随着全球变暖，耗电大的空调系统的使用预计将显著增加，这将给现有电网带来压力，并绕过许多可靠电力很少或没有的地区。现在，麻省理工学院开发的一种创新系统提供了一种方法，使用被动冷却来保存粮食作物，并作为建筑中传统空调的补充，不需要电力，只需要少量的水。
该系统将辐射冷却、蒸发冷却和绝热结合在一个类似现有太阳能电池板的薄包装中，可以提供与环境温度相比高达19华氏度(9.3摄氏度)的冷却，足以使食品在非常潮湿的条件下安全储存时间延长约40%。在干燥条件下可以将安全储存时间提高三倍。
该研究结果发表在《细胞报告物理科学》杂志上，由麻省理工学院博士后卢正茂、Arny Leroy博士撰写。21年，杰弗里·格罗斯曼教授和伊芙琳·王教授，以及另外两人。虽然还需要进行更多的研究，以降低该系统的一个关键部件的成本，但研究人员表示，最终这样一个系统将在满足世界上许多地区的冷却需求方面发挥重要作用，在这些地区，缺乏电力或水限制了传统冷却系统的使用。
该系统巧妙地结合了以前的独立冷却设计，每个设计都提供有限的冷却功率，以产生显著的整体冷却效果——足以帮助减少世界上一些食物供应有限的地区因变质而造成的食物损失。认识到这种潜力，该研究团队得到了麻省理工学院阿卜杜勒·拉提夫·贾米尔水和食物系统实验室的部分支持。
“这项技术结合了以前技术的一些优点，如蒸发冷却和辐射冷却，”陆说。他说，通过使用这种组合，“我们表明，即使在湿度高的地区，你也可以显著延长食物的寿命”，这限制了传统蒸发或辐射冷却系统的能力。
在建筑中有现有空调系统的地方，新系统可以通过将冷水输送到系统中最热的部分——冷凝器，来显著降低这些系统的负荷。“通过降低冷凝器温度，你可以有效地提高空调的效率，这样你就可以潜在地节省能源，”陆说。
他说，其他集团也一直在追求被动冷却技术，但“通过将这些功能以协同的方式结合起来，我们现在能够实现高冷却性能，即使在以前的技术通常不能很好地发挥作用的高湿度地区。”
该系统由三层材料组成，当水和热通过设备时，它们一起提供冷却。在实践中，该装置可以类似于传统的太阳能电池板，但它不会供电，而是直接提供冷却，例如作为食物储存容器的顶部。或者，它可以通过管道将冷冻水输送到现有空调系统的冷却部分，提高其效率。唯一需要维护的是为蒸发加水，但用水量很低，在最热、最干燥的地区大约每四天只需要做一次，在湿润的地区只需要一个月做一次。
最上面的一层是气凝胶，这是一种主要由空气组成的材料，空气被封闭在由聚乙烯制成的海绵状结构的空腔中。这种材料具有高度的绝缘性，但允许水蒸气和红外辐射自由通过。水的蒸发(从下面的一层上升起)提供了部分冷却动力，而红外辐射利用了地球大气层在这些波长下的极度透明，将部分热量直接通过空气辐射到太空中——不像空调那样将热空气喷射到周围环境中。
气凝胶下面是一层水凝胶——另一种海绵状物质，但其孔隙中充满的是水而不是空气。这种材料类似于目前用于冷却垫或伤口敷料等商业产品的材料。这为蒸发冷却提供了水源，因为水蒸气在其表面形成，水蒸气直接穿过气凝胶层，进入到环境中。
在其下方，有一层像镜子一样的层，反射所有到达它的阳光，并将其通过设备送回，而不是让它加热材料，从而减少它们的热负荷。顶部的气凝胶，作为一个很好的绝缘体，也有很强的太阳反射，限制了设备的太阳加热量，即使在强烈的阳光直射下。
“这里的新奇之处在于将辐射冷却功能、蒸发冷却功能和隔热功能结合在一个建筑中，”陆解释道。陆说，该系统在麻省理工学院一栋建筑的屋顶上进行了测试，使用了一个只有4英寸宽的小型版本，证明了它在次优天气条件下也能有效地降温，达到了9.3摄氏度(18.7华氏度)。
“以前的挑战是蒸发材料通常不能很好地处理太阳能吸收，”陆说。“而这些其他材料，通常在阳光下会被加热，所以在环境温度下无法达到很高的冷却功率。”
气凝胶材料的性能是系统整体效率的关键，但目前这种材料的生产成本很高，因为它需要特殊的设备来进行临界干燥(CPD)，以缓慢地从细腻的多孔结构中去除溶剂，而不破坏它。需要控制的关键特性是气凝胶中气孔的大小，气凝胶是通过将聚乙烯材料与溶剂混合制成的，让它像一碗果冻一样凝固，然后将溶剂排出。该研究小组目前正在探索使这种干燥过程更便宜的方法，如使用冷冻干燥，或寻找能以更低成本提供相同绝缘功能的替代材料，如用气隙分隔的膜。
陆说，虽然该系统中使用的其他材料很容易获得，而且相对便宜，但“气凝胶是唯一一种来自实验室的产品，需要在大规模生产方面进一步发展。”他说，在这个系统被实际应用并广泛使用之前，不可能预测开发需要多长时间。
该研究团队包括麻省理工学院机械工程系的Lenan Zhang和材料科学与工程系的Jatin Patil。
