系统提供无电冷却

想象一下，在晴朗的日子里，一个设备可以坐在户外，在强烈的阳光下，不使用任何电源，就可以把东西冷却到超过23华氏度(13摄氏度)。这听起来几乎像魔术，但麻省理工学院和智利的研究人员设计的一个新系统可以做到这一点。

该装置没有可移动的部件，其工作过程被称为辐射冷却。它可以阻挡入射的阳光，使其不被加热，同时有效地发射出红外光(本质上是热)，红外光直接进入天空和太空，使设备的温度大大低于周围的空气温度。

这个简单、便宜的系统的关键是一种特殊的绝缘材料，由一种叫做气凝胶的聚乙烯泡沫材料制成。这种轻质材料看起来和摸起来都有点像棉花糖，它能阻挡和反射太阳光中的可见光，使它们无法穿透。但它对携带热量的红外线来说是高度透明的，允许它们自由地向外传递。

今天，麻省理工学院的研究生Arny Leroy，机械工程教授和系主任Evelyn Wang，以及麻省理工学院和智利天主教大学的其他7位教授在《科学进展》杂志上发表了一篇论文，描述了这个新系统。

例如，Leroy解释说，这样的系统可以用来防止蔬菜和水果腐烂，从而使农产品保持新鲜的时间增加一倍，因为在偏远地区没有可靠的制冷电源。

减少吸热

辐射冷却只是大多数热的物体用来冷却的主要过程。它们发射出中程的红外辐射，将物体的热能直接送入太空，因为空气对红外线是高度透明的。

新设备是基于王和其他人一年前演示的一个概念，也使用了辐射冷却，但使用了一个物理屏障，一个狭窄的金属条，将设备遮挡在阳光直射下，防止它升温。该设备工作正常，但由于其高效的绝缘层，它提供的冷却功率还不到新系统的一半。

“绝缘是个大问题，”勒罗伊解释说。阻止早期设备实现深度冷却的最大热量输入来自周围空气的热量。“你如何在保持表面低温的同时还让它辐射呢?””他想。问题是几乎所有的绝缘材料都很擅长阻挡红外线，因此会干扰散热效果。

机械工程教授Gail E. Kendall说，已经有很多关于如何最小化热损失的研究。但这是一个不太受关注的问题:如何减少热量的增加。“这是一个非常困难的问题，”她说。

解决办法来自一种新型气凝胶的开发。气凝胶是一种轻质材料，主要由空气组成，具有良好的隔热性能，其结构由某些材料的微观泡沫状结构组成。该团队的新想法是用聚乙烯制造气凝胶，这种材料用于许多塑料袋中。结果是一种柔软、柔软、白色的材料，非常轻，一个给定体积的重量只有水的1/50。

它成功的关键是，虽然它阻挡了超过90%的入射阳光，从而保护下面的表面不受加热，但它对红外线非常透明，允许大约80%的热射线自由地向外传递。“当我们看到这些材料时，我们非常兴奋，”Leroy说。

其结果是，它可以显著地冷却放置在绝缘层(即所谓的发射器)下的金属或陶瓷等材料制成的板。然后，这个金属板可以冷却一个连接到它的容器，或冷却通过与它接触的线圈的液体，为农产品、空气或水提供冷却。

对设备进行测试

为了测试他们对其有效性的预测，这个团队和他们的智利合作者在智利的阿塔卡马沙漠建立了一个概念验证装置，那里是地球上最干旱的地方。它们几乎没有收到任何降雨，然而，由于地处赤道，它们接收到的强烈阳光可能会让该设备面临真正的考验。该设备在中午阳光充足的情况下实现了13摄氏度的冷却。在麻省理工学院位于马萨诸塞州剑桥市的校园里进行的类似测试，温度仅略低于10度。

研究人员说，这样的冷却足以使农产品在偏远地区的保鲜效果发生显著变化。此外，它可以用来为电力制冷提供一个初始的冷却阶段，从而使这些系统的负载最小化，使它们能够以更少的电力更有效地运行。

从理论上讲,这种装置可以实现高达50度的温度下降,研究人员说,他们还在继续工作的方法进一步优化系统,以便它可以扩大到其他冷却应用,如建筑空调的不需要任何电源。辐射冷却已经与一些现有的空调系统相结合，以提高它们的效率。

尽管如此，他们已经在阳光直射下获得了比其他任何被动辐射系统都要多的冷却效果，除了那些使用真空系统隔热的系统——这是非常有效的，但也很笨重、昂贵和脆弱。

这种方法也可以是任何其他冷却系统的低成本附加，提供额外的冷却来补充更传统的系统。“无论你用什么系统，”Leroy说，“把气凝胶放在上面，你会得到更好的性能。”

普渡大学(Purdue University)电子与计算机工程副教授彼得·贝尔梅尔(Peter Bermel)没有参与这项工作，他说:“与之前的一些实验相比，这里展示的聚乙烯气凝胶的主要潜在好处可能是它的相对紧凑和简单。”

他补充说:“将这种方法与一些替代方法进行定量比较和对比可能会有所帮助，比如在性能(如温度变化)、成本和单位面积重量方面的聚乙烯薄膜和角度选择性阻塞。”如果进行比较，并在成本和效益之间进行权衡，这些气凝胶的实际效益可能是显著的。”

这项工作得到了麻省理工学院国际科学技术计划(MISTI)智利全球种子基金赠款和美国能源部通过固态太阳能热能转换中心(S3TEC)的部分支持。