■本报记者 朱汉斌

在全球气候变暖危机日益严峻、制冷需求持续攀升的当下，传统冷冻技术因其高能耗与高排放问题，成为可持续发展道路上的“绊脚石”。香港科技大学教授孙庆平团队成功研发出全球首台能够达到零摄氏度以下的绿色弹卡冷冻装置，实现了低至零下12摄氏度的制冷效果。相关研究成果日前发表于《自然》。

“这项突破标志着绿色弹卡冷冻技术的应用范围从室内空调制冷扩展至要求更严苛的全球冷冻业。”论文通讯作者孙庆平对《中国科学报》表示，该“冰柜”无需传统制冷剂的零排放创新技术，为冷冻业的绿色低碳转型提供了切实可行的“中国方案”，为全球应对气候变化贡献了科技力量。

直面冷冻业“脱碳”难题

据统计，全球氢氟烃类制冷剂的年排放量在2025年可能超过12亿吨二氧化碳当量，其中约27%来自零摄氏度以下的冷冻应用，冷冻业的“脱碳”需求迫在眉睫。

弹卡冷冻技术摒弃了传统气体制冷剂，利用镍钛形状记忆合金在受到循环应力时发生固态相变，吸收或释放大量潜热的特性来制冷，具备零直接排放与高能效潜力两大优势。然而，长期以来，该技术仅能应用于高于零摄氏度的空调温区。如何让其进入低于零摄氏度的冷冻市场，成为学术界与产业界亟待攻克的难题。

论文第一作者、香港科技大学研究助理教授周国安介绍，团队的此次“破冰”体现在材料、传热流体及制冷结构的精心设计上。在材料选择方面，团队选用高镍含量的二元镍钛合金，并通过成分调控将奥氏体结束温度降至零下20.8摄氏度。这种合金在低至零下20摄氏度的环境里，依然能够展现出优异的超弹性和显著的相变潜热，有效工作温窗宽达48.5摄氏度，为制冷提供了强大的材料基础。

传热流体的选择同样至关重要。团队采用的传热物质与镍钛合金表面具有良好的湿润性，能够降低接触热阻，显著提升传热效率。

在制冷结构设计上，设备采用了压缩式主动回热布雷顿循环，回热器由8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。这种独特的设计扩大了传热面积与体积比,确保了制冷过程的稳定性和高效性。

基于这些创新，一台体积为0.25立方米的桌面型原理样机诞生了。测试结果显示，在1赫兹运行频率下，绿色弹卡冷冻装置成功实现了从约24摄氏度室温到零下12摄氏度冷源的跨越，首次突破零下大关。

跨越“三重”挑战

孙庆平指出，将弹卡冷冻技术推入零下，绝非易事。这是一次对材料科学、热力学与机械工程极限的挑战。

首先是材料。传统形状记忆合金的相变温度较高，在零下环境会“失活”，丧失超弹性与潜热释放能力。如何在保证材料机械强度、抗疲劳寿命的前提下，通过原子尺度的成分设计，将其相变温度窗口大幅下移，是第一个需要翻越的“雪山”。孙庆平团队通过对镍钛合金配比的精准把握，成功找到了能在零下“起舞”的合金配方。

其次是热管理。在零下低温区，传热流体的选择变得异常苛刻。它必须兼具低凝固点、高流动性、高热容和高导热性，同时还要与合金材料“相处融洽”，不能腐蚀或产生过高热阻。普通水或乙二醇溶液已无法满足要求。为此，孙庆平团队选择氯化钙水溶液，体现了他们在传热介质领域的巧妙构思。

最后是结构与系统集成。弹卡制冷依赖于对合金材料施加循环的机械应力。在低温、高频的严苛工况下，如何设计一种机械结构，既能将应力均匀、高效地传递给每一个合金单元，使其相变潜热利用最大化，又要确保结构自身在长期循环载荷下不变形、不疲劳，这对机械设计与制造工艺提出了极高要求。团队开发的级联式薄壁管结构及其高达900兆帕的均匀承压能力，正是攻克此关的钥匙。

据介绍，在户外实测中，绿色弹卡冷冻装置产生的低温流体成功将一个小型隔热腔室的空气温度在60分钟内稳定在零下4摄氏度，并在两小时内将20毫升水完全冻结成冰，证明了其高效冷冻能力。

有望重塑冷冻业格局

“我们正积极推动技术的商业化。”为实现这一目标，孙庆平团队将借助形状记忆合金材料、制造工艺、热力学设计及系统工程技术的不断进步，优化弹卡冷冻系统的效率、功率密度和成本竞争力。通过持续研发和创新，团队希望能够实现更大的冷冻功率、更高的效能，使这项技术更好地满足市场需求。

记者了解到，绿色弹卡冷冻装置的成功研制从原理上验证了零排放冷冻技术的可行性，为全球淘汰高GWP（全球变暖潜能值）制冷剂提供了极具竞争力的技术备选方案。据团队估算，该技术一旦在全球冷冻领域获得广泛应用，每年有望减少约3.3亿吨二氧化碳当量的温室气体排放，成为实现全球气候目标的重要力量。

“随着全球对氢氟碳化物的管控日趋严格，这项零排放、低耗能的弹卡冷冻技术有望从根本上重塑冷冻业的格局。”孙庆平认为，该研究成果预示着人类在获取低温的征途上，找到了一条与地球生态和谐共生的新路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09946-4