全球气候变暖背景下，制冷技术面临严峻挑战。当前国际制冷业主要依赖蒸气压缩制冷系统，该系统大量使用氢氟烃等高全球变暖潜能值的制冷剂。据研究数据显示，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%来自摄氏零度以下的冷冻应用，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排放。另外，随着全球暖化加剧，制冷需求急速增加，制冷技术已占全球电力消耗量的相当比例，成为能源消耗和碳排放的重要来源。 面对该困境，基于形状记忆合金的弹卡冷冻技术应运而生。这一技术通过利用形状记忆合金在循环应力作用下相变潜热的释放与吸收来实现制冷，无需使用传统制冷剂，具有零排放、高能效的显著优势。然而，现有弹卡装置仅可应用于室内空调制冷领域，技术应用范围受限。由于冷冻业市场规模与空调业相当，将该技术扩展至冷冻业应用成为业界关注的重点。 香港科技大学机械及航空航天工程学系讲座教授孙庆平带领的研究团队在此领域取得重大突破。新技术的创新之处体现在三个上。其一，团队选用高镍含量的二元镍钛合金，通过精细的成分调控将奥氏体结束温度降至摄氏负20.8度，使合金低至摄氏负20度环境下仍能表现出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可达摄氏16.3度，有效工作温窗宽达摄氏48.5度，为零下制冷提供了材料基础。其二，研究团队采用30%氯化钙水溶液作为传热物质，该溶液凝固点低，在低温运行时仍能保持流动性，有效避免冰晶堵塞，同时与镍钛合金表面保持良好湿润性，大幅降低接触热阻，提升传热效率。其三，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，这种设计扩大了传热面积与体积比至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。 在实际测试中，这台桌面型装置成功实现了从室温热汇约摄氏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录得摄氏零度以下的冷源温度。研究团队将设备集成于体积为0.25立方米的装置中，在户外摄氏20至25度的环境下进行测试。装置产生的低温流体成功将隔热腔室内的空气温度在60分钟内稳定在摄氏负4度，并将腔室内20毫升蒸馏水在两小时内完全冻结成冰。在性能指标上，该装置的单位质量制冷功率可达每克1.43瓦，系统能效最高达3.4，展现了相当可观的能效潜力。这些成果已在国际顶级期刊《自然》发表，论文题为"低温相变合金实现零下弹卡制冷"。 这项技术突破具有重大的全球意义。若新技术在全球制冷领域获得广泛应用，每年有望减少约3.3亿吨二氧化碳当量的温室气体排放，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。同时，随着国际社会对氢氟碳化物管控日趋严格，这项零排放、低耗能的冷冻技术有望重塑冷冻业的产业格局，推动整个行业向绿色低碳方向转变。 孙庆平教授表示，研究团队正与业界紧密合作，积极推动技术的商业化进程。下一步，团队将继续优化装置性能，扩大应用规模，力争早日实现产业化转化。
从"制冷剂依赖"转向"材料驱动制冷"，说明了冷冻行业在减排与需求间的平衡探索。零下弹卡冷冻装置的示范价值在于将绿色制冷理念转化为可行方案。未来要实现真正的减排效果，还需产业协同、标准完善和持续验证，为全球低碳转型提供更可靠支撑。