0耗能！这项新技术将地球上的热量释放到太空

交汇点讯 有没有一种方式可以将地球上的热量，以不消耗任何能源的方式释放到寒冷的太空？这很像科幻故事里才会出现的情节，但新技术辐射制冷却可以实现这一理想场景。随着世界面临不断扩大的气候变暖危机，这样一种不耗能、无污染的辐射制冷技术引起全世界科技工作者的兴趣。东南大学机械工程学院陈震教授课题组多年致力于辐射制冷研究，不仅成功实现24小时昼夜不间断降温，还将太阳能利用与辐射制冷合二为一，为人类发展和环境保护提供新方法。

“辐射制冷技术看似很难以理解，但在生活中，我们早已感受过自然状态下的辐射冷却。”东南大学机械工程学院陈震教授告诉《新华日报·科技周刊》记者，露水的形成其实就是一种自然的辐射制冷结果。在天气晴朗、无风或微风的夜晚，贴近地面的空气受地面长波辐射冷却的影响而降温到露点以下，所含水汽的过饱和部分在地面或地物表面上凝结而成的水珠，这也就是我们常说的露水。然而，由于白天太阳会源源不断给予大地热量，露水现象一般只在夜晚或清晨出现。奇妙的自然景观给了科学家们无限想象空间，如何才能通过工程设计强化这种辐射制冷呢？

“早在上个世纪六七十年代就有学者开始进行辐射制冷相关研究了。但是由于当时的技术手段受限，前人学者无法实现白天制冷，此项技术发展也较为缓慢。”温度高达6000K（开尔文，温度单位）的太阳是大自然馈赠给人类的一个理想热源，而利用太阳能的同时，人类还发现了另一个大自然的馈赠，即温度低至3K的理想热沉——外太空。陈震以一个形象的例子来解释，我们可以将包裹着地球的大气层想象成一床巨大的被子，“被子”里面的地球保持着适合人类居住的温度，而“被子”之外则无比寒冷，不适合人类生存。“说得再通俗些，在这床‘被子’之上有一些大大小小的‘窟窿’。当然，这不是实际意义上的‘窟窿’，而是在红外波段，大气层对8-13微米的电磁波是透明的(高透射率)，这个波段也就被称为红外大气透明窗口。”辐射制冷技术正是透过这些“窟窿”，把热量释放到外太空去。

借助光子学设计，国内外研究者不断尝试设计材料，从而更好地找准大气层的这些“窟窿”，实现辐射制冷。2014年，斯坦福大学范汕洄教授课题组设计制作多层薄膜材料，首次实现在太阳直射条件下辐射制冷至环境温度以下5°C的制冷效果。2016年，陈震又引入传热学设计，与范汕洄教授一起在人口稠密地区实现了昼夜24小时不间断的、平均制冷温差37°C的辐射制冷效果。其中最大制冷温差可达42°C，是迄今为止辐射制冷的最高记录。

《新华日报·科技周刊》记者了解到，实现37℃的降温效果并没有让科研工作者满足，陈震继续研究如何完善这项技术，并终于在两年后，实现了利用同一物理面积同时获取太阳的热和外太空的冷。“由于太阳能和辐射制冷所使用的波段不同，因此我们将一种红外透明的太阳能板放置在一个辐射冷却板上方。太阳能板被加热到高于环境温度24°C的同时，辐射制冷板可降温至环境温度以下29°C。”这是人类第一次把这两种热力学资源结合起来利用，这项研究成果也受到能源领域重要期刊Joule和美国斯坦福大学的高度重视。

全球范围内越来越多的科研工作者加入辐射制冷相关研究中来，大大推进了此项领域的发展。2017年，美国科罗拉多大学杨荣贵教授和殷小波教授团队研制成功柔性薄膜辐射制冷材料；2018年，哥伦比亚大学的杨远教授团队研制成功液态的制冷涂层；2019年，马里兰大学团队又制作了制冷木料。这些不同形态的制冷材料大多可以实现5~10°C的辐射制冷效果。

尽管如此，研究者们也清醒意识到这项技术所存在的不足。“以空调为例，一般来说家用空调的功率一般是几千瓦，而受到物理学限制，辐射制冷目前单位面积制冷的最大功率为150瓦左右。如果想要达到一千多瓦的功率，则需要近10平方米的辐射制冷装置。功率要求越大，装置面积也越大，这是此项技术的一个弊端。”陈震补充，第二个限制条件在于，辐射制冷技术受天气影响较大，换句话说，如果空气湿度较大，大气透明窗口便会变小，影响热量的释放，因此，这项技术更适合应用在一些较为干燥的地方。

作为一项绿色科技创新技术，辐射制冷技术既不消耗能源，也不会排放温室气体，甚至可以帮助收集可再生能源，对于我国生态文明建设以及未来能源战略具有重要意义。“辐射制冷技术未来的前景十分广阔，值得更多科研工作者不断开拓探索。”陈震表示，将地球作为热端，外太空作为冷端，我们可以驱动热机做功，例如利用热电模块发电。此外，陈震教授团队正朝着最大化产水量的角度设计表面材料，尝试在比较干燥的地方收集可饮用水，这对于沙漠行军等极端情况下生存的人来说将会是一大福音。

交汇点记者 谢诗涵

编辑: 叶真