全球的冰箱和冰櫃普遍依賴製冷劑運行，一旦發生泄漏，其溫室效應可達二氧化碳的數千倍。隨著尋找替代製冷技術的競賽日趨激烈，研究人員正在積極探索更環保的方案，彈熱製冷（elastocaloric cooling）便是其中之一——這是一種通過可逆相變傳導熱量的固態技術。
近日，香港科技大學（HKUST）的研究團隊宣布，他們研發出首台能夠達到攝氏零度以下溫度的彈熱製冷裝置，為這項頗具前景的製冷技術樹立了一座重要里程碑。相關成果已發表於《自然》期刊。這台桌面級原型機成功在兩小時內將20毫升水凍成冰塊，其性能已可與家用冰箱媲美。
彈熱製冷系統近年來備受關注，原因在於它無需依賴排放溫室氣體的製冷劑。該技術利用形狀記憶合金（SMA）獨特的相變特性——在特定溫度範圍內，這類金屬受到壓縮時釋放熱量，鬆弛時則吸收熱量。
然而迄今為止，所有研究級彈熱製冷系統的工作溫度均在0°C以上，這一瓶頸被認為與形狀記憶合金在低溫下性能下降有關。
為此，香港科技大學團隊採用了一種特殊的鎳鈦形狀記憶合金（含鎳51.2%、含鈦48.8%），該合金在接近-21°C的溫度下仍能保持彈熱特性。研究人員對合金棒進行精密加工，製成具有複雜內部結構的薄壁管材，以最大化換熱效果。
在將鎳鈦管組裝成彈熱蓄熱器（一種熱交換器）的過程中，團隊將管材三根一組排列，緊密裝入堅固的塑料外殼中。八組單元依次串聯，並在末端安裝線性致動器，以施加激活彈熱效應所需的力。
在實際運行中，致動器壓縮並保持鎳鈦管的形變，使材料升溫。與此同時，含氯化鈣（一種常用於道路除冰的鹽類）的鹽水溶液被泵入蓄熱器，將熱量帶走並向外界排出。隨後致動器釋放壓力，鎳鈦管迅速冷卻，流體反向流經蓄熱器，在此過程中被冷卻。
整個循環僅需1秒。在實驗室中連續運行15分鐘後，系統冷端溫度達到創紀錄的-12°C，熱端溫度為24°C，溫差高達36°C。在室外溫暖環境中實際測試時，系統將一個裝有水瓶的隔熱腔室連接運行，60分鐘後腔室溫度降至-4°C，冷卻速度相對較慢。
主導這項研究的香港科技大學機械工程學教授孫慶平承認，該裝置在進入家用或工業市場之前，仍面臨重大挑戰。目前其能效"仍低於傳統蒸氣壓縮式冷氣"，能量損耗主要來自致動器。"我們正在開發新型驅動技術，作為系統集成與優化工作的一部分，"他表示。團隊還計劃進一步降低目標溫度，直至-100°C，但這將需要採用不同的合金材料。此外，薄壁管狀結構目前採用精密但"成本極高"的製造工藝，研究團隊正在探索3D列印等替代方案，以減少材料浪費、降低製造成本。
"我們正在同步推進這三個方向，"孫慶平說，並預計將在兩到三年內推出可商用的產品。
談及彈熱製冷裝置的潛在應用場景，孫慶平提到了冷凍食品配送移動系統以及電動汽車氣候控制等領域。他表示團隊已與工業合作夥伴展開"積極合作"，但未透露具體名稱。從長遠來看，他的目標是"顛覆現有蒸氣壓縮技術市場"，但目前的重點是找到"一個細分領域實現突破，再逐步擴展"。
儘管彈熱製冷技術作為無溫室氣體排放的傳統製冷替代方案前景可期，但目前仍處於原型階段，前方還有諸多重大工程挑戰需要克服。
Q&A
Q1：彈熱製冷技術和傳統壓縮製冷技術相比有什麼優勢？
A：彈熱製冷技術最大的優勢在於不需要使用製冷劑，避免了傳統製冷劑泄漏時產生強效溫室氣體的問題。它利用形狀記憶合金在壓縮和鬆弛過程中的相變特性來傳導熱量，是一種更加環保的固態製冷方式。不過目前其能效仍低於傳統蒸氣壓縮式製冷系統，主要能量損耗來自致動器部分，研究團隊正在針對這一問題開發新型驅動技術。
Q2：香港科技大學的彈熱製冷原型機能達到多低的溫度，性能如何？
A：該原型機在實驗室條件下連續運行15分鐘後，冷端溫度達到-12°C，熱端為24°C，溫差達36°C。在室外實際測試中，60分鐘內可將隔熱腔室降溫至-4°C，並能在2小時內將20毫升水完全凍成冰塊，性能已接近家用冰箱水平。研究團隊未來還計劃將目標溫度進一步降低至-100°C。
Q3：彈熱製冷技術什麼時候能商用，適合哪些場景？
A：研究團隊預計在兩到三年內推出可商用產品。潛在應用場景包括冷凍食品配送的移動製冷系統以及電動汽車的氣候控制。長期目標是逐步進入並顛覆現有蒸氣壓縮製冷市場，但團隊目前策略是先聚焦於細分領域實現突破，再逐步擴大應用範圍。目前製造工藝成本較高，團隊正探索3D列印等方式以降低成本。
