MIT設備即使在烈日下也無需通電或移動部件即可冷卻

在左側的照片中，新絕緣材料的碟片擋住並反射了可見光，將MIT徽標隱藏在其下。但是在右側的紅外光中，該材料是透明的，徽標是可見的。

被動設備依賴於一層材料，該材料可以阻擋入射的陽光，但可以讓熱量散發出去。

想像一下，在晴朗的天氣裡，可以在烈日下坐在室外的設備，而無需使用任何電源，可以將物品冷卻到超過23 華氏度（13 攝氏度）的水平。聽起來幾乎像魔術，但是由麻省理工學院和智利的研究人員設計的新系統可以做到這一點。

該設備沒有活動部件，其工作過程稱為輻射冷卻。它可以阻擋入射的陽光以防止其被加熱，同時有效地輻射出紅外光（本質上是熱量），該紅外光會直射到天空和太空中，從而使設備的溫度大大低於環境空氣溫度。

這種簡單，廉價的系統發揮作用的關鍵是一種特殊的絕緣材料，它由一種叫做氣凝膠的聚乙烯泡沫製成。這種輕巧的材料看上去和感覺像棉花糖，可以阻擋和反射可見的陽光，以免它們穿透。但是，它對攜帶熱量的紅外線高度透明，從而使紅外線可以自由向外傳遞。

該新系統在論文中描述的2019年10月30日公布，在該雜誌科學進展，在麻省理工學院和在天主教大學，麻省理工學院研究生阿尼樂華，機械工程及部門負責人伊夫林王教授，和其他七人智利。

Leroy解釋說，這樣的系統可以用作防止蔬菜和水果變質的一種方法，從而可以在無法獲得可靠製冷功率的偏遠地區使產品保持新鮮的時間加倍。

減少熱量增加

輻射冷卻只是大多數熱物體用於冷卻的主要過程。它們發射中距離的紅外輻射，該輻射將來自物體的熱能直接帶入太空，因為空氣對紅外光高度透明。

新設備基於Wang和其他人一年前展示的概念，該概念也使用輻射冷卻，但採用了物理屏障（窄金屬條）來遮擋陽光直射的設備，以防止其發熱。該設備可以工作，但是由於其高效的絕緣層，它提供的冷卻功率不到新系統的一半。

在現場測試中，在有隔熱材料的情況下（左）和沒有隔熱材料的情況下（右），在全日照下測量了輻射冷卻裝置的性能。

「最大的問題是絕緣，」 Leroy解釋道。阻止較早的設備實現更深冷卻的最大熱量輸入是周圍空氣的熱量。「如何在保持表面散熱的同時又保持其表面涼爽？」 他想知道。問題在於，幾乎所有絕緣材料也都非常擅長阻擋紅外光，因此會干擾輻射冷卻效果。

蓋爾·肯德爾（Gail E. Kendall）機械工程學教授Wang表示，目前已經進行了很多有關減少熱量損失的方法的研究。但是，這是一個很少受到關注的不同問題：如何最大程度地減少熱量獲取。她說：「這是一個非常困難的問題。」

這款氣凝膠成功的關鍵在於，儘管它能阻擋90％以上的入射陽光，從而保護下面的表面不受熱，但它對紅外光非常透明，使大約80％的熱射線可以自由地向外傳遞。

解決方案是通過開發新型氣凝膠來解決的。氣凝膠是一種輕質材料，主要由空氣組成，具有很好的隔熱性，其結構由某些材料的類似微觀泡沫的結構組成。團隊的新見解是用聚乙烯製成的氣凝膠，聚乙烯是許多塑膠袋中使用的材料。結果是一種柔軟，多汁的白色材料，重量極輕，給定體積的重量僅為水的1/50。

其成功的關鍵在於，儘管它阻擋了90％以上的入射陽光，從而保護了其下面的表面免於加熱，但它對紅外光卻非常透明，從而使大約80％的熱射線自由地向外通過。「當我們看到這種材料時，我們感到非常興奮，」 Leroy說。

結果是它可以極大地冷卻由諸如金屬或陶瓷之類的材料製成的，置於絕緣層下方的板，該板稱為發射極。然後，該板可以冷卻與其相連的容器，或冷卻通過與之接觸的線圈的液體，從而為產品或空氣或水提供冷卻。

對設備進行測試

為了檢驗他們對它的有效性的預測，該團隊與智利的合作者一起在智利的阿塔卡馬沙漠中建立了概念驗證設備，該沙漠的一部分是地球上最乾燥的土地。他們幾乎沒有降雨，但是正好在赤道上，他們接受了烈日，可以對設備進行實際測試。該設備在太陽正午陽光充足的條件下冷卻了13攝氏度。麻省理工學院位於麻薩諸塞州劍橋市的校園進行的類似測試得出的冷卻溫度接近10度。

該小組與智利的研究人員合作，在聖佩德羅的阿塔卡馬沙漠小鎮以及麻薩諸塞州的劍橋進行了現場測試。

研究人員說，足夠的冷卻足以使偏遠地區的農產品保存產生重大影響。此外，它可用於為電製冷提供初始冷卻階段，從而將這些系統上的負載降至最低，從而使它們能夠以更少的功率更高效地運行。

研究人員說，從理論上講，這種設備可以將溫度降低多達50攝氏度，因此他們正在繼續研究進一步優化系統的方法，以便可以將其擴展到其他製冷應用中，例如建築物空調而無需對任何動力源的需求。輻射冷卻已經與某些現有的空調系統集成在一起，以提高其效率。

不過，與使用真空系統進行絕緣的被動式輻射系統相比，它們在直接日光下已經實現了更多的冷卻，這非常有效，但又笨重，昂貴且脆弱。

它可用於為電製冷提供初始冷卻階段，從而將這些系統上的負載降至最低，從而使它們能夠以更少的功率更高效地運行。

這種方法也可以作為任何其他類型的冷卻系統的低成本附件，從而提供額外的冷卻以補充更常規的系統。勒羅伊說：「無論您使用什麼系統，都將氣凝膠塗在它上面，您將獲得更好的性能。」

普渡大學電氣與計算機工程副教授彼得·伯梅爾（Peter Bermel）並未參與這項工作，他說：「與許多以前的技術相比，此處展示的聚乙烯氣凝膠的主要潛在優勢可能是其相對緊湊和簡單。實驗。」

他補充說：「將這種方法與一些替代方法進行定量比較和對比可能會有所幫助，例如在性能（例如溫度變化），成本和每單位面積重量方面，使用聚乙烯薄膜和角度選擇膠粘劑。……如果進行比較，並且在成本/收益之間的權衡明顯地有利於這些氣凝膠，那麼其實際收益將是可觀的。」