เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน แสงล้ำๆ ที่ช่วยไขปริศนาอุตสาหกรรมและเพิ่มมูลค่าทางเศรษฐกิจ

          อะไรที่ทำให้เหล็กเส้นธรรมดา แตกต่างจากเหล็กคุณภาพสูงที่ขายได้ราคาแพงกว่า

          อะไรที่ทำให้เนื้อไก่ของบริษัทหนึ่ง เนื้อนุ่มกว่าของอีกบริษัท

          ผลิตภัณฑ์กันแดดที่ใช้สารนาโนฯ จะมีขนาดเล็กจนซึมเข้าผิวหนังสะสมในกระแสเลือดหรือเปล่า

          รอยจุดขาวบนเปลือกกุ้งจำนวนมหาศาลที่บริษัทหนึ่งกำลังส่งออก จะโดนคู่ค้าตีกลับ เพราะไม่รู้ว่าเป็นการปนเปื้อนหรือไม่

          นี่คือคำถามที่เราไม่สามารถตอบได้หากใช้เพียงการมองด้วยตาเปล่า หรือใช้กล้องจุลทรรศทั่วๆ ไป แต่กลับเป็นคำถามที่อาจพลิกผันชะตาชีวิตของผลิตภัณฑ์ชิ้นหนึ่ง ให้ขายได้หรือขายไม่ได้ ขายในราคาตลาดหรืออัปราคาได้สูงกว่าคู่แข่งมากเพราะคุณสมบัติที่เหนือกว่าจากระดับโมเลกุล

          คำถามเหล่านี้ เครื่องมือสำคัญที่เรียกว่า ‘แสงซินโครตรอน’ ตอบได้ และประเทศไทยมีเครื่องกำเนิดแสงชนิดนี้มาครบหนึ่งทศวรรษแล้ว

ซินโครตรอน แสงที่จ้ากว่าแสงอาทิตย์ล้านเท่า

          ก่อนจะสะพรึงไปกับศัพท์แสงที่ดูวิทยาศาสตร์จ๋า ขออธิบายดักไว้ก่อนว่า แสงซินโครตรอนคือ ลำแสงที่มีความสว่างกว่าแสงอาทิตย์ตอนกลางวันล้านเท่า ทำให้มีอำนาจการทะลุทะลวงสูง ขนาดลำแสงเล็กมากเมื่อเทียบกับความหนาของเส้นผม สามารถส่องเห็นรายละเอียดโครงสร้างสิ่งต่างๆ ได้ชัด หรือเรียกว่าเป็น ‘กล้องจุลทรรศน์ระดับสุดยอด’

          แน่นอนว่าแสงนี้จะต้องใช้เครื่องมือพิเศษในการผลิตขึ้นมา ในประเทศไทยมีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ซึ่งเรียกว่าเครื่องกำเนิดแสงสยาม ได้รับบริจจาคมาจากประเทศญี่ปุ่นมาตั้งแต่ พ.ศ. 2541 แต่ในการใช้งานจริง จะต้องมีการพัฒนาระบบลำเลียงแสง (beamlines) ซึ่งสร้างสำเร็จครั้งแรกเมื่อปี 2548 และมีการพัฒนารูปแบบและเทคนิคต่างๆ ต่อมาเรื่อยๆ ด้วยฝีมือของนักวิทยาศาสตร์ไทยเอง

          “แสงนี้สามารถให้ข้อมูลวัสดุทุกชนิดที่ตาเรามองไม่เห็น นักวิทยาศาสตร์นำข้อมูลพวกนี้ไปคิดค้นเพิ่มเติม ไม่ว่าจะเป็นการผลิตสินค้าใหม่ แก้ปัญหาในตัวสินค้า หรือแก้ปัญหาในกระบวนการผลิต และที่ประโยชน์มันสูงขนาดนี้เพราะว่ามันให้ข้อมูลอะตอมและโมเลกุล” ศ. น.ท. ดร.สราวุฒิ สุจิตจร ผู้อำนวยการสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน กล่าว

          “ก่อนหน้านั้นเราใช้คอนเวนชันนอลเทคโนโลยี ใช้เครื่องมือวัดเฉพาะแยกกันไป แล้วค่อยเอามาผสมผสานกัน มันก็จะตอบคำถามได้บ้างไม่ได้บ้าง นั่นคือข้อจำกัด อย่างที่เอ็มเทคเอง เขาเก่งมากเรื่องการใช้เครื่องสแตนอโลนด์เหล่านี้ ซึ่งก็มีหลากหลายเทคนิค บางเครื่องก็ยิงลำแสงเข้าไปแล้วดูการสะท้อน ดูว่ามีธาตุอะไรบ้าง

          “แต่ว่ามันไม่ได้ลงไปลึกถึงอะตอมและพันธะทางเคมี ตอนเด็กๆ เราเรียนเรื่องธาตุในตารางธาตุ แต่พอขึ้นมาในระดับนี้ นักวิทยาศาสตร์อยากรู้ว่าธาตุมันเกาะกันอย่างไร ธาตุไหนยื่นมือซ้าย ธาตุไหนยื่นมือขวา ธาตุไหนเอานิ้วชี้ไปเกี่ยวไว้ ซินโครตรอนมันตอบได้ถึงขนาดนั้น”

การเดินทางของแสง

          สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนเป็นองค์การมหาชน สังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตั้งอยู่ที่จังหวัดนครราชสีมา มีการประกาศใช้พระราชกฤษฎีกาจัดตั้งสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) เมื่อวันที่ 19 กันยายน 2551

          แต่แสงชื่อเท่ๆ ที่ฟังดูไซไฟนี้ยังไม่เป็นที่รู้จักมากนัก (แม้กระทั่งทุกวันนี้) การที่ภาคธุรกิจจะเดินเข้ามาใช้บริการสถาบันฯ ในช่วงแรกจึงเป็นเรื่องยาก

          “ในวงการวิชาการหรือในมหาวิทยาลัยมีปัญหาน้อย เพราะว่าครูบาอาจารย์ไปเรียนหนังสือที่ต่างประเทศมา รู้จักแสงซินโครตรอนกันพอสมควร แต่ว่าในภาคอุตสาหกรรม ผมต้องใช้วิธีไดเร็กเซลส์ ซึ่งต้องใช้เวลามากนะครับ” ดร.สราวุฒิเล่าเรื่องการเดินทางของเขาและทีมงาน เพื่อนำแสงซินโครตรอนไปเสนอแนะให้กับคนที่น่าจะต้องการมัน

          “เริ่มต้นจากเอาข้อมูลการจัดกลุ่มอุตสาหกรรมจากสภาอุตสาหกรรม ดูรายงานมูลค่าเพิ่มทางเศรษฐกิจของอุตสาหกรรมแต่ละประเภท ไปแสวงหารายชื่อแต่ละบริษัท กรองลงมาจาก 100 บริษัท จนเหลือ 5-6 บริษัท การคัดเลือกก็ดูจากผลตอบแทนทางเศรษฐกิจของบริษัทนั้น รวมทั้งความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่บริษัทใช้

          “จากนั้น ทีมงานก็เข้าไปศึกษาเว็บไซต์ของแต่ละบริษัทว่าผลิตสินค้าประเภทไหน แล้วใช้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์มาคาดการณ์ว่าบริษัทน่าจะประสบปัญหาอะไร เสร็จแล้วทีมเซลก็จะโทรไปคุย และนัดพบ ซึ่งต้องใช้เวลา

          “บริษัทที่เรากรองมาได้ ไม่ได้ดูเพียงตัวเลขมูลค่าทางเศรษฐกิจที่เขาทำได้ แต่ดูเป็นสัดส่วน บริษัทที่เล็กกว่า อย่างเอสเอ็มอี อาจมีสัดส่วนผลตอบแทนที่เขาได้จากการลงทุน เป็นเปอร์เซ็นต์ที่มาก”

          น่าสนใจว่าบริษัทขนาดกลางและขนาดย่อม มีไอเดียคิดผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ ที่น่าสนใจซึ่งหากได้วิทยาศาสตร์มาต่อยอดก็จะเข้าล็อกพอดี ดร.สราวุฒิ ยกตัวอย่างความสำเร็จของบริษัทที่ประยุกต์ใช้เศษมันฝรั่งเหลือทิ้งมาพัฒนาเป็นแป้งเคลือบยา ที่จะคอนโทรลการปล่อยตัวยาตามช่วงเวลาในแต่ละวัน ทำให้ไม่ต้องกินยาบ่อยๆ หรือป้องกันการลืมกินยา

          “ตรงนี้เราใช้แสงซินโครตรอนไปช่วยตั้งแต่การหาวิธีการแปรรูป และเช็คคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ว่าได้ตามที่บริษัทต้องการจริงไหม”

วิ่งเร็วๆ สิอิเล็กตรอน

          เมื่อเรามองสัญลักษณ์ของสถาบันฯ จะเห็นว่าเป็นรูปวงกลมที่มีเส้นเรียงตัวกันเป็นรัศมีสีฟ้า-เขียว วงกลมนี้ถอดแบบมาจากขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการผลิตแสงซินโครตรอน ที่เริ่มจากการใช้ปืนผลิตอิเล็กตรอนออกมา เร่งให้พวกมันวิ่งให้ได้พลังงานและความเร็วที่ต้องการในแนวตรง แล้วส่งต่อไปวิ่งเป็นวงกลมวนๆๆ เพื่อเร่งความเร็วมากขึ้นๆ จนเกือบเท่าความเร็วแสง จนมีพลังงานมากถึง 1,000 (ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ : GeV)

          จากนั้นก็วิ่งซอยเท้าเข้าเส้นชัยส่งเข้าไปเก็บใน ‘วงกักเก็บอิเล็กตรอน’ ซึ่งเป็นที่ที่อิเล็กตรอนเพิ่มความเร็วและพลังงานเป็น 1.2 GeV แล้วปลดปล่อยพลังงานที่สะสมจากการวิ่งนี้ออกมาเหมือนซูเปอร์ไซย่า ถือกำเนิดเป็นตัวแสงซินโครตรอน จากนั้นจะถูกส่งเข้าสู่ระบบลำเลียงแสงต่อไปจนถึงปลายทางสถานีทดลอง

          แค่ฟังก็คงรู้สึกเหนื่อยแทนอิเล็กตรอน และคงคาดเดาได้ว่าเทคโนโลยีขั้นสูงขนาดนี้ไม่ได้มีราคาถูกๆ ปัจจุบัน เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนมีอยู่มากกว่า 60 แห่งทั่วโลก แต่ส่วนใหญ่อยู่ในทวีปยุโรป ทวีปอเมริกา ญี่ปุ่น ส่วนในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ มีเพียงสิงคโปร์และไทยที่เป็นเจ้าของ และเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนของไทยเป็นเครื่องที่ใหญ่ที่สุด มีค่าพลังงานอิเล็กตรอนอยู่ที่ 1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (1.2 GeV) ซึ่งองค์การมหาชนเป็นผู้ครอบครองและดำเนินการใช้งาน เพื่อบริการภาควิชาการและภาคอุตสาหกรรมต่อไป

          “ญี่ปุ่นเป็นตัวอย่างที่ดีที่เอกชนลงทุนสร้างและจ้างนักวิทยาศาสตร์ของตัวเองเพื่อทำงานของตัวเองเยอะ รองลงไปคือเยอรมนี แต่การสร้างซินโครตรอนเป็นของตัวเอง ถ้าเป็นเครื่องใหญ่ๆ บริษัทอาจจะลงทุนไม่ไหว เพราะราคาหลายพันล้าน ที่เขาทำจะเป็นเครื่องขนาดเล็กที่ใช้เฉพาะด้าน ลงทุนกัน 1,500-2,000 ล้าน แล้วก็คำนวณผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI) กันไป

          “แต่ถ้าเครื่องใหญ่ 8,000-10,000 ล้านบาท ก็ต้องเป็นรัฐลงทุน แต่บริษัทสามารถเข้ามาช่วยเหลือด้วยการร่วมลงทุนงบประมาณเพื่อดำเนินกิจการ ตัวอย่างหนึ่งคือที่สหราชอาณาจักร เครื่องกำเนิดแสงซินโครตอนที่นั่นมีเวลล์คัมทรัสต์ที่ลงขันกันจากบริษัทยาต่างๆ กำหนดเป็นกฎหมายเลยว่าออกกับรัฐคนละครึ่ง ถ้ารัฐผิดสัญญาก็ถือว่านายกรัฐมนตรีไม่ปฏิบัติตามกฎหมาย” ดร.สราวุฒิกล่าว

          อย่างไรก็ตาม แม้เอกชนไทยจะยังไม่ลงทุนทำเอง การมาใช้บริการสถาบันวิจัยซินโครตรอนก็เป็นสิ่งที่เอื้อมถึง เพราะคิดค่าบริการโดยเฉลี่ยชั่วโมงละ 7,500 บาท

          “แต่เราไม่ได้เรียกเก็บเต็มชั่วโมงแบบนี้ ขั้นต่ำที่สุดคือคิดค่าบริการ 15 นาที เพราะต้องเตรียมเครื่องมือและสารตัวอย่าง เราเป็นหน่วยงานที่ไม่ได้มุ่งหวังกำไร ผมว่ารัฐบาลตัดสินใจถูกนะที่ตั้งหน่วยงานแบบนี้ขึ้นมา เป็นตัวเชื่อมต่อความต้องการของอุตสาหกรรมเข้ามาหาวิทยาศาสตร์ รวมทั้งมหาวิทยาลัย กลายเป็นการทำงานแบบสามเหลี่ยมหรือไตรภาคี”

          ดร.สราวุฒิเผยว่า “ขณะนี้รัฐบาลได้อนุมัติเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นใหม่ซึ่งให้พลังงานแสงสูงกว่าเดิม 2.5 เท่า และความเข้มแสงสูงกว่าเดิมหนึ่งล้านเท่า มารองรับการวิจัยพัฒนาขั้นสูง” งบประมาณราว 5-6 พันล้าน และน่าจะใช้เวลาอีกไปเกินสิบปี

แสงส่องไปเพื่อไขปริศนาสารพัด

          แสงซินโครตรอนสามารถเข้าไปพัวพันได้กับหลายอุตสาหกรรม แล้วแต่ว่าอุตสาหกรรมนั้นๆ มีคำถามอะไรที่ต้องอาศัยการ ‘มองเห็น’ โครงสร้างระดับอะตอม แต่ถ้าจะให้ยกตัวอย่างกลุ่มอุตสาหกรรมที่แสงซินโครตรอนได้เข้าไปมีบทบาท ก็เช่น อุตสาหกรรมยางและพอลิเมอร์ โลหะและวัสดุ สิ่งทอ เคมีภัณฑ์ อาหารและการเกษตร อัญมณี อิเล็กกทรอนิกส์ ยาและเครื่องสำอาง ฯลฯ  

          ดร. วรวิกัลยา เกียรติ์พงษ์ลาภ นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง กล่าวยกตัวอย่างกรณีศึกษาจากงานของเธอ ที่ทำเรื่องการทดสอบผลิตภัณฑ์ซันสกรีน ซึ่งปัจจุบันนิยมนำสารไทเทเนียมออกไซด์และซิงค์ออกไซด์ที่อยู่ในรูปนาโนพาร์ทิเคิล (หรือขนาดเล็กมากๆๆ) เข้ามาผสมเพื่อสะท้อนแสงแดด (reflect) ได้ดี

          “แต่การที่เราใช้นาโนพาร์ทิเคิล ไม่มีใครทราบว่าทั้งซิงค์และไทเทเนียมจะซึมผ่านผิวหนังเราหรือเปล่า ถ้าเกิดเข้าไปสู่กระแสเลือดได้ก็อาจเกิดอันตรายต่อร่างกาย และมันไม่ได้แสดงออกมาในวันนี้ แต่ในระยะยาวอาจจะสะสมจนเป็นอันตราย

          “เราจึงใช้แสงซินโครตรอน หรือที่เรียกว่า Micro-XRF ส่องดู แล้วพบว่านาโนซิงค์และนาโนไทเทเนียมไม่ได้ซึมเข้าสู่ผิวหนังเราเลย โดยทดสอบกับผิวหนังลูกหมูซึ่งใช้แทนกันกับผิวหนังคนได้ สารเหล่านี้จะอยู่เพียงแค่ขอบด้านบน หรือชั้นหนังกำพร้า และเห็นได้ว่าไม่ทำให้สารซึมผ่านเข้าสู่ชั้นผิวหนังแท้”

          นอกจากเรื่องสุขภาพแล้ว การทดสอบด้วยซินโครตรอนยังใช้กู้วิกฤตทางการค้าได้ ดร.สราวุฒิยกตัวอย่างกรณีกุ้งของบริษัทซีพีมีรอยจุดขาว ที่บริษัททดสอบด้วยวิธีดั้งเดิมด้วยตัวเองแล้วไม่พบว่ามีการปนเปื้อนมากน้อยแค่ไหน จึงนำมาทดสอบด้วยแสงซินโครตรอน ซึ่งเป็นการทดสอบที่จะไม่ทำลายตัวอย่าง

          “ผลปรากฏว่า ไม่มีอะไรเลยครับ มันเกิดจากการหดตัวของเปลือกกุ้งหลังจากการเก็บไว้ในอุณหภูมิที่ต่ำมาก น้ำหนีออกไปจากกุ้ง เปลือกเป็นสะเก็ด เซฟไปได้ 1,350 ล้าน ต่างประเทศที่ตอนแรกกำลังจะ reject เห็นงานวิจัยก็ตัดสินใจรับกุ้งไปเหมือนเดิม”

          หรือแม้กระทั่งไขปริศนาความอร่อยของเนื้อไก่โคราช ที่เนื้อนุ่มจนเป็นเอกลักษณ์

          “ถ้าเราคิดแบบง่ายๆ ก็คงบอกว่าเนื้อมันนุ่มเพราะเป็นไก่กระทงตัวโต เหมือนกับกินลูกไก่ แต่เอาเข้าจริง นักวิทยาศาสตร์เข้าไปหาคำตอบในระดับโมเลกุล พบว่าโมเลกุลเนื้อไก่โคราชมันเปิดรับโมเลกุลของน้ำ ซึ่งเป็นผลมาจากทั้งการพัฒนาสายพันธุ์และวิธีการให้อาหาร จึงทำให้ไก่มีเนื้อนุ่ม การค้นพบนี้ทำให้เราพัฒนาไปเป็นกระบวนการทำ Q.C. เพื่อเช็คได้เลยว่าเป็นโคราชแท้หรือปลอม ซึ่งจะมีประโยชน์ในการส่งออก”

ภาคอุตสาหกรรมยังใช้งานน้อย

          อย่างไรก็ดี แม้แสงซินโครตรอนจะส่องหาคำตอบให้กับเรื่องต่างๆ มากมาย ดร.สราวุฒิชี้ให้เห็นว่า ปัจจุบันสัดส่วนการใช้บริการเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระหว่างภาควิชาการกับภาคอุตสาหกรรม ยังอยู่ที่ 80:20

          ดร.สราวุฒิให้ความเห็นเพิ่มเติมว่า เหตุผลส่วนหนึ่งอาจเป็นเพราะหน่วยงานยังเข้าไปไม่ถึงอุตสาหกรรมเหล่านี้ และอีกส่วน เป็นเรื่องข้อจำกัดด้านทรัพยากรบุคคลที่ต้องรองรับบริษัทในอุตสาหกรรมเดียวกันหลายๆ เจ้า

          “ในทางธุรกิจมันจะมีบริษัทที่เป็นคู่แข่งกัน เช่นอาหาร เราทำงานกับทั้งซีพีและเบทาโกร เรื่องฮาร์ดดิสก์ เราทำงานกับซีเกตและเวสเทิร์นดิจิทัล เวลาเราจัดทีมนักวิทยาศาสตร์ เราจะต้องจัดคนละทีม เพื่อตอบโจทย์บริษัทคู่แข่งเหล่านี้ ซึ่งเรื่องนี้เป็นจรรยาบรรณของนักวิจัยในการทำงานให้กับเอกชนเพื่อรักษาความลับ สร้างความไว้วางใจขั้นสูงสุด เพราะฉะนั้นเราจะให้ทีมที่ทำงานให้บริษัทหนึ่งอยู่ไปรับงานอีกบริษัทเพิ่มเติมในอุตสาหกรรมเดียวกันไม่ได้” ซึ่งอาจจะต้องพิจารณาและคาดการณ์การเติบโตของภาคอุตสาหกรรม เพื่อเพิ่มการจ้างงานนักวิทยาศาสตร์มารองรับความต้องการบริการเหล่านี้ต่อไป

          “แต่ระหว่างปี 2556-2560 การใช้งานของภาคอุตสาหกรรมก็เติบโตขึ้น 54% คิดเป็นมูลค่าเพิ่มทางเศรษฐกิจ 7,800 ล้านบาท และแม้จะใช้งานในสัดส่วนที่น้อย แต่ภาคเอกชนใช้แล้วมีผลกระทบต่อเศรษฐกิจมากกว่า”