香港科技大學(xué)工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)近日取得重大技術(shù)突破，成功研制出全球首臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)零下12攝氏度低溫的彈卡冷凍裝置。這項(xiàng)創(chuàng)新成果不僅拓展了綠色制冷技術(shù)的應(yīng)用邊界，更為全球冷凍行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。相關(guān)研究論文以《低溫相變合金實(shí)現(xiàn)零下彈卡制冷》為題，已發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》。

在全球氣候變暖背景下，制冷需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)顯示，冷凍技術(shù)消耗的電力占全球總量的相當(dāng)比例，而傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)依賴的氫氟烴類制冷劑，其全球變暖潛能值高達(dá)二氧化碳的數(shù)千倍。基于形狀記憶合金的彈卡制冷技術(shù)因其零排放、高能效特性，被視為最具潛力的環(huán)保替代方案。該技術(shù)通過(guò)合金在循環(huán)應(yīng)力作用下的相變潛熱吸收與釋放實(shí)現(xiàn)制冷，完全摒棄傳統(tǒng)制冷劑。

科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人孫慶平教授介紹，新型裝置通過(guò)三大核心技術(shù)革新實(shí)現(xiàn)性能突破：首先采用高鎳含量（51.2 at%）的鎳鈦合金，通過(guò)成分優(yōu)化將奧氏體相變結(jié)束溫度降至零下20.8攝氏度，使合金在極低溫環(huán)境下仍保持優(yōu)異超彈性；其次開(kāi)發(fā)出凝固點(diǎn)低至零下55攝氏度的氯化鈣水溶液作為傳熱介質(zhì)，有效解決低溫結(jié)冰問(wèn)題；最后創(chuàng)新設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)式管狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)八個(gè)鎳鈦合金單元的精密排列，將傳熱面積與體積比提升至8.68毫米?1。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在1赫茲運(yùn)行頻率下，該桌面型裝置成功實(shí)現(xiàn)24攝氏度至零下12攝氏度的36攝氏度溫差跨越，創(chuàng)下彈卡制冷領(lǐng)域零下溫度新紀(jì)錄。集成后的0.25立方米裝置在20-25攝氏度環(huán)境溫度下，60分鐘內(nèi)將隔熱腔室溫度穩(wěn)定降至零下4攝氏度，并能在兩小時(shí)內(nèi)完全凍結(jié)20毫升蒸餾水。性能測(cè)試表明，其單位質(zhì)量制冷功率達(dá)每克1.43瓦，系統(tǒng)能效比最高達(dá)3.4，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

這項(xiàng)突破具有顯著的環(huán)境效益。據(jù)研究估算，全球冷凍行業(yè)每年產(chǎn)生約3.3億噸二氧化碳當(dāng)量的溫室氣體排放，占?xì)浞鸁N類制冷劑總排放量的27%。新型零排放技術(shù)若能廣泛應(yīng)用，每年可減少相當(dāng)規(guī)模的溫室氣體排放，相當(dāng)于種植17億棵成年樹(shù)木的碳匯效果。特別在醫(yī)藥冷鏈、食品冷凍等低溫應(yīng)用領(lǐng)域，該技術(shù)將有效替代現(xiàn)有高污染制冷系統(tǒng)。

研究團(tuán)隊(duì)透露，目前正與多家行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)開(kāi)展合作，重點(diǎn)攻克材料規(guī)模化制備、系統(tǒng)集成優(yōu)化等商業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)改進(jìn)合金加工工藝和熱力學(xué)設(shè)計(jì)，計(jì)劃將制冷功率密度提升50%以上，同時(shí)降低30%的系統(tǒng)成本。潘樂(lè)陶氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究中心主任指出，該成果驗(yàn)證了跨學(xué)科技術(shù)創(chuàng)新的巨大潛力，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供了新的技術(shù)選項(xiàng)。