์

แต่การก้าวสายฟ้าลงจากระดับนับล้านถึงหนึ่งพันล้านโวลต์ไปสู่ระดับที่ปลอดภัยกว่านั้นถือเป็นงานที่ยิ่งใหญ่กว่าที่ยังทำไม่สำเร็จ

การเก็บเกี่ยวความร้อน

จากข้อมูลของสำนักงานบริหารมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติ พลังงานจากฟ้าผ่าจะทำให้อากาศร้อนขึ้นในช่วงสั้นๆ ถึงประมาณ 50,000 องศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งร้อนกว่าพื้นผิวดวงอาทิตย์

ความก้าวหน้าล่าสุดในการกักเก็บความร้อนและเปลี่ยนให้เป็นไฟฟ้าอาจแนะนำวิธีในการเก็บเกี่ยวความร้อนมหาศาลของฟ้าผ่า แม้ว่าแม่เหล็ก (การผลิตไฟฟ้าจากส่วนกลางถึงส่วนใหญ่) จะสูญเสียแรงแม่เหล็กเมื่อได้รับความร้อน การวิจัยเมื่อเร็ว ๆ นี้ระบุว่าอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่าพาราแมกนอนทำหน้าที่เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถเปลี่ยนความร้อนเป็นไฟฟ้าได้

การเริ่มต้นจากการวิจัยขั้นพื้นฐานไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้อาจเกิดขึ้นก่อนด้วยแหล่งความร้อนที่ลงสู่พื้นดินมากขึ้น เช่น ความร้อนเหลือทิ้งจากกระบวนการผลิตหรือยานพาหนะ การใช้มันกับฟ้าผ่านั้นเป็นงานที่เร่งด่วนไม่น้อย

แปลงเสียง

ใครก็ตามที่เป็นเจ้าของโทรศัพท์รู้ดีว่าสามารถแปลงไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียงได้ สิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นไปได้เช่นกัน และมีการทดลองทั่วโลกในการเก็บเกี่ยวเสียงเพื่อผลิตไฟฟ้า

ความร้อนจัดที่เกิดจากฟ้าผ่าทำให้อากาศรอบๆ ระเบิด ทำให้เกิดคลื่นเสียงที่เราเรียกว่าฟ้าร้อง ภายในรัศมีไม่กี่ร้อยฟุตจากแหล่งกำเนิด ฟ้าร้องสามารถผลิตเสียงได้ประมาณ 120 เดซิเบลอย่างไรก็ตาม แหล่งที่มาของพลังงานเสียงที่มีอยู่จากการจราจรและมลพิษทางเสียงในเมืองนั้น เป็นสิ่งที่น่ารำคาญและน่าเชื่อถือเกินกว่าจะทำการทดลองกับเสียงฟ้าร้องได้

แนวโน้มการเก็บเกี่ยวไฟฟ้า

เมื่อใช้ไฟฟ้า อุปทานจะต้องตอบสนองความต้องการเสมอ ไม่เช่นนั้นระบบจะพังและไฟดับ ความท้าทายประการหนึ่งในการเก็บเกี่ยวพลังงานจากฟ้าผ่า เช่นเดียวกับพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ ก็คือความไม่ต่อเนื่องของมัน

การเกิดฟ้าผ่าเป็นช่วงๆ นั้นสามารถคาดเดาได้ทั้งในด้านเวลาและสถานที่ได้น้อยกว่าพลังงานลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์มาก การจัดเก็บไฟฟ้าจากฟ้าผ่าเป็นส่วนที่ยากที่สุด ไม่เพียงเพราะอุตสาหกรรมการจัดเก็บพลังงานยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นเท่านั้น แต่เนื่องจากตัวอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลเองจะต้องทนทานต่อกระแสไฟฟ้าจำนวนมหาศาลเพียงเส้นเดียวโดยไม่ทำให้อุปกรณ์เสียหาย

เจตจำนงทางการเมือง (และเงินที่ใช้ในการวิจัย) มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีพลังงานทดแทนที่มีอยู่มากขึ้น ได้แก่ น้ำ ลม และแสงอาทิตย์ ในขณะนี้ การเก็บเกี่ยวสายฟ้าจะยังคงเป็นภารกิจของนักประดิษฐ์แต่ละคนที่มีความฝันที่จะได้เป็นเบนจามิน แฟรงคลิน คนต่อไป

คำถามที่พบบ่อย

หากสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานได้ทั้งหมด 10 GW ฟ้าผ่าก็สามารถจ่ายไฟให้บ้านเรือนได้ 3.4 ล้านหลังต่อปี
การรับพลังงานจากฟ้าผ่า 115 ครั้งก็สามารถส่งพลังงานให้กับสหรัฐฯ ได้ทั้งหมดความต้องการไฟฟ้าประจำปี-