图中左侧是一个由新型绝热材料制成的圆盘（白色），可阻挡并反射可见光，使其下方的MIT标志不可见。但在红外线的照射下，如图中右侧所示，圆盘变得透明，MIT标志清晰可见。 （图片来源：Arny Leroy, Evelyn Wang等）
想象这样一种装置：在室外的烈日下，不依靠任何能源，可将物体冷却23华氏度（约13摄氏度）以上。虽然听起来不可思议，但MIT和智利的研究人员开发的新系统可以做到。
该装置没有运动部件，以一种叫辐射制冷的方式运行。它通过阻挡日光照射，控制温升，同时对外界有效辐射红外线——本质上是热量，使装置温度显著低于环境气温。
实现这种简单、廉价的系统，关键在于一种特殊绝热材料，它由一种叫气凝胶的聚乙烯泡沫制成。这种视觉上和感觉上都有点像棉花糖的轻量材料，能阻挡、反射可见光，从而避免可见光的穿透和照射。但这种材料可允许携带热量的红外线自由地向外界辐射。
这项研究现已在《科学进展》（Science Advances）上发表，作者是MIT研究生Arny Leroy和机械工程系主任、教授Evelyn Wang，以及其他七位MIT和智利天主教大学的同事。
Leroy举例解释，这样的系统可用于防止果蔬变质，对于没有可靠制冷源的边远地区，农产品保鲜期可因此延长一倍。
热增量最小化
辐射制冷是大多数高温物体用于冷却的主要方法。由于空气对红外线高度通透，向外界辐射携带物体热量的中波长红外线，可达到冷却物体的目的。
新装置基于Wang和同事于一年前展示的一个概念。这个概念也运用辐射制冷，但却利用一个物理屏障——一个窄金属条——来遮挡直射设备的日光，防止温升。但基于此开发的装置只能提供不足新装置一半的冷却功率，因为新装置的绝热层更高效。
Leroy解释，“最大的问题是绝热。”妨碍早期设备实现深度冷却的最大热源是环境空气。他考虑，“如何保持（物体）表面冷却，同时又让其继续向外辐射。”现在的问题在于，绝大多数的绝热材料都能良好地阻挡红外线传播，影响辐射制冷的效果。
Gail E.Kendall机械工程教授Wang表示，已有很多研究聚焦于如何减少热损失，但另一个问题——如何将热增量最小化——却少有人关注。她说，“这是一个大难题。”
现场试验测量辐射制冷装置在充足日照下的性能，图中左侧装置覆盖有绝热材料，右侧装置没有覆盖。 （图片来源：MIT）
解决方法是开发一种新型气凝胶。气凝胶作为一种轻量材料，其内部主要是空气，具有极好的绝热性能，结构由一些微小泡沫状的材料形成。研究团队的贡献是利用聚乙烯——用于多种塑料袋的材料——合成气凝胶。产物是一种柔软、湿黏的白色材料，重量极轻，相同体积下的重量仅为水的1/50。
Leroy表示，这种材料成功的关键在于，它不仅能阻挡90%以上的入射日光，保护下方表面不被晒热，而且对红外线保持高通透性，允许80%左右的红外线自由通过。“看到这种材料时，我们非常兴奋。”
这使得它能显著冷却置于绝热层下方的平板。该平板由金属或陶瓷等材料制成，被称为辐射体，可冷却与之相连的容器，或冷却与之接触的线圈中流经的液体，从而冷却农产品、空气或水。
设备测试
为检验预期的性能，研究团队与智利的合作者在地球上最干燥的地区之一——智利阿塔卡马沙漠搭建了一个概念验证装置。这里虽在赤道上，但几乎没有降雨，而有炎炎烈日，足以让装置接受实际测试。在正午的充足日照下，装置降温13摄氏度。与位于马萨诸塞州剑桥市的MIT校园进行的测试类似，当时温度降了近10摄氏度。
研究人员表示，这种程度的降温足以对边远地区的农产品保鲜产生重大影响。此外，它还可为电冷提供初期的冷却，最大限度降低这些系统的负荷，实现功耗更低、运行更高效。
研究人员还表示，理论上这样的装置可实现高达50摄氏度的降温，为此他们正继续研究优化系统的方法，以期在不依靠任何能源的条件下，拓展至建筑空调等其他冷却应用中。现有的一些空调系统已集成辐射制冷来提高效率。
他们的研究已在日光直射下取得比其他任何被动辐射系统都大的制冷量，除了使用真空绝热的系统——虽然它们效果很好，但却沉重、昂贵、易损。
这种方法也可以作为其他任何类型制冷系统的低成本附加设备，给更常规的系统辅助提供额外的制冷。Leroy表示，“任何系统只要使用气凝胶加以改造，都能获得更好的性能。”
普渡大学电气与计算机工程副教授Peter Bermel（未参与这项研究）表示，“与先前的一些实验相比，这种聚乙烯气凝胶的主要潜在好处可能是其相对紧凑和简易。”
他还补充，“可能需要将这种方法与聚乙烯薄膜、位于某特定位置的隔热物质等一些替代方法进行定量对比，综合考虑性能（比如温度变化）、成本、单位面积重量等因素。……如果在比较后发现这些气凝胶在成本收益的均衡上有明显优势，那么可能会有显著的实际效益。”
作者：David Chandler
翻译：巢栩嘉
审校：赵欢
引进来源：麻省理工学院（MIT）
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