1997年，在Gd5(Si2Ge2)材料中首次觀察到巨磁熱效應(yīng)
位于馬里蘭大學(xué)帕克分校的A型工程樣機(jī)高5英尺，它是解決全球變暖問題的部分解決方案之一。這個(gè)制冷原型的核心是一種可以通過擠壓和釋放來進(jìn)行冷卻的熱效應(yīng)制冷材料。這些類別的固態(tài)熱效應(yīng)材料會(huì)響應(yīng)壓力、電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用而冷卻，可以在不加劇氣候變化的情況下滿足世界快速增長(zhǎng)的降溫需求。在固態(tài)冷卻概念中完全沒有揮發(fā)性液體制冷劑，而揮發(fā)性液體制冷劑是目前所有冷卻技術(shù)的生命線，是全球變暖的主要因素。
隨著世界上數(shù)以億計(jì)的空調(diào)、冰箱、冷凍機(jī)和除濕機(jī)老化并被丟棄，它們的制冷劑大多泄漏到大氣中，這對(duì)太陽輻射的吸收比二氧化碳強(qiáng)大地多。每天，地球上汗流浹背的居民會(huì)安裝大約 260,000 臺(tái)新空調(diào)，按照這個(gè)速度至 2050 年，空調(diào)的數(shù)量可能會(huì)從目前的 12 億臺(tái)左右激增至 45 億臺(tái)。冷卻設(shè)備內(nèi)的蒸汽壓縮系統(tǒng)已經(jīng)消耗了全球約 20% 的電力，而這些電力的產(chǎn)生是人類二氧化碳排放的主要來源。如果沒有全球范圍內(nèi)的冷卻技術(shù)改造，冷卻需求和供應(yīng)的爆炸性增長(zhǎng)注定會(huì)加劇全球變暖，而反過來又會(huì)增加對(duì)更多制冷的需求。
這是一個(gè)惡性循環(huán)，已經(jīng)破壞了世界應(yīng)對(duì)氣候變化的諸多方面。舊金山慈善機(jī)構(gòu)Climate Works Foundation的Jessica Brown表示：“(2018年)新增太陽能產(chǎn)生的所有新發(fā)電量，都被插電的新空調(diào)機(jī)組完全占用了?！痹摍C(jī)構(gòu)為應(yīng)對(duì)氣候變化的努力提供資金。
為了打斷這種循環(huán)狀態(tài)，馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)家Ichiro Takeuchi（竹內(nèi)一郎，A 型制冷測(cè)試裝置的共同創(chuàng)造者）和世界各地的其他研究人員、技術(shù)人員和企業(yè)家正在積極開發(fā)熱效應(yīng)材料。他們希望通過類似于從真空管到晶體管的過渡，或用 LED取代白熾燈泡的轉(zhuǎn)變來引領(lǐng)冷卻技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們必須找到具有一系列高難度系數(shù)特性的材料：足夠的冷卻能力、卓越的能源效率、足夠的抗故障性、足夠的成分可用性以及足夠低的成本。這對(duì)一種材料的要求非常高，但隨著對(duì)解決方案需求的日益增加，研究人員正在繼續(xù)尋找具有全部功能的熱效應(yīng)材料。
01 無氣體冷卻
包括金屬、陶瓷和塑料等越來越多的候選熱效應(yīng)材料相繼出現(xiàn)。熱效應(yīng)材料的溫度變化是由于材料的微觀結(jié)構(gòu)熵在循環(huán)磁場(chǎng)、電場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生變化而引起的。例如，可以通過將磁疇與外加磁場(chǎng)對(duì)齊來降低磁熱材料中的磁熵。原子晶格振動(dòng)的熵增加以補(bǔ)償，這導(dǎo)致了加熱；去除順序強(qiáng)化場(chǎng)，磁疇吸收了振動(dòng)晶格的熵，使磁疇變得更加隨機(jī)排列(更高的熵)，溫度會(huì)下降。
訣竅是使用傳熱流體將循環(huán)的低磁熵階段產(chǎn)生的熱量分流到外部。然后，在高磁熵階段，熱交換系統(tǒng)必須改變方向，將已冷卻的傳熱流體輸送到制冷室或空調(diào)機(jī)組的冷卻盤管中。
U.S. Dept. of Energy, Ames Laboratory; APS/D. Ehrenstein
在磁熱冷卻循環(huán)開始時(shí)（頂行），施加的磁場(chǎng)使材料中的磁疇取向一致，從而降低了其磁熵。為了補(bǔ)償，與晶格振動(dòng)相關(guān)的熵增加，材料升溫；用熱交換流體去除這些額外的熱量，然后降低材料的溫度（右下）；移除磁場(chǎng)，磁疇失去取向一致性，磁熵上升，降低了晶格的振動(dòng)熵和溫度（左下）。冷工質(zhì)在冷卻熱交換流體時(shí)升溫，熱交換流體流向冰箱或空調(diào)的線圈，最后工質(zhì)從低溫端環(huán)境吸熱，使得空調(diào)或電冰箱可以源源不斷地將熱量從低溫端輸送到高溫端。
“基礎(chǔ)科學(xué)就在那里。我們知道該如何去做，”愛荷華州美國(guó)能源部艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的 Vitalij Pecharsky 說?！拔覀冎皇遣恢廊绾我暂^低成本做到這一點(diǎn)?！崩?，在磁熱材料領(lǐng)域中，還沒有人研發(fā)出一種足夠抗疲勞的材料，在足夠小的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下可以產(chǎn)生足夠的冷卻量——且所有這些都價(jià)格合理，Pecharsky 說。但他和其他熱效應(yīng)材料專家謹(jǐn)慎樂觀地認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移和足夠的研究保證，解決工程上的挑戰(zhàn)將會(huì)取得進(jìn)展。
02 熱效應(yīng)材料的多樣性
研究人員對(duì)電、磁或彈性等類型的熱效應(yīng)材料哪種最具前景看法不一。Takeuchi 現(xiàn)在押注于一類銅基材料，這些材料屬于所謂的形狀記憶合金 (SMA) 家族的一部分，可以通過相對(duì)溫和的擠壓產(chǎn)生彈性熱量溫度變化。Takeuchi 從一家日本公司獲得了合金樣品，該公司正在開發(fā)此種合金以幫助抑制地震中建筑物的運(yùn)動(dòng)。他說，這些材料將會(huì)以合理的價(jià)格大量供應(yīng)，“你可以想象，如果材料是規(guī)模化生產(chǎn)的，那么我們就可以開展業(yè)務(wù)了?！?
目前，他和研究生 David Catalini 正在將鉛筆粗細(xì)大小的空心 SMA管簇應(yīng)用于他們的 A 型樣機(jī)中試驗(yàn)，努力開發(fā)具有適度冷卻需求的原型設(shè)備，比如葡萄酒柜。這些管簇經(jīng)歷了被（活塞）擠壓和釋放的循環(huán)，中空形式使得熱交換流體很容易通過它們。
I. Amato; I. Takeuchi/UMD
位于馬里蘭大學(xué)帕克分校Takeuchi 實(shí)驗(yàn)室的冷卻系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)（左）包括管狀彈性熱材料（右），它們會(huì)隨著受擠壓而改變溫度。
賓夕法尼亞州立大學(xué)帕克分校（Penn State University, University Park）的Qiming Zhang教授是電卡材料領(lǐng)域的資深科學(xué)家。電場(chǎng)不會(huì)深入大多數(shù)固體中，因此電卡材料通常適用于小型設(shè)備的薄結(jié)構(gòu)，例如用于冷卻電子元件的結(jié)構(gòu)。在過去的 15 年里，Zhang教授一直試圖將電卡陶瓷和聚合物開發(fā)成足夠?qū)嵱?、足夠便宜、足夠耐用的冷卻材料。在波士頓舉行的材料研究學(xué)會(huì) (MRS) 會(huì)議上，他報(bào)告了利用弱電場(chǎng)聚合物產(chǎn)生大電卡效應(yīng)（高達(dá) 20°C）的進(jìn)展。
Pecharsky 對(duì)磁熱材料充滿信心。1990 年代，他和同事們與總部位于密爾沃基的航天公司合作，制造生產(chǎn)了基于磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的釓合金的磁制冷原型機(jī)。這一成就為熱效應(yīng)材料制冷的可行性提供了原理證明，同時(shí)宇航公司試圖開發(fā)一種商業(yè)系統(tǒng)與蒸汽壓縮設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)，但該公司未能充分降低所需磁場(chǎng)的生產(chǎn)成本，所以他們最終在幾年前放棄了這個(gè)項(xiàng)目，航天工程師Steve Russek說。Pecharsky 承認(rèn)磁制冷的道路將是漫長(zhǎng)的，但他仍然相信目前的障礙是可以克服的。
03 在壓力下成功
英國(guó)劍橋的創(chuàng)業(yè)公司Barocal希望利用其獨(dú)有的“壓卡效應(yīng)”(BCE)材料加速技術(shù)開發(fā)。這些彈熱材料會(huì)隨著靜水壓力的變化而變暖或變冷。2019年11月，Barocal從139名參賽者中脫穎而出，躋身全球冷卻獎(jiǎng)(Global Cooling Prize)挑戰(zhàn)賽的八名決賽選手之列，并獲得20萬美元獎(jiǎng)金。該獎(jiǎng)項(xiàng)主要由億萬富翁Richard Branson資助，旨在促進(jìn)“超高效和氣候友好型住宅制冷解決方案”的開發(fā)。
Barocal的原型機(jī)設(shè)計(jì)核心是如新戊二醇(NPG)材料的所謂“塑料晶體”，該公司稱其具有“巨大的壓卡制冷效應(yīng)”。該公司總經(jīng)理、劍橋大學(xué)機(jī)械工程師William Averdieck稱，Barocal最好的材料在施加1000個(gè)大氣壓的壓力下會(huì)形成高達(dá)50°C的巨大溫度變化(ΔT)。
2019年4月，該公司的研究主管Xaviar Moya和合作者報(bào)告稱，他們?cè)贜PG中測(cè)量到的巨大壓卡效應(yīng)源自于球狀分子在壓力下經(jīng)歷劇烈且可逆的體積縮小重排的能力。研究人員指出，他們觀察到的壓力誘導(dǎo)的熵和熱變化比用最先進(jìn)的壓卡材料測(cè)量的要好10倍，“與標(biāo)準(zhǔn)商用氫氟烴制冷劑R134a的觀測(cè)值相當(dāng)”。在更早時(shí)候，Bing Li研究組及合作者們已在NPG材料中發(fā)現(xiàn)報(bào)告了相似的溫度變化結(jié)果。
Averdieck承認(rèn)1000大氣壓的工作壓力高得不切實(shí)際，即便如此，NPG極高的ΔT“給了我們繼續(xù)前進(jìn)的信心”。該公司目前樣機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在一個(gè)封閉的腔室中使用油基的塑料晶體顆粒懸浮液，腔室的壓力由活塞上下循環(huán)獲得。
hroe/iStock/Getty Images
使用當(dāng)前蒸汽壓縮技術(shù)運(yùn)行的冷卻設(shè)備總共消耗了全球約 20% 的電量。他們的溫室氣體制冷劑通常會(huì)泄露并加劇全球變暖。在未來幾十年中，除非創(chuàng)新者能夠開發(fā)出更環(huán)保的冷卻技術(shù)，否則預(yù)計(jì)還會(huì)有數(shù)十億臺(tái)此類設(shè)備被人們安裝使用。
04 更多內(nèi)容
研究人員將繼續(xù)尋求新型的熱效應(yīng)材料。例如，一些研究者正在研究“多鐵”材料，這種材料可以同時(shí)響應(yīng)磁場(chǎng)、壓力等多種外力作用而進(jìn)行冷卻。來自賓夕法尼亞州立大學(xué)和克利夫蘭凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究人員，描述了他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)計(jì)算篩選了 由 18 種元素組成的1034 種潛在鐵合金的磁熱特性。
Takeuchi 仍然把賭注押在彈熱合金上。即使在十年前，他也足夠樂觀，創(chuàng)辦了一家名為 Maryland Energy and Sensor Technology 的公司，目標(biāo)是將彈熱制冷技術(shù)商業(yè)化。Takeuchi 樂觀的跡象是，他的實(shí)驗(yàn)室里，幾個(gè)等待安裝彈熱制冷模塊的酒柜外殼正靠墻放置著。持續(xù)創(chuàng)新的動(dòng)力是不容忽視的；在你閱讀這篇文章的時(shí)間內(nèi)，一千多臺(tái)全新的空調(diào)已開始嗡嗡作響。
原文信息
Ivan Amato，In Hot Pursuit of 21st Century Cooling，F(xiàn)ebruary 20, 2020, Physics 13, 21.
制冷技術(shù)在生產(chǎn)生活等多領(lǐng)域均起到了至關(guān)重要的作用，聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明全球每年25-30%的電力被用于制冷應(yīng)用。溫室效應(yīng)和能源危機(jī)的加劇，制約限制了傳統(tǒng)液體制冷劑的使用，提高了氣體壓縮制冷技術(shù)的能效要求，在氣候變化和經(jīng)濟(jì)條件改善的推動(dòng)下，對(duì)新型冷卻材料和技術(shù)的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。美國(guó)能源部曾將多種固態(tài)制冷材料和技術(shù)列為未來制冷可行性技術(shù)替代的選擇模式，在傳統(tǒng)制冷劑限制或禁止使用的前提下，發(fā)展具有綠色環(huán)保、節(jié)能高效和穩(wěn)定可靠的固態(tài)制冷新材料與新技術(shù)，會(huì)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)和挑戰(zhàn)。
