摘要：
在全球能源消耗结构中，供暖与制冷需求占据了近一半的能源消耗，且这一需求仍在持续攀升。一个多世纪以来，传统的冰箱、空调以及数据中心散热系统，几乎全依赖电力驱动的压缩机和流动制冷剂来转移热量，而许多传统制冷剂同时也是加剧全球气候变暖的温室气体。
如今，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）与日本筑波大学的研究团队取得重大突破，成功开发出全球首个完全由热能驱动的固态制冷系统原型，实现了摆脱电动机、直接将废热或太阳能转化为冷能的全新技术路线。
该系统攻克了“弹热制冷”（Elastocaloric Cooling）这一前沿固态制冷技术的关键瓶颈。作为传统压缩制冷极具潜力的替代方案，形状记忆合金在释放所施加的机械负荷时会发生降温；然而在此之前，已有的弹热制冷系统仍需要依赖电力驱动的致动器来提供机械外力，这使得该技术无法直接利用周围现成的废热或太阳能。
联合团队的新设计彻底改变了这一动力机制，用“热能”本身替代了传统的电动致动器。系统的核心在于将两张具有不同分工的超薄镍钛形状记忆合金薄膜巧妙结合：第一张薄膜充当热致动器，受热时利用形状记忆效应发生收缩，在无需电动机的情况下直接将热能转换为机械做功；这种位移运动随即作用于第二张起制冷作用的薄膜上，通过对其进行周期性的加载与卸载，引发材料晶体结构的可逆变化，从而持续产生冷能。
该研究项目由KIT微结构技术研究所（IMT）ZEco热能实验室青年研究团队负责人徐景远（Jingyuan Xu）博士领衔。他指出，这项突破的关键创新在于将形状记忆合金的两种互补功能融为一体——一张薄膜负责将热能转化为机械功，另一张薄膜则将机械功转化为冷能。这一设计确立了一种全新的固态制冷驱动范式，为废热和太阳能的高效利用开辟了充满前景的可能。
实验数据显示，该原型设备在实验室测试中成功展现出了切实可测的制冷效果。当致动器处于86摄氏度的温度时，整个组件层面实现了4摄氏度的温差，而弹性制冷剂本身的温度变化则接近13摄氏度。此外，研究人员引入130摄氏度的外部热源对其进行测试，系统同样保持了稳定可靠的运行，充分证明了该技术与真实工业环境热源相匹配的可行性。论文第一作者、KIT博士研究员萧意庭（Yi-Ting Hsiau）表示，能够亲眼测得该热驱动系统所切实产生的冷能是极具决定性的时刻，这印证了该理论原理绝非纸上谈兵。
目前制造的原型装置主要用于概念验证与可行性演示，尚未进行最大制冷量的性能优化。研究团队现阶段正在尝试通过将多层薄膜进行并联扩展，以成倍提高系统的整体制冷量。随着技术的逐步成熟与小型化，其未来应用场景十分广阔：计算机处理器或服务器机组可以“利用自身散发的废热来为自己降温”，汽车动力传动系统产生的废热也能直接转化为敏感车载电子元器件的冷却动力源。科研团队表示，这一成果仅是一个开端，未来随着系统扩展与紧凑型设计落地，海量随处可见的环境废热都将有望被转化为绿色、可持续的制冷资源。
评论