全球气候变暖加剧了制冷行业的环保压力。当前国际制冷业主要采用蒸气压缩系统，大量使用氢氟烃等高全球变暖潜能值的制冷剂。据统计，全球氢氟烃类制冷剂年排放量预计2025年超过12亿吨二氧化碳当量，其中约27%来自零下冷冻应用。冷冻业每年因此产生约3.3亿吨二氧化碳当量的温室气体。随着全球变暖加剧，制冷需求持续增长，制冷技术已成为全球能源消耗和碳排放的重要来源。 基于形状记忆合金的弹卡制冷技术应运而生。这项技术利用形状记忆合金循环应力下的相变潜热实现制冷，无需传统制冷剂，优势在于零排放、高能效。但现有弹卡装置仅限于室内空调领域，难以应用于冷冻业。由于冷冻业市场规模与空调业相当，将技术扩展至冷冻领域成为业界重点。 香港科技大学机械及航空航天工程学系讲座教授孙庆平团队在此领域取得重大突破。新技术的创新体现在三个上。 首先，团队采用高镍含量的二元镍钛合金，通过精细成分调控将奥氏体结束温度降至摄氏负20.8度，使合金在摄氏负20度环境下仍保持优异的超弹性和显著的相变潜热。该合金的绝热温变峰值在零度时达摄氏16.3度，有效工作温窗宽达摄氏48.5度，为零下制冷奠定了材料基础。 其次，团队采用30%氯化钙水溶液作为传热介质。该溶液凝固点低，在低温运行时仍保持流动性，有效避免冰晶堵塞，与镍钛合金表面的良好湿润性大幅降低接触热阻，提升传热效率。 第三，装置采用压缩式主动回热布雷顿循环，回热器由八个管状镍钛合金单元级联构成，每个单元包含三个薄壁管结构。这种设计将传热面积与体积比扩大至8.68毫米负一次方，能在900兆帕压应力下实现均匀压缩而不屈曲。 实际测试中，这台桌面型装置成功实现了从室温热汇摄氏24度到冷源温度摄氏负12度的跨越，温差达摄氏36度，为弹卡冷冻领域首次实现零度以下的冷源温度。研究团队将设备集成于0.25立方米的装置中，在户外摄氏20至25度环境下测试。装置产生的低温流体在60分钟内将隔热腔室内的空气温度稳定在摄氏负4度，并在两小时内将腔室内20毫升蒸馏水完全冻结。装置的单位质量制冷功率达每克1.43瓦，系统能效最高达3.4。这些成果已在《自然》期刊发表，论文题为"低温相变合金实现零下弹卡制冷"。 这项技术具有全球意义。若在制冷领域广泛应用，每年有望减少约3.3亿吨二氧化碳当量的温室气体排放，相当于全球冷冻业碳排放总量，对实现全球气候目标将作出关键贡献。随着国际社会对氢氟碳化物管控日趋严格，这项零排放、低耗能的技术有望重塑冷冻业格局，推动行业向绿色低碳转变。 孙庆平教授表示，研究团队正与业界合作，积极推动技术商业化。下一步将继续优化装置性能，扩大应用规模，力争早日实现产业化。
这项突破为应对气候变化提供了关键技术支撑，体现了科技创新在实现碳中和目标中的核心作用。在能源革命与气候治理的历史交汇点，香港科技大学的实践启示我们：以基础研究破解产业痛点，用工程智慧转化科学发现，方能织就绿色发展的未来。