你是否设想过这样的场景：在炎热的夏天不需要空调，就能保持室内凉爽？有没有一种方式可以将地球上的热量，以不消耗任何能源的方式释放到寒冷的太空？这些理想的甚至带点科幻味道的情景能实现吗？东南大学机械工程学院陈震教授用一项新技术给了我们一个肯定的答案，那就是——辐射制冷。

什么是辐射制冷？

辐射制冷，指的是使温度较高的物体向外界辐射能量以降低温度的方法。太空辐射制冷，就是通过辐射制冷材料，以红外辐射方式将热释放到寒冷的太空，实现材料自身降温制冷。

霜和露水： 自然中的辐射冷却

陈震说，在生活中我们已经感受过了自然状态下的辐射冷却。比如，霜和露水就是一种自然的辐射制冷结果，但这种自然现象只能在夜晚出现，因为在白天太阳会源源不断地给予大地热量。要在白天实现远低于环境温度的辐射冷却效果，不仅要阻断太阳的加热效应，还必须隔绝周围环境与设备的换热。

古人如何利用 “辐射制冷”制冰

陈震告诉记者，他读到的关于辐射制冷的最早记载是在公元前4世纪，波斯人利用辐射制冷技术制冰，那里很干燥，有很多沙漠，尤其秋冬之际，地面温度非常低，夜间他们在地面挖一个水槽放满水，第二天就会变成冰。这是因为，如果空气温度只比冰点高一点，水释放出热量会使水温低于周围空气的温度，从而让它结冰。

 陈震教授

【研究设想】

通过“大气层被子”上的“窟窿”

将热量排放出地球之外

为了方便读者理解，陈震用了一个形象的例子：我们可以将包裹着地球的大气层想象成一床巨大的“被子”，“被子”里面的地球保持着适合人类居住的温度，而“被子”之外则无比寒冷，不适合人类生存。“被子”保护着地球免受宇宙的严寒入侵，但它允许太阳光的射入，当吸收了太阳光的地面再次将能量辐射出去的时候，能量会转变为无法透过大气层发散的红外辐射，最终被“被子”挡住，地球也就越来越“热”，这便是常见的“温室效应”。

那要怎样才能突破“被子”的“防守”，给地球降温呢？陈震解释，其实这层包裹地球的“被子”并非完美无缺，它上面存在着一些大大小小的“窟窿”，这些“窟窿”不是实际的物理空间，而是一些特定的波段，“我们想，能不能做出一个器件，只对‘窟窿’上的波段进行辐射，从而将热量排放出地球之外。”

 辐射制冷实验装置

【实验成果】

实现24小时昼夜不间断降温

太阳能利用与辐射制冷合二为一

陈震告诉记者，辐射制冷技术正是透过这些“窟窿”，把热量释放到外太空去。但光实现“散热”还不够，“根据物理定律，热量总会自发地从热端去往更冷的一端。地球之外是更冷的外太空，所以散热不成问题。不过，还得保证，这个器件在‘散热’过程中，不会吸收比自己温度更高的热量。”

经过多年实验，斯坦福大学Shanhui Fan教授团队利用光子学设计，首次设计出了这样的一款器件，它一方面只会对应“窟窿”上的波长辐射散热，另一方面也能对温度更高的热量做到“熟视无睹”，只“看得见”比它更冷的外太空。最终在二者的结合下，首次实现在太阳直射情况下辐射制冷至环境温度以下的制冷效果。这一颠覆性结果立刻引起了国内外学者的研究热潮。

2018年，陈震发表了一项重要研究成果——太阳能吸收器加热到高于环境温度24℃，并提供遮阳效果，使辐射冷却器达到低于环境温度29℃。通过此装置既收集了太阳能又实现了辐射制冷。这是人类第一次把这两种热力学资源结合起来利用。

目前，陈震的实验结果可以实现连续24小时低于环境温度平均37℃的制冷，最大温差可达42℃，是迄今为止辐射制冷实现的最高纪录。

辐射制冷有哪些“用武之地”？

作为一项绿色科技创新技术，辐射制冷技术既不消耗能源，也不会排放温室气体，甚至可以帮助收集可再生能源，为人类发展和环境保护提供新方法。

为建筑物“降温”、做功发电

陈震介绍，目前辐射制冷技术可以跟很多的技术结合起来应用，最简单的应用就是制冷，像空调一样给建筑降温，“比如说，在建筑物的屋顶上铺上这种材料，它能代替一部分空调的作用。”

此外，还可以将太阳能利用与辐射制冷合二为一，用来发电。陈震解释道，因为太阳比地球更热，太阳的温度在6000k（开尔文，温度单位），而地球只有300k，从热力学的角度看，这些温差就可以用来做功，最后以电的形式表现出来。“辐射制冷技术也是同理，只不过辐射制冷技术使用的并不是热源，而是外宇宙这个冷源。宇宙很冷，能达到零下270℃，而地球有二三十℃，300℃的温差就可以做功发电了。”

辐射制冷还可以通过给太阳能电池板降温的方式提升电池板效能，“太阳能电池板每降温1℃，太阳能电池的相对效率便能提升0.5％。别小看这0.5％，每年整个太阳能产业通过改进科技而提高的效率仅在0.1％左右”，陈震说，采用辐射制冷后，太阳能电池板温度能下降20℃以上，太阳能电池板的寿命也会随之延长。

不消耗能源就可以产生水

水资源的问题是排在能源之后的第二大世界难题，对比现有的海水淡化技术，虽然海水淡化可以产生大量的水，但会消耗大量的能源。“辐射制冷的产水方式不消耗任何能源，”陈震说，“未来，我们希望可以设计合适的表面材料，让它可以最大化产水量。”陈震透露，他们目前已经在南京做完了相关实验，未来他将带领团队去西部干旱地区或沙漠地区开展进一步实验。

辐射制冷能产水，在自然界中并不稀奇，植物上的露水其实就是经典案例，植物通过自身的调节，使其温度降至露点以下，最终在表面形成露水。

【限制条件】

辐射制冷虽好，但不是万能的

尽管有诸多“用武之地”，但这项技术也存在不足。陈震说，“以空调为例，一般来说，家用空调的功率一般是几千瓦，而受到物理学限制，辐射制冷目前单位面积制冷的最大功率为150瓦左右。如果想要达到一千多瓦的功率，则需要近10平方米的辐射制冷装置。功率要求越大，装置面积也越大，这是此项技术的一个弊端。”

天气、湿度也是制约因素，辐射制冷技术受天气影响较大，换句话说，如果空气湿度较大，大气透明窗口便会变小，影响热量的释放，因此，这项技术更适合应用在一些较为干燥的地方，因为干燥地区大气透明，“窟窿”就越大，“散热”就越多。

实习生 邓琳

扬子晚报/紫牛新闻记者 王赟

校对 李海慧