它们看起来像镜子： 在加利福尼亚州斯托克顿一家名为 Grocery Outlet 的超市屋顶上，32 块长方形面板整齐地排列成八行。在明亮的蓝天下闪闪发光，乍一看它们可能是太阳能电池板，但这个装置的作用完全不同。它能防止商店过热。
这些面板倾斜着朝向太阳，几乎不吸收照射在其上的热量；它们甚至能将一部分热量发射到太空中，从而提高为保持室内低温的系统的性能。这项壮举依赖于一种称为“辐射冷却”的现象：地球上的一切都会以不可见红外线的形式散发热量，这些热量会升向天空。到了晚上，在没有太阳照射的情况下，这足以将物体冷却到结冰。当你的汽车挡风玻璃结霜时，即使温度计还没有低于冰点？这就是辐射冷却在起作用。
对于 Aaswath Raman 来说，他是 Grocery Outlet 闪亮瓷砖背后的关键人物，这种效应似乎是一个机会。“你的皮肤、你的屋顶、地面，它们都在通过将热量发送到天空来散热，”他说。
Raman 是加州大学洛杉矶分校的材料科学与工程学教授，也是 SkyCool Systems 的联合创始人。这家初创公司正试图颠覆我们赖以制冷的科技。随着世界变暖，对空调和制冷的需求不断增加。但这些系统本身会排出大量的热量，它们使用的化学物质会逃逸到大气层，成为导致地球变暖的温室气体。根据英国伯明翰能源研究所的数据，这些物质以及运行它们所需的能源在 2018 年占全球温室气体排放量的至少 11%。到 2050 年，预计将有超过 45 亿台空调和 16 亿台冰箱消耗近 40% 的总电力。如果 SkyCool 的技术能够普及——以及竞争对手和其他研究人员正在开发的类似技术——它可以通过自然降低建筑物温度来减缓这种循环，并减轻传统方法的能源负担。
2019 年底，Grocery Outlet 在这栋 25,000 平方英尺的建筑屋顶安装了这些面板后，该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。
很难说这次安装是否达到了基础设施升级的最高境界并实现了收支平衡。Lime Energy 是一家专注于提高效率的全国性节能改造公司，为这家超市承担了安装成本，从而使其面板价格更实惠。然而，要实现大规模应用，辐射冷却需要廉价的制造和安装。如果能做到这一点，它可能成为一种节约能源和减少排放的方法。“我曾有些怀疑，即使在阳光直射下也能获得如此显著的降温效果，”美国能源部（DOE）的一个部门——先进能源研究计划署（ARPA-E）的前项目主管 Chris Atkinson 说道。ARPA-E 资助了 Raman 的早期研究。“但一旦它被解释给我听，就显得有道理了——而且结果非常引人注目。”
几个世纪前， 沙漠居民就利用辐射冷却来制造冰。晚上，他们会用绝缘材料包裹大碗或水坑的内壁，然后倒入水。在漆黑的夜晚，热量从液体中散发出来，到早上，水就完全冻结了。
建筑师和物理学家长期以来一直怀疑这种效应能否在白天起作用。在 20 世纪 70 年代和 80 年代，他们曾尝试使用屋顶的水池将其应用于建筑。但这些结构难以维护，而且仍然吸收了过多的太阳热量。
Raman 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。他着迷于材料如何与光相互作用，并考虑从事太阳能领域的工作。然后，他偶然发现了关于辐射冷却的研究，并开始纠结这种效应是否能在阳光直射下发生。
“晚上发生的是你将热量散发到天空中，天空会将其中一部分排入太空，”他说。“白天，你想继续这样做，但同时又想避免吸收太阳的能量。”
幸运的是，Raman 可以利用纳米技术——这是一门通过排列分子和原子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学和电气工程学教授 Shanhui Fan 的指导下，并由工程系的一个小团队协助，Raman 开发了构成 SkyCool Systems 基础的材料。（ARPAE 提供了 30 万美元的拨款；后来，该机构又为团队提供了约 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；用于确定层厚的扫描电子显微镜；以及各种分光光度计，用于测量物质的紫外和红外特性。
不到一年时间，他们就在一小块银片上制造出了一种由七层微观层组成的薄膜。这些层交替使用氧化铪（一种用作电绝缘体的无机化合物）和二氧化硅（一种构成石英、沙子以及地球地壳近三分之二的天然材料）。
这些物质协同作用，赋予了材料一套特殊的光学特性。首先，它们特别擅长发射红外线。大气中的温室气体和水分子通常会吸收大部分这些射线，并将它们反射回地球。然而，波长在 8 至 13 微米之间的红外线不会被大气吸收，而是会逸入太空，因此 Raman 将薄膜调谐为只在该狭窄范围内辐射。此外，这种材料能反射 97% 的太阳光束，足以在白天产生冷却效果。“它实际上是将比整个天空发回的热量更多的热量发送到了太空中，”Raman 说。
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大约在 2013 年，Raman 开始在现实世界中测试他的专用反射器。那个夏天，他在大学电气工程楼的屋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，Raman 把手放在一块在阳光下烘烤的面板上。它感觉很凉。
“这立刻让人非常兴奋，”Raman 说。事实上，这种材料比周围空气温度低约 9°F（约 5°C），当时空气温度远高于 80°F（约 27°C），这一结果随后发表在《自然》杂志上。
差不多同时，一位共同的朋友将他介绍给了 Eli Goldstein，他当时正在斯坦福大学攻读机械工程博士学位。两人花了接下来的两年时间，通过与制造商及其客户交谈，对空调和制冷系统进行了实践学习。2016 年，两人创立了 SkyCool Systems——其名称是对“夜空冷却”（夜空冷却，另一种说法是物理现象）的致敬——并着手将他们的技术商业化。
一次去孟买拜访祖母的旅行 让 Raman 亲眼目睹了这种新薄膜可能产生的巨大影响。他童年时记忆中安装了空调的房屋比他记得的要多。
虽然估计只有 15% 的世界人口——主要在美、日、韩、中——拥有空调，但其使用正在急剧扩张。根据 2015 年的预测，巴西和印度尼西亚等国家的销量每年增长 15% 以上，尽管印度是增长最快的地区：当 Raman 测试他的薄膜时，居民拥有超过 2000 万台空调；到 2020 年，已增至 4800 万台。总部位于巴黎、为各国政府制定可持续能源解决方案政策建议的国际能源署（IEA）预计，到 2050 年，印度居民将拥有超过 10 亿台空调。这对公众健康来说是个胜利——2015 年，该国已有超过 2,300 人死于严酷的热浪——但却是气候后果的预兆。
想象一下，在印度或非洲的一个小房子里，你不必再买空调，而只需把这个东西装在屋顶上。
— Eli Goldstein
与此同时，制冷技术的基本原理与 1902 年第一台电动空调设计时几乎没有变化。空调系统通过机械系统循环制冷剂——一种传递热量从而实现制冷的化学物质，使其经历几个相变。制冷剂以液态形式流入室内管道，在吸收热量时变成蒸汽。它离开建筑物，进入冷凝器，在那里制冷剂被压缩，并在变回液体时向外排出热量。这个过程不断重复，直到室内达到恒温器设定的温度。
然而，为这种舞蹈提供动力的化石燃料以及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范围内造成近 7 亿吨温室气体排放。污染来自运行设备所需的电力燃烧以及用作制冷剂的氢氟碳化物，它们在使用过程中或报废时容易泄漏。该报告总结说，它们的影响“比二氧化碳高出数千倍”。
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总的来说，世界正开始过快地使用过多的空调——然而，随着气温的上升，这是不可避免的。正如国际能源署在 2018 年所说，这正导致一场迫在眉睫的“制冷危机”。到本世纪中叶，运行空调所需的电力将成为全球电力需求的最大驱动因素之一，并将地球推向不可逆转的生态损害点。事实上，我们日益增长的降低室内温度的需求正在加速我们走向联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在 2018 年设定的 1.5°C 升温阈值。
“气温越来越高，这意味着空调和制冷系统本身会变得效率低下，”SkyCool 的 Goldstein 说。
最终，他和 Raman 意识到，如果他们的面板能够增强现有的气候控制系统，它们将对能源使用产生更大的影响。大约在 2016 年，该团队在斯坦福大学进行了另一项试验；这次，他们安装了一个带有细水管的装置，直接在下方运行。在三天内，辐射冷却将水的温度降低了 9°F（约 5°C）。将这些水管连接到传统空调或制冷装置的冷凝器并不难，在那里，超冷却的水将有助于冷却制冷剂，从而减轻整体能源负荷。他们的一项模型还显示，将这项技术集成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%。
Raman 和 Goldstein 决定从使用制冷系统的场所开始创业，因为与空调不同——制冷系统需要每时每刻都在运行。他们的估计表明，对于持续运行的制冷基础设施，每平方米 SkyCool 薄膜每年的节电量超过 500 千瓦时。从 2017 年到 2019 年，该公司与几家对任何可能降低账单的方案感兴趣的加州客户签约：一家便利店、一个数据中心以及 Grocery Outlet。这家超市屋顶上的 32 块面板覆盖了 62 平方米；迄今为止收集的数据显示，该商店每天少使用 100 千瓦时电力，相当于每年少使用 36,500 千瓦时。
然而，辐射冷却的整体有效性存在局限性。部署该技术的最佳气候是相对干燥、天空晴朗的地区：加利福尼亚、亚利桑那、内华达等。云层覆盖和高湿度会降低白天的效果，因为空气中的水分子会捕获一些散发出的红外线。
SkyCool 正在与加州州立大学系统洽谈，将利用其技术为 Cal Maritime 的三间教室提供通过天花板管道输送的冷水。（Goldstein 希望该项目在 2022 年启动。）但在干旱地区，仅使用面板可能就足够了。“想象一下，在印度或非洲的一个小房子里，你不必再买空调，而只需把这个东西装在屋顶上，”Goldstein 说。
由于辐射冷却的潜力， 其他初创公司纷纷涌入该领域。科罗拉多大学博尔德分校和怀俄明大学的工程师于 2017 年联手开发了他们自己的薄膜材料。布法罗大学的工程师于 2021 年 2 月发表了他们自己版本的研发成果：由 10 层银和二氧化硅组成的两个镜子。他们现在正试图通过他们的公司 Sunny Clean Water 将其推向市场。
最大的问题是人们采纳全新产品的可能性有多大。“这项技术很有道理，”研究清洁能源创新的加州大学戴维斯分校教授 Jeremy Munday 说。“这 realmente 归结于市场、成本以及采纳的动力。”
Raman 和 Goldstein 没有披露他们的定价，但他们承认 SkyCool 未来的挑战将在于制造而非科学方面。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，那么在五年内的能源节省就可以收回成本。
两人认为他们可以在三年内达到一个有价值的价格，部分原因是他们进一步改进了最初在斯坦福大学测试的薄膜。如今，确切的构成是专有的，尽管它仍然包含聚合物和无机材料的混合物。“我们已经找到了更低成本、更适合制造的方法，”Raman 说。
在 350 万美元的联邦能源补助金的帮助下，SkyCool Soon 希望拥有能够使其薄膜具有成本效益的连接。这家初创公司正在与 3M 公司合作，开发一种经济实惠的方式来制造数十万片薄膜。目标是到 2023 年将价格降到足够低，以便有持续制冷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，其他研究人员表示他们可以用油漆达到相同的效果。几十年前尝试过的白色油漆反射的射线不足以产生冷却效果。然而，在 2020 年，普渡大学的工程师开发了一种超白色版本，其效果与 SkyCool 的镜面材料相似。根据参与研发的机械工程学教授 Xiulin Ruan 的说法，该产品反射 98.1% 的阳光，并在正确的波长下辐射红外线，使其能够逸入太空——在中午将建筑物冷却到比环境温度低 8°F（约 4.4°C）。
Ruan 承认，油漆更多的是一种补充措施。“你仍然需要打开空调，但它可以抵消很多来自太阳的热量并降低需求，”他说。从这个意义上说，它缺少 SkyCool 的一个组成部分：连接现有系统并提高其性能的能力。尽管如此，油漆已经引起了 Raman 的注意。去年，他与人合写了一篇发表在《Joule》杂志上的文章，讨论了修改现成油漆的可能性，使其也能进行辐射冷却。
如果这些方法中的任何一种确实流行起来，似乎没有人太担心将热量发送到最后的边疆。“如果所有这些能量都重新辐射到太空中，它不会对任何地方产生任何可察觉的影响，”前美国能源部官员 Atkinson 说，他曾支持 Raman 的早期研究。
目前，SkyCool 正在努力赢得更多企业的青睐。它很快计划在办公楼部署其面板，以增强商业空调。三月份，一家南加州的大型零售商成为最新客户。在屋顶上，五排整齐的、无折痕的镜面薄膜位于两列太阳能电池板之间——考虑到 Raman 先前的兴趣，这是一个恰当的对比。现在他想的是减少能源消耗，而不是生产它。
“你所要做的就是，”他说，“把材料放在外面，它就会保持凉爽。”
更正：2021 年 7 月 21 日。本故事的早期版本错误地将辐射冷却薄膜早期测试的温度变化描述为 40 华氏度，并对 SkyCool 与 3M 的合作关系给出了结束日期，而他们的合作仍在进行中。
这个故事最初发表在 PopSci 夏季 2021 年“热”专题中。阅读更多PopSci+故事。
