这家加州公司想让现代空调过时

它们看起来像镜子： 32 个长方形的太阳能板整齐地排列成八排，位于加利福尼亚州斯托克顿的一家名为 Grocery Outlet 的超市屋顶上。它们在明亮的天空下闪闪发光，乍一看它们可能是太阳能电池板，但这台设备的作用却大不相同。它防止商店过热。

太阳能电池板向太阳倾斜，几乎不吸收照射在它们身上的热量；它们甚至将一些热量发射到太空，从而提高了保持内部低温的系统的性能。这一壮举依赖于一种称为辐射冷却的现象：地球上的所有事物都以不可见的红外线形式散发热量，这些红外线上升到天​​空。在夜晚，在没有日光的情况下，这可以使物体冷却到足以结冰的程度。当你的汽车挡风玻璃结霜时，即使温度计没有降到冰点以下？这就是辐射冷却在起作用。

对于 Aaswath Raman 来说，这种效果似乎是一个机会，他是 Grocery Outlet 闪亮瓷砖背后的关键人物。“你的皮肤、屋顶、地面，所有这些都通过将热量传递到天空来降温，”他说。

拉曼是​​加州大学洛杉矶分校的材料科学与工程教授，也是 SkyCool Systems 的联合创始人，这家初创公司试图彻底改变我们赖以制冷的技术。随着全球变暖，对空调和制冷的需求正在上升。但这些系统本身会释放出大量的热量，它们使用的化合物会逸散到天空，成为导致全球变暖的温室气体。英国伯明翰能源研究所称，这些物质及其所产生的电力至少占 2018 年全球温室气体排放量的 11%。到 2050 年，预计将有超过 45 亿台空调和 16 亿台冰箱消耗掉所有电力的近 40%。如果 SkyCool 的技术成为主流，那么通过自然降低建筑温度和减轻传统方法的能源负担，SkyCool 的技术——以及竞争对手和其他研究人员正在研究的类似方法——可以减缓这一循环。

2019 年底，Grocery Outlet 在这座 25,000 平方英尺的建筑屋顶上安装了太阳能电池板后，商店制冷系统的能耗下降了 15%。这相当于每年节省近 6,000 美元。

很难说这项安装是否抓住了基础设施升级的机遇并收回了成本。Lime Energy 是一家专门从事能效升级的全国性改造公司，它为超市提供了安装费用，因此这些太阳能电池板的价格也比较实惠。然而，要大规模应用，辐射冷却的制造和安装成本必须低廉。如果能实现这一点，它就可以成为节约电力和减少排放的一种方式。“我曾经有些怀疑，即使在阳光直射下，你也能获得如此显著的冷却效果，”克里斯·阿特金森 (Chris Atkinson) 说，他是美国能源部 (DOE) 的一个部门，高级研究计划署能源部 (ARPA-E) 的前项目主管，该部门资助了拉曼的早期研究。“但有人向我解释后，我觉得这很有道理——而且结果非常引人注目。”

几个世纪以前，居住在沙漠中的人们利用辐射冷却来制造冰。晚上，他们将大碗或大坑的壁隔热，然后倒入水。在漆黑的夜晚，热量从液体中逸出，到了早晨，液体就冻结成固体。

建筑师和物理学家长期以来一直怀疑这种效应能否在日光下发挥作用。在 20 世纪 70 年代和 80 年代，他们尝试过在屋顶设置水池，将其应用于建筑物。但这些结构难以维护，而且仍然吸收了过多的太阳热量。

拉曼对这项技术的兴趣始于 2012 年，当时他正在斯坦福大学攻读应用物理学博士学位。他对材料与光的相互作用非常感兴趣，并考虑从事太阳能事业。后来，他偶然发现了一项关于辐射冷却的研究，并开始关注这种效应是否会在阳光直射下发生。

“夜晚的情况是，热量散失到天空，而天空又将一部分热量散发到太空，”他说，“白天，你会希望继续这样做，但同时又希望避免吸收太阳能量。”

幸运的是，拉曼拥有纳米技术——一门通过排列分子和原子以使其按照需要精确运行来设计和生产材料的学科。

在斯坦福大学应用物理和电气工程教授 Shanhui Fan 的指导下，以及工程系的一个小团队的帮助下，拉曼开发出了现在构成 SkyCool Systems 基础的材料。（ARPAE 提供了 30 万美元的资助；后来，该机构又向该团队提供了约 250 万美元的额外资金。）在实验室里，他可以使用各种工具：用于生产超薄多层涂层的物理气相沉积机；用于确定涂层厚度的扫描电子显微镜；以及各种分光光度计，用于测量物质的紫外线和红外线特性。

不到一年的时间，他们就在银片上制作出由七层微观结构组成的薄膜。银片上交替出现氧化铪（一种充当电绝缘体的无机化合物）和二氧化硅（一种天然材料，构成石英、沙子和近三分之二的地壳）两种成分。

这些物质共同作用，产生了一组特殊的光学特性。首先，它们特别擅长发射红外光。大气中的温室气体和水分子通常会吸收大部分红外线并将其送回地球。然而，波长在 8 到 13 微米之间的红外线不会被大气吸收，而是会进入太空，因此拉曼将薄膜调整为仅在这一狭窄范围内辐射。更重要的是，这种材料反射了 97% 的太阳光束，足以在白天产生冷却效果。“它实际上向天空发出的热量比整个天空发回的热量还要多，”拉曼说。

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2013 年左右，拉曼开始在现实世界中测试他的专用反射器。那年夏天，他在大学电气工程大楼顶上安装了一个小型面板阵列。一天早上，在检查测量辐射和反射率的仪器时，拉曼将手放在阳光下的一块面板上。感觉很冷。

“这立刻让人兴奋不已，”拉曼承认。事实上，这种材料的温度比周围空气温度低约 9°F，而周围空气温度远高于 80°F，这一结果随后发表在《自然》杂志上。

大约在同一时间，共同的朋友将他介绍给了斯坦福大学机械工程博士学位的 Eli Goldstein。两人在接下来的两年里，在空调和制冷方面进行了实践学习，与制造商及其客户进行了交流。2016 年，两人创立了 SkyCool Systems（公司名称取自夜空冷却，这是物理现象的另一个术语），并着手将他们的技术商业化。

在去孟买看望祖母的途中，拉曼瞥见了这部新电影可能带来的影响力。他童年记忆中，窗户上安装了空调的家庭比以前更多了。

据估计，全球仅有 15% 的人口拥有空调，主要分布在美国、日本、韩国和中国，但空调的使用量却在急剧增长。根据 2015 年的预测，巴西和印度尼西亚等国的空调销量每年以 15% 以上的速度增长，但据估计，印度是增长最快的地区：拉曼测试他的影片时，印度居民拥有超过 2000 万台空调；到 2020 年，这一数字将达到 4800 万台。国际能源署 (IEA) 是一家总部位于巴黎的组织，负责就可持续能源解决方案向各国政府提供政策建议，该机构预计，到 2050 年，印度人将拥有超过 10 亿台空调。这是公共卫生的胜利——2015 年，该国有超过 2300 人死于一场严重的热浪——但也预示着气候后果。

与此同时，制冷技术的基础与 1902 年设计第一台电动空调时大致相同。空调系统通过机械系统泵送制冷剂（一种能转移热量并进而导致制冷的化合物），迫使制冷剂经历几个相变。制冷剂以液体形式通过盘管进入室内，在吸收热量后变成蒸汽。制冷剂离开建筑物后进入冷凝器，在冷凝器中被压缩，并从蒸汽变回液体，向外部释放热量。这个过程不断重复，直到室内温度达到恒温器设定的温度。

然而，为这一过程提供动力的化石燃料和所需的化学物质是全球变暖的主要因素。2016 年，美国能源部报告称，固定式空调系统每年在全球排放近 7 亿公吨温室气体。污染来自燃烧产生的电力，这些电力用于运行空调，以及用作制冷剂的氢氟碳化物，这些物质在维修或报废期间很容易逸出。报告总结说，它们的影响“比二氧化碳高出几千倍”。

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总体而言，世界正开始过快地使用空调——但随着气温上升，这种情况也不得不发生。正如国际能源署在 2018 年所说的那样，这将导致一场即将到来的“寒冷危机”。到本世纪中叶，运行空调所需的电量将成为全球电力需求的主要驱动因素之一，有助于推动地球超越不可挽回的生态破坏点。事实上，我们对降低室内温度的需求日益增加，这正加速我们向联合国气候变化政府间小组在 2018 年设定的 1.5°C 变暖阈值迈进。

SkyCool 的 Goldstein 说：“气温越来越高，这必然意味着空调和制冷系统的效率降低。”

最终，他和拉曼意识到，如果太阳能电池板能够增强现有的气候控制系统，它们可能会对能源使用产生更大的影响。2016 年左右，该团队在斯坦福大学进行了另一次试验；这一次，他们设置了一个装置，装置下方直接铺设了细水管。三天内，辐射冷却将水温降低了 9°F 以上。将管道连接到传统空调或制冷装置的冷凝器并不难，超冷水将有助于冷却制冷剂，从而降低整体能源负荷。他们的一个模型还显示，将这项技术整合到拉斯维加斯的一栋两层办公楼中，夏季的电力需求将降低 21%。

拉曼和戈德斯坦决定在使用制冷系统的场所开展业务，因为与空调不同，制冷系统需要每天每小时运行。他们的估计表明，持续运行的制冷基础设施每年每平方米 SkyCool 薄膜可节省超过 500 千瓦时的电力。从 2017 年到 2019 年，该公司签下了几位加州客户，他们有兴趣尝试任何可能降低账单的方法：一家便利店、一家数据中心和一家杂货店。该市场顶部的 32 块玻璃占地 62 平方米；迄今为止收集的数据显示，该商店每天使用的电量减少了 100 千瓦时，或每年减少了 36,500 千瓦时。

然而，辐射冷却的整体效果是有限的。最适合部署该技术的气候条件是相对干燥、天空晴朗的地区：加利福尼亚州、亚利桑那州、内华达州等。白天，云层覆盖和高湿度会降低辐射冷却的效果，因为空气中的水分子会吸收部分发射的红外线。

SkyCool 正在与加州州立大学系统讨论使用其技术来冷却通过加州海事学院三间教室天花板输送的水。（Goldstein 希望该项目将于 2022 年启动。）但在干燥气候下，单独使用这些面板可能就足够了。“想象一下，你不必在印度或非洲的小房子里购买空调，只需将其安装在屋顶上即可，”Goldstein 说。

由于辐射冷却前景光明，其他初创公司也纷纷进入该领域。2017 年，科罗拉多大学博尔德分校和怀俄明大学的工程师联手研发出一种类似薄膜的材料。2021 年 2 月，布法罗大学的工程师发表了自己的研究成果：两面镜子由 10 层薄薄的银和二氧化硅组成。他们现在正试图通过自己的公司 Sunny Clean Water 将其推向市场。

最大的问题是人们有多大可能采用一种全新的产品。加州大学戴维斯分校研究清洁能源创新的教授杰里米·蒙迪说：“这项技术是有意义的。归根结底还是取决于市场、成本，以及采用它的动力。”

拉曼和戈德斯坦没有透露他们的定价，但他们承认 SkyCool 未来的挑战将来自制造方面，而不是科学方面。美国能源部下属的太平洋西北国家实验室在 2015 年进行的一项研究估计，如果像 SkyCool 这样的屋顶材料的建造和安装成本低于每平方米 6.25 美元，那么五年内的能源节约将抵消这些成本。

两人认为，他们能在三年内实现一个有价值的价格，部分原因是他们进一步改进了最初在斯坦福测试的薄膜。如今，精确的组成是专有的，尽管它仍然含有聚合物和无机材料的混合物。“我们已经找到了成本更低、更适合制造的方法，”拉曼说。

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在 350 万美元的联邦能源补助金的帮助下，SkyCool 希望很快能建立起能够让其薄膜具有成本效益的联系。这家初创公司正在与 3M 公司合作，设计一种经济实惠的方法来生产数十万片薄膜。目标是到 2023 年将价格降低到足够低的水平，以便有持续冷却需求的客户可以在三到五年内收回安装成本。

除了这些挑战之外，其他研究人员表示，他们可以用油漆获得同样的效果。几十年前尝试的白色版本反射的光线不足以产生冷却效果。然而，在 2020 年，普渡大学的工程师们创造了一种超白版本，其工作原理与 SkyCool 的镜面材料类似。据参与开发的机械工程教授 Xiulin Ruan 介绍，该产品反射了 98.1% 的阳光，并以合适的波长辐射红外线以逸出太空——中午时分，建筑物的温度比环境温度低 8°F。

阮承认，涂料更多的是一种补充措施。“你仍然需要打开空调，但它可以抵消大量来自太阳的热量并减少需求，”他说。从这个意义上说，它缺少 SkyCool 的一个组件：连接到现有系统并提高其性能的能力。不过，涂料引起了拉曼的注意。去年，他在《焦耳》杂志上共同发表了一篇文章，讨论了修改现成涂料的可能性，使其也能进行辐射冷却。

如果这些方法中的任何一种真的流行起来，似乎没有人会太担心将热量发射到最后边界。“如果所有的能量都被发射回太空，那么它根本不会对任何地方产生任何明显的影响，”支持拉曼早期研究的前能源部官员阿特金森说。

目前，SkyCool 正在努力争取更多企业。该公司计划很快在办公楼内部署太阳能电池板，以增强商用空调的效能。今年 3 月，南加州一家大型零售商成为其最新客户。屋顶上，五排无折痕、镜面般的薄膜位于两列太阳能电池板之间——考虑到拉曼先前的兴趣，这种对比非常恰当。现在，他想要节约能源，而不是生产能源。

他说：“你所要做的就是把材料放在外面，它就会保持凉爽。”

更正：2021 年 7 月 21 日。本文早期版本错误地将辐射冷却膜早期测试中的温度变化陈述为 40 华氏度，并在 SkyCool 与 3M 的合作仍在进行时为其关系设定了结束日期。

这个故事最初刊登在 PopSci 2021 年夏季热刊上。阅读更多 PopSci+ 故事。