“เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์” กับการประยุกต์ใช้งานในประเทศไทย

บทความ : ดร.กิตติพงศ์ เกษมสุข และทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์

หน่วยวิจัยอุปกรณ์สเปกโทรสโกปีและเซนเซอร์
ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)
เรียบเรียงและภาพประกอบ : ศศิวิภา หาสุข

“คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์” ได้รับความสนใจจากนักวิจัยในต่างประเทศ มีการวิจัยพัฒนาและนำมาประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลาย เป็นที่น่าจับตามองว่า… หากเรานำเทคโนโลยีนี้มาประยุกต์ใช้งานในประเทศไทย จะเป็นการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันและเกิดประโยชน์ต่อประเทศ ทั้งด้านเศรษฐกิจ สังคม ความปลอดภัย รวมไปถึงด้านอื่น ๆ ที่เราคาดไม่ถึงได้อย่างมหาศาล

เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ คือ…

คลื่นเทระเฮิรตซ์ คือย่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงสุดท้ายที่นักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยกำลังศึกษาและพัฒนาเพื่อนำมาประยุกต์ใช้งานทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และอุตสาหกรรม โดยคลื่นเทระเฮิรตซ์มีความยาวคลื่นอยู่ระหว่างคลื่นไมโครเวฟและคลื่นอินฟาเรด หรือมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 30 ไมโครเมตร ถึง 3 มิลลิเมตร และมีคุณลักษณะเด่นเฉพาะตัวของคลื่นความถี่ในย่านนี้คือมีความปลอดภัยต่อสิ่งมีชีวิต (Non-ionizing) เนื่องจากมีพลังงานต่ำเมื่อเทียบกับคลื่นรังสีเอกซ์ (X-ray) สามารถทะลุทะลวงผ่านวัสดุส่วนมากที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (Dielectric Materials) เช่น กระดาษ พลาสติก ผ้า และไม้ รวมถึงมีความสามารถใช้ในการตรวจจับและระบุชนิดของสารเคมีที่น่าสนใจ อาทิ กรดอะมิโน ยาปฏิชีวนะหรือแม้กระทั้งสารตั้งต้นวัตถุระเบิด ทำให้มีงานวิจัยและพัฒนานำคลื่นความถี่ในย่านนี้มาประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลายในศาสตร์ต่าง ๆ

ในช่วงเริ่มแรกของเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์นั้น ระบบกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์มีขนาดใหญ่และราคาแพงมาก ทำให้ระบบส่วนใหญ่ถูกใช้อยู่ในวงจำกัด เช่น ในห้องปฏิบัติการวิจัยโดยเฉพาะงานวิจัยด้านดาราศาสตร์ อย่างไรก็ตามความก้าวหน้าทางวิชาการในระยะเวลาถัดมาได้เปิดโอกาสในเชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ สำหรับนำไปใช้ในภาคอุตสาหกรรม เช่น การตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (Non-Destructive Testing: NDT) การตรวจสอบกระบวนการทางอุตสาหกรรมและการควบคุมคุณภาพ (Quality Control: QC) การใช้งานด้านการรักษาความปลอดภัย การสื่อสารโทรคมนาคมและด้านการแพทย์

เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ในภาคอุตสาหกรรมโลก

1) ด้านเกษตรและอาหาร

ในต่างประเทศได้เริ่มศึกษาการนำเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ไปประยุกต์ใช้งานในด้านอุตสาหกรรมอาหาร เนื่องจากคลื่นเทระเฮิรตซ์มีคุณสมบัติพิเศษคือมีความไวสูงต่อความชื้น สามารถทะลุผ่านบรรจุภัณฑ์ที่ไม่ใช่โลหะ และสามารถใช้เทคนิคสเปคโตรสโกปี (Spectroscopy) ในการระบุชนิดของวัสดุชีวภาพส่วนใหญ่ได้ จึงมีแนวโน้มที่จะนำไปประยุกต์ใช้งานได้ในอุตสาหกรรมอาหารสมัยใหม่ เช่น เพื่อตรวจวัดสารออกฤทธิ์หรือสารที่ให้ประโยชน์แก่ร่างกายของผู้รับประทานในผลิตภัณฑ์จำพวกอาหารเสริมสมุนไพรหรือผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรอื่นๆ หรือแม้กระทั่งใช้ในการสร้างภาพเพื่อดูการกระจายตัวของความชื้น การตรวจสอบสิ่งปลอมปน หรือการตรวจสอบเมล็ดพันธุ์ เป็นต้น

2) ด้านการแพทย์

เนื่องจากคลื่นเทระเฮิรตซ์มีความไวต่อน้ำหรือความชื้น ในทางการแพทย์จึงได้มีการนำเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์มาใช้ในการตรวจสอบ เนื้อเยื่อชั้นบนของผิว การตรวจสอบความชุ่มชื้นของเนื้อเยื่อ รวมถึงการวิเคราะห์ความลึกและการไหม้ของเนื้อเยื่อที่เกิดจากการสัมผัสกับสารเคมี การตรวจสอบโรคมะเร็งผิวหนัง โรคมะเร็งเต้านม และการประยุกต์ใช้งานทางด้านทันตกรรมในการตรวจโรคฟันผุ นอกจากนั้นยังมีการริเริ่มนำเอาเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์มาใช้ในการตรวจสอบกรดนิวคลีอิกในเซลล์เพื่อนำมาประยุกต์ใช้ตรวจหาการกลายพันธุ์ของ DNA ในอนาคต

3) ด้านรักษาความปลอดภัย

หนึ่งในการประยุกต์ใช้งานที่น่าสนใจเป็นอย่างมากคือการนำเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์มาใช้ในด้านการรักษาความปลอดภัย การตรวจหาวัตถุต้องสงสัยเช่น มีดหรือปืนที่ซ่อนอยู่ใต้เสื้อผ้าด้วยเทคนิคการสร้างภาพ การตรวจจับสารเคมีอันตรายประเภทสารตั้งต้นวัตถุระเบิดด้วยเทคนิคเทระเฮิรตซ์สเปกโตรสโกปี (THz spectroscopy) ซึ่งมีความแม่นยำมากและน่าสนใจกับการนำมาประยุกต์ใช้งานในด้านนี้ โดยในปัจจุบันเทคโนโลยีการสร้างภาพด้วยคลื่นเทระเฮิรตซ์เพื่อรักษาความปลอดภัยได้มีการนำออกสู่ตลาดบ้างแล้วโดยใช้งานจริงในสนามบินต่างประเทศ โดยนำมาใช้แทนระบบเดิมที่เป็นคลื่นรังสีเอกซ์

4) ด้านการควบคุมการผลิต (QC) และการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (Non-Destructive Testing: NDT)

ในระบบควบคุมการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรมโดยเฉพาะในด้านเภสัชกรรม กระบวนการตรวจสอบคุณภาพมีความเข้มงวด หากผลิตภัณฑ์ที่ได้มีชุดใดชุดหนึ่งไม่เป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนดโดยหน่วยงานกำกับดูแลแล้วสินค้าทั้งชุดก็จะถูกทำลาย คลื่นเทระเฮิรตซ์จึงเป็นเทคโนโลยีที่เหมาะสมอย่างมากในระบบควบคุมการผลิต เนื่องจากมีความสามารถที่จะตรวจสอบโครงสร้างทางเคมีและแยกแยะองค์ประกอบทางเคมีที่เฉพาะเจาะจงได้ รวมถึงตรวจสอบลักษณะทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ด้านเภสัชกรรม เช่นความหนาของชั้นเคลือบเม็ดยา นอกจากนี้ในอุตสาหกรรมที่มีกำลังผลิตจำนวนมาก (Mass Product) เช่น อุตสาหกรรมกระดาษ อุตสาหกรรมชิ้นส่วนยานยนต์ที่มีการควบคุมความหนาของสีเคลือบผิว หรืออุตสาหกรรมด้านอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการตรวจสอบรอยต่อของวงจรในตัวชิปไอซี (ICs) ก็สามารถนำเทคโนโลยีนี้ไปประยุกต์ใช้งานได้

นอกจากนี้ ในงานด้านการตรวจสอบแบบไม่ทำลายเองก็เช่นเดียวกัน ระบบการสร้างภาพด้วยคลื่นเทระเฮิรตซ์ทั้งแบบ 2 มิติ (2D) และ 3 มิติ (3D) ได้ถูกพัฒนาและเริ่มนำมาใช้งานอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีคุณสมบัติที่เด่นกว่าระบบที่เราคุ้นเคยกันดีอย่างเช่นคลื่นรังสีเอกซ์ (x-ray) และการตรวจสอบแบบไม่ทำลายด้วยเทคโนโลยีทางนิวเคลียร์ เพราะคลื่นเทระเฮิรตซ์มีความปลอดภัยกับสิ่งมีชีวิตอย่างที่กล่าวไว้ข้างต้น

5) ด้านการสื่อสารไร้สาย

เนื่องจากคลื่นเทระเฮิรตซ์นั้นมีความถี่สูง มีย่านความถี่กว้าง และให้ช่องสัญญาณมากกว่าความถี่ไมโครเวฟ จึงมีความเหมาะสมมากในการประยุกต์ใช้งานในระบบ WLAN (Wireless Local Area Network) และ Broadband Mobile Communication โดยเมื่อปีถึงสองปีที่ผ่านมามีรายงานว่านักวิจัยสามารถพัฒนาระบบส่งข้อมูลไร้สายที่มีความเร็วในการส่งข้อมูลถึง 10 Gbps และมีการคาดการว่าในอนาคตจะมีการใช้เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ สำหรับการส่งข้อมูลมัลติมีเดียแบบไร้สายกับไฟล์ขนาดใหญ่ หรือ ระบบ Wireless LAN อาจจะถูกแทนที่ด้วยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ในเวลาอันใกล้

นอกจากการใช้งานหลักข้างต้นแล้วเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ยังมีการนำมาใช้งานด้านอื่นๆ อีกมากมายอย่างเช่น ทางการทหาร ทางด้านศิลปะ การวิจัยทางดาราศาสตร์ เป็นต้น

โอกาสของเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์กับอุตสาหกรรมในประเทศไทย

ระยะสั้นถึงระยะกลาง (3-5 ปี)

ในช่วง 10 กว่าปีที่ผ่านมานั้น การพัฒนาเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์เพื่อการประยุกต์ใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรมได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและง่ายต่อการใช้งาน มีระบบที่กะทัดรัดมีประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเริ่มมีการนำ Femtosecond Laser มาช่วยทำให้การประยุกต์ใช้งานเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์เหมาะกับงานด้านอุตสาหกรรม OEM (Original Equipment Manufacturer) ที่ต้องการการตรวจสอบแบบไม่ทำลายในการควบคุมคุณภาพการผลิต สำหรับอุตสาหกรรมไทยที่มีศักยภาพในการนำเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์มาประยุกต์ใช้งานและเกิดความคุ้มค่า อาทิ

• อุตสาหกรรมการเกษตร อาหารและสิ่งทอ : ตรวจหาสิ่งปลอมปนบนในผลิตภัณฑ์บนสายพานลำเลียง วัดความชื้นของวัตถุดิบการเกษตรที่จะส่งออก ตรวจสอบสิ่งแปลกปลอมในอาหาร รวมถึงบรรจุภัณฑ์
• อุตสาหกรรมเวชภัณฑ์ : ตรวจวัดคุณภาพของยาและองค์ประกอบทางเคมี
• อุตสาหกรรมประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ : ตรวจสอบรอยเชื่อมของวงจรใน ICs
• อุตสาหกรรมการแปรรูปไม้ : การตรวจสอบรูปร่างโพรง ข้อบกพร่องภายใน รวมถึงการตรวจสอบความชื้นของเนื้อไม้
• FMCG Packaging (Fast-Moving Consumer Goods Packaging) : ตรวจสอบรายการและจำนวนสินค้าภายในกล่องบรรจุภัณฑ์ ในขั้นตอนการควบคุมกระบวนการผลิต การตรวจหาวัตถุแปลกปลอมภายในบรรจุภัณฑ์จากความผิดพลาดของมนุษย์ หรือรายการที่มีข้อบกพร่องภายในบรรจุภัณฑ์
• วัสดุในอุตสาหกรรมก่อสร้าง : สามารถใช้กล้องเทระเฮิรตซ์อำนวยความสะดวกต่อการผลิตหรือตรวจสอบในสถานที่ก่อสร้าง เพื่อหา องค์ประกอบที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (Inhomogeneous) หรือความชื้นในคอนกรีต ปูน สีผนัง ฯลฯ
• อุตสาหกรรมยานยนต์ : ตรวจสอบคุณภาพและสิ่งปลอมปนในยางรถยนต์
• อุตสาหกรรมด้านปิโตรเคมี : ตรวจสอบการปนเปื้อนของน้ำและสารอื่นๆ ในผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมี รวมถึงการแยกแยะความแตกต่างระหว่างของเหลวต่าง ๆ
• การรักษาความปลอดภัย : งานด้าน Homeland Security ตรวจสอบซองจดหมายและพัสดุ ตรวจวัตถุที่ซ้อนอยู่ในกระเป๋าและตรวจของเหลวที่สนามบิน

อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของลักษณะอุตสาหกรรมและตลาดในประเทศไทยกับต่างประเทศนั้น ส่งผลให้การพัฒนาเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ภายในประเทศจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนให้เข้ากับบริบท แต่แนวทางหนึ่งที่ประเทศไทยสามารถพัฒนาเทคโนโลยีนี้ไปในทิศทางเดียวกันกับต่างประเทศ ก็คือการพัฒนาระบบตรวจวัดด้วยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์แบบ Real-time, Non-destructive, และ In-line ซึ่งจะเป็นเทคนิคที่เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการนำมาประยุกต์ใช้งานกับอุตสาหกรรมไทยและอุตสาหกรรมทั่วโลก และอยู่ในแผนระยะสั้นที่ทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ (Terahertz Technology Research Team) เนคเทค กำลังดำเนินการวิจัยและพัฒนาอยู่ นอกจากนี้การประยุกต์ใช้งานในอีกส่วนหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ การประยุกต์ใช้งานสำหรับการรักษาความปลอดภัย ตรวจหาวัตถุต้องสงสัย รวมถึงวัตถุระเบิด ด้วยเช่นกัน

 

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ ที่มีใช้อยู่อย่างแพร่หลาย จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีที่มีอยู่นั้นก็ยังมีข้อจำกัด เช่น เครื่องตรวจจับโลหะที่สามารถตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะได้ แต่ไม่สามารถระบุประเภทของวัตถุหรือรูปร่างลักษณะทางกายภาพได้ หรือเครื่อง X-Ray ซึ่งมีคุณสมบัติส่องผ่าน แต่ก็ไม่สามารถตรวจจับวัตถุประเภทเซรามิก พลาสติก หรือโพลีเมอร์ได้ รวมถึงในแง่ความปลอดภัยที่เกิดจากอันตรายจากการได้รับรังสีด้วย ด้วยเหตุนี้หากเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ได้รับการพัฒนาจนพร้อมใช้งานจริงจะมีจุดเด่นหลายอย่าง ดังนี้

จุดเด่นและข้อได้เปรียบของการใช้เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์กับระบบรักษาความปลอดภัยอื่น ๆ

• ปลอดภัยต่อสิ่งมีชีวิต สามารถใช้ได้ในพื้นที่สาธารณะ ( Non-ionizing radiation)
• ตรวจสอบวัตถุที่ถูกซุกซ่อนที่ระยะห่างได้ถึง 10 เมตร
• โปร่งใสกับวัตถุประเภทเซรามิก พลาสติก หรือโพลีเมอร์
• สามารถทำให้มีขนาดกะทัดรัดและง่ายต่อการเชื่อมต่อกับระบบอื่น ๆ
• ในอนาคตมีโอกาสที่ราคาจะต่ำกว่ามาก เมื่อเทียบกับระบบสร้างภาพที่คุ้นเคยกันดีอย่าง X-ray หรือ Ultrasound

ในอนาคตระยะไกล (5-10 ปี)

ในปัจจุบัน เทคโนโลยี 5G เริ่มมีการพูดถึงกันบ่อยขึ้น และประเทศไทยก็มีการวางแผนใช้ 5G ในแผนพัฒนาเศรษฐกิจฉบับปัจจุบันในหมวดของโลจิสติกส์โดยคาดว่าจะเริ่มใช้ในปี พ.ศ. 2563 อย่างไรก็ดี ในด้านตลาดโทรคมนาคมและการสื่อสารแบบไร้สายในต่างประเทศนั้นยังไม่หยุดนิ่ง นักวิจัยในสถาบันชั้นนำต่างๆ ของโลกกำลังศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยีที่สามาถส่งข้อมูลได้สูงขึ้นมาก เป็น Terabit per Second (Tbps) ซึ่งก็คือการสื่อสารไร้สายในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ ดังแสดงการเปรียบเทียบในรูปที่ 5

 

หากเราวิจัยและพัฒนาได้สำเร็จ ประโยชน์ในการประยุกต์ใช้งานจะเกิดขึ้นอย่างมหาศาล ยกตัวอย่างเช่น Beyond 5G cellular, Terabit WLAN, Internet of Nano-Things (IoNT) และ Wireless on-chip Communication เป็นต้น หากแต่การจะนำเทคโนโลยีไปใช้งานถึงขั้นนั้นได้ เรายังมีงานวิจัยทางด้าน THz Communication อีกมากมายที่จำเป็นต้องศึกษาค้นคว้า เพราะเทคโนโลยีนี้ยังถือว่าเป็นศาสตร์ที่ใหม่มากสำหรับนักวิจัย รวมทั้งเครื่องมือและอุปกรณ์ที่ต้องใช้ในการพัฒนาระบบก็ยังขาดแคลนอยู่ สำหรับประเทศไทยเองถึงแม้จะเริ่มต้นงานวิจัยและพัฒนาบ้างแล้วจากความถี่ mmWave (Sub-THz) แต่คาดว่าน่าจะยังอีกยาวไกลสำหรับการพัฒนาในแง่ของเทคโนโลยี การเพิ่มจำนวนผู้เชี่ยวชาญ รวมถึงโครงสร้างพื้นฐาน (Infrastructure) และ กฎระเบียบข้อบังคับ (Regulation)

 

นอกจากนี้ อีกแนวทางหนึ่งที่น่าสนใจสำหรับการประยุกต์ใช้งานเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ในอนาคต และมีความสอดคล้องกับจุดแข็งของประเทศ คือการพัฒนาให้เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ไปเป็นรากฐานของการตรวจวิเคราะห์ทางชีววิทยา ชีวเคมี และเทคโนโลยีชีวภาพ ทั้งในรูปแบบของเครื่องมือสำหรับห้องปฏิบัติการวิจัย ไปจนถึงเซนเซอร์ขนาดเล็กที่สามารถถูกนำไปใช้งานในตลาดผู้บริโภค

จากที่ได้กล่าวในข้างต้น เทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์มีศักยภาพที่จะใช้ในการตรวจวัดโครงสร้างทางเคมีหรือคุณลักษณะทางชีวเคมีอื่น ๆ ของสารเคมี โดยเฉพาะสารจำพวกชีวโมเลกุล นอกจากนี้งานวิจัยหลายงานในปัจจุบันยังแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์สามารถนำมาใช้ตรวจจับและวัดปริมาณของจุลินทรีย์ในสารตัวอย่างต่างๆ หากในอนาคตเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์มีความพร้อมในการใช้วัดโครงสร้างและคุณลักษณะของสารจำพวกเอนไซม์ (สารเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมี) หรือสารออกฤทธิ์ทางยาที่สกัดจากสมุนไพร รวมถึงระบุชนิดและอธิบายพฤติกรรมของจุลินทรีย์ต่าง ๆ ในสภาพแวดล้อมการใช้งานจริงได้สำเร็จ ก็จะสร้างมูลค่ามหาศาลให้กับประเทศไทยซึ่งมีความหลากหลายทางชีวภาพ และกำลังมีการผลักดันอุตสาหกรรมโรงกลั่นทางชีวภาพ (Bio-refinery) ในที่สุดแล้วการพัฒนาไปในทิศทางนี้ยังเป็นการผลักดันเศรษฐกิจชีวภาพ (Bioeconomy) เศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular Economy) และเศรษฐกิจยั่งยืน (Sustainable Economy) ที่กำลังเป็นแนวโน้มของโลกอีกด้วย

จะเห็นได้ว่าส่วนหนึ่งของการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี จำเป็นต้องอาศัยจินตนาการในการนำสิ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติมาประยุกต์ใช้งานให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษยชาติ โดยทุก ๆ เทคโนโลยีต่างก็มีจุดเด่นและจุดด้อยในตัวเอง ขึ้นอยู่กับว่าเราจะนำข้อดีของมันมาใช้ประโยชน์อย่างไร

และเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์เองก็คือหนึ่งในนั้น…