信息来源：Physics，作者：Ivan Amato
环境友好特征的固态热效应材料制冷技术，是取代传统制冷系统的潜在技术，但其合理价格且实用仍然是重大的挑战。
U.S. Dept. of Energy, Ames Laboratory
1997年，在Gd5(Si2Ge2)材料中首次观察到巨磁热效应位于马里兰大学帕克分校的A型工程样机高5英尺，它是解决全球变暖问题的部分解决方案之一。这个制冷原型的核心是一种可以通过挤压和释放来进行冷却的热效应制冷材料。这些类别的固态热效应材料会响应压力、电场或磁场作用而冷却，可以在不加剧气候变化的情况下满足世界快速增长的降温需求。在固态冷却概念中完全没有挥发性液体制冷剂，而挥发性液体制冷剂是目前所有冷却技术的生命线，是全球变暖的主要因素。
随着世界上数以亿计的空调、冰箱、冷冻机和除湿机老化并被丢弃，它们的制冷剂大多泄漏到大气中，这对太阳辐射的吸收比二氧化碳强大地多。每天，地球上汗流浃背的居民会安装大约 260,000 台新空调，按照这个速度至 2050 年，空调的数量可能会从目前的 12 亿台左右激增至 45 亿台。冷却设备内的蒸汽压缩系统已经消耗了全球约 20% 的电力，而这些电力的产生是人类二氧化碳排放的主要来源。如果没有全球范围内的冷却技术改造，冷却需求和供应的爆炸性增长注定会加剧全球变暖，而反过来又会增加对更多制冷的需求。这是一个恶性循环，已经破坏了世界应对气候变化的诸多方面。旧金山慈善机构Climate Works Foundation的Jessica Brown表示：“(2018年)新增太阳能产生的所有新发电量，都被插电的新空调机组完全占用了。”该机构为应对气候变化的努力提供资金。为了打断这种循环状态，马里兰大学材料科学家Ichiro Takeuchi（竹内一郎，A 型制冷测试装置的共同创造者）和世界各地的其他研究人员、技术人员和企业家正在积极开发热效应材料。他们希望通过类似于从真空管到晶体管的过渡，或用 LED取代白炽灯泡的转变来引领冷却技术，为了实现这一目标，他们必须找到具有一系列高难度系数特性的材料：足够的冷却能力、卓越的能源效率、足够的抗故障性、足够的成分可用性以及足够低的成本。这对一种材料的要求非常高，但随着对解决方案需求的日益增加，研究人员正在继续寻找具有全部功能的热效应材料。
01 无气体冷却
包括金属、陶瓷和塑料等越来越多的候选热效应材料相继出现。热效应材料的温度变化是由于材料的微观结构熵在循环磁场、电场或应力场作用下发生变化而引起的。例如，可以通过将磁畴与外加磁场对齐来降低磁热材料中的磁熵。原子晶格振动的熵增加以补偿，这导致了加热；去除顺序强化场，磁畴吸收了振动晶格的熵，使磁畴变得更加随机排列(更高的熵)，温度会下降。
诀窍是使用传热流体将循环的低磁熵阶段产生的热量分流到外部。然后，在高磁熵阶段，热交换系统必须改变方向，将已冷却的传热流体输送到制冷室或空调机组的冷却盘管中。
U.S. Dept. of Energy, Ames Laboratory; APS/D. Ehrenstein
在磁热冷却循环开始时（顶行），施加的磁场使材料中的磁畴取向一致，从而降低了其磁熵。为了补偿，与晶格振动相关的熵增加，材料升温；用热交换流体去除这些额外的热量，然后降低材料的温度（右下）；移除磁场，磁畴失去取向一致性，磁熵上升，降低了晶格的振动熵和温度（左下）。冷工质在冷却热交换流体时升温，热交换流体流向冰箱或空调的线圈，最后工质从低温端环境吸热，使得空调或电冰箱可以源源不断地将热量从低温端输送到高温端。
“基础科学就在那里。我们知道该如何去做，”爱荷华州美国能源部艾姆斯实验室的 Vitalij Pecharsky 说。“我们只是不知道如何以较低成本做到这一点。”例如，在磁热材料领域中，还没有人研发出一种足够抗疲劳的材料，在足够小的磁场驱动下可以产生足够的冷却量——且所有这些都价格合理，Pecharsky 说。但他和其他热效应材料专家谨慎乐观地认为，随着时间的推移和足够的研究保证，解决工程上的挑战将会取得进展。研究人员对电、磁或弹性等类型的热效应材料哪种最具前景看法不一。Takeuchi 现在押注于一类铜基材料，这些材料属于所谓的形状记忆合金 (SMA) 家族的一部分，可以通过相对温和的挤压产生弹性热量温度变化。Takeuchi 从一家日本公司获得了合金样品，该公司正在开发此种合金以帮助抑制地震中建筑物的运动。他说，这些材料将会以合理的价格大量供应，“你可以想象，如果材料是规模化生产的，那么我们就可以开展业务了。”
目前，他和研究生 David Catalini 正在将铅笔粗细大小的空心 SMA管簇应用于他们的 A 型样机中试验，努力开发具有适度冷却需求的原型设备，比如葡萄酒柜。这些管簇经历了被（活塞）挤压和释放的循环，中空形式使得热交换流体很容易通过它们。
I. Amato; I. Takeuchi/UMD
位于马里兰大学帕克分校Takeuchi 实验室的冷却系统测试台（左）包括管状弹性热材料（右），它们会随着受挤压而改变温度。宾夕法尼亚州立大学帕克分校（Penn State University, University Park）的Qiming Zhang教授是电卡材料领域的资深科学家。电场不会深入大多数固体中，因此电卡材料通常适用于小型设备的薄结构，例如用于冷却电子元件的结构。在过去的 15 年里，Zhang教授一直试图将电卡陶瓷和聚合物开发成足够实用、足够便宜、足够耐用的冷却材料。在波士顿举行的材料研究学会 (MRS) 会议上，他报告了利用弱电场聚合物产生大电卡效应（高达 20°C）的进展。Pecharsky 对磁热材料充满信心。1990 年代，他和同事们与总部位于密尔沃基的航天公司合作，制造生产了基于磁场中旋转的钆合金的磁制冷原型机。这一成就为热效应材料制冷的可行性提供了原理证明，同时宇航公司试图开发一种商业系统与蒸汽压缩设备竞争，但该公司未能充分降低所需磁场的生产成本，所以他们最终在几年前放弃了这个项目，航天工程师Steve Russek说。Pecharsky 承认磁制冷的道路将是漫长的，但他仍然相信目前的障碍是可以克服的。英国剑桥的创业公司Barocal希望利用其独有的“压卡效应”(BCE)材料加速技术开发。这些弹热材料会随着静水压力的变化而变暖或变冷。2019年11月，Barocal从139名参赛者中脱颖而出，跻身全球冷却奖(Global Cooling Prize)挑战赛的八名决赛选手之列，并获得20万美元奖金。该奖项主要由亿万富翁Richard Branson资助，旨在促进“超高效和气候友好型住宅制冷解决方案”的开发。Barocal的原型机设计核心是如新戊二醇(NPG)材料的所谓“塑料晶体”，该公司称其具有“巨大的压卡制冷效应”。该公司总经理、剑桥大学机械工程师William Averdieck称，Barocal最好的材料在施加1000个大气压的压力下会形成高达50°C的巨大温度变化(ΔT)。2019年4月，该公司的研究主管Xaviar Moya和合作者报告称，他们在NPG中测量到的巨大压卡效应源自于球状分子在压力下经历剧烈且可逆的体积缩小重排的能力。研究人员指出，他们观察到的压力诱导的熵和热变化比用最先进的压卡材料测量的要好10倍，“与标准商用氢氟烃制冷剂R134a的观测值相当”。在更早时候，Bing Li研究组及合作者们已在NPG材料中发现报告了相似的温度变化结果。Averdieck承认1000大气压的工作压力高得不切实际，即便如此，NPG极高的ΔT“给了我们继续前进的信心”。该公司目前样机的设计特点是在一个封闭的腔室中使用油基的塑料晶体颗粒悬浮液，腔室的压力由活塞上下循环获得。
使用当前蒸汽压缩技术运行的冷却设备总共消耗了全球约 20% 的电量。他们的温室气体制冷剂通常会泄露并加剧全球变暖。在未来几十年中，除非创新者能够开发出更环保的冷却技术，否则预计还会有数十亿台此类设备被人们安装使用。
研究人员将继续寻求新型的热效应材料。例如，一些研究者正在研究“多铁”材料，这种材料可以同时响应磁场、压力等多种外力作用而进行冷却。来自宾夕法尼亚州立大学和克利夫兰凯斯西储大学的研究人员，描述了他们使用机器学习技术计算筛选了 由 18 种元素组成的1034 种潜在铁合金的磁热特性。Takeuchi 仍然把赌注押在弹热合金上。即使在十年前，他也足够乐观，创办了一家名为 Maryland Energy and Sensor Technology 的公司，目标是将弹热制冷技术商业化。Takeuchi 乐观的迹象是，他的实验室里，几个等待安装弹热制冷模块的酒柜外壳正靠墙放置着。持续创新的动力是不容忽视的；在你阅读这篇文章的时间内，一千多台全新的空调已开始嗡嗡作响。参考文献
1. I. Campbell et al., Solving the Global Cooling Challenge, report from the Rocky Mountain Institute (2018).
2. P. Lloveras et al., “Colossal barocaloric effects near room temperature in plastic crystals of neopentylglycol,” Nat. Commun. 10, 1803 (2019).
3. B. Li et al., “Colossal barocaloric effects in plastic crystals,” Nature 567, 506 (2019).
Ivan Amato，In Hot Pursuit of 21st Century Cooling，, Physics 13, 21.
https://physics.aps.org/articles/v13/21
制冷技术在生产生活等多领域均起到了至关重要的作用，联合国统计数据表明全球每年25-30%的电力被用于制冷应用。温室效应和能源危机的加剧，制约限制了传统液体制冷剂的使用，提高了气体压缩制冷技术的能效要求，在气候变化和经济条件改善的推动下，对新型冷却材料和技术的需求愈发强烈。美国能源部曾将多种固态制冷材料和技术列为未来制冷可行性技术替代的选择模式，在传统制冷剂限制或禁止使用的前提下，发展具有绿色环保、节能高效和稳定可靠的固态制冷新材料与新技术，会成为世界各国关注的焦点和挑战。
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