從優(yōu)化食物冷鏈到提升綠色制冷效能，滿足全民制冷需求。
日前，美國(guó)密歇根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)發(fā)表在環(huán)境科技領(lǐng)域國(guó)際期刊《環(huán)境研究快報(bào)》（Environmental Research Letters）的新研究指出，全球近一半的食物浪費(fèi)可以通過全冷藏供應(yīng)鏈或“冷鏈”的方式消除，這意味著可以有效減少全球與食物浪費(fèi)相關(guān)導(dǎo)致的溫室氣體排放。
該研究引援聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指出，全球每年生產(chǎn)的糧食約有三分之一被浪費(fèi)，相當(dāng)于約有8億人遭受饑餓，而這些糧食損失所產(chǎn)生的溫室氣體約為人類排放的溫室氣體總量的8%。這一現(xiàn)實(shí)狀況顯然不符合聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs），例如SDG第2項(xiàng)“消除饑餓，實(shí)現(xiàn)糧食安全、改善營(yíng)養(yǎng)和促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)”，以及第12項(xiàng)“確?？沙掷m(xù)消費(fèi)和生產(chǎn)模式”。
基于此，本次研究開發(fā)了一種糧食損失估算工具，旨在評(píng)估通過改善冷藏供應(yīng)鏈將如何影響七個(gè)地區(qū)七種糧食類型的損失及其相關(guān)溫室氣體排放。根據(jù)估算結(jié)果，落后或不健全的冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施可能造成高達(dá)6.2億噸的糧食損失，即導(dǎo)致每年1.8 Gt CO2-eq* （CO2-eq為碳足跡的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，指將不同的溫室氣體的效應(yīng)換算為二氧化碳的量）的產(chǎn)生，相當(dāng)于每年18億噸二氧化碳當(dāng)量。值得注意的是，這項(xiàng)新研究重點(diǎn)關(guān)注食品供應(yīng)鏈中從收成后到零售階段的糧食損失，并未涉及發(fā)生在農(nóng)場(chǎng)或家庭中的損失。同時(shí)，溫室氣體排放估算范圍考慮的是食品制作過程，并不包括制冷或其他供應(yīng)鏈操作所產(chǎn)生的相關(guān)排放，以及進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)的食物垃圾排放。
新研究顯示食物冷鏈優(yōu)化將有助于實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)
圖片來源：umich.edu
本次研究的主要作者、來自密歇根大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院和羅斯商學(xué)院的研究生Aaron Friedman-Heiman表示，很驚訝地發(fā)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)減少糧食損失和浪費(fèi)的機(jī)會(huì)竟然如此之大，“每年浪費(fèi)的約13億噸糧食中，其中約有一半可以通過優(yōu)化食品供應(yīng)鏈來解決”。
根據(jù)估算結(jié)果，本次研究發(fā)現(xiàn)撒哈拉以南非洲、南亞和東南亞是通過加強(qiáng)冷鏈實(shí)施在減少糧食損失和相關(guān)溫室氣體排放方面最有潛力的地區(qū)。其中，在經(jīng)優(yōu)化的制冷解決方案下，南亞和東南亞的糧食損失估計(jì)可減少45%，相關(guān)排放量可減少54%；而撒哈拉以南非洲則在減少糧食損失（47%）和排放量（66%）方面有著更大的潛力。此外，研究指出，盡管肉類在全球糧食損失占比中低于10%，但其溫室氣體排放量卻占糧食損失排放量的50%以上。優(yōu)化肉類冷藏供應(yīng)鏈問題則可以消除43%以上與肉類損失相關(guān)的排放。
在確定優(yōu)化冷鏈供應(yīng)可帶來積極影響的同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，發(fā)展更為本地化、工業(yè)化程度更低的食物供應(yīng)鏈如“從農(nóng)場(chǎng)到餐桌”（farm-to-table），可實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化冷鏈方案相當(dāng)甚至更大程度的糧食節(jié)約，包括利用本地化供應(yīng)鏈可以在全球范圍節(jié)省超過2.5億噸的根和塊莖食物，比優(yōu)化的冷鏈方式節(jié)省超過1億噸。
基于“從農(nóng)場(chǎng)到餐桌”理念的食品供應(yīng)鏈在糧食浪費(fèi)問題上存在一定積極意義 ? Katie Gross
本次研究的另一作者、來自密歇根大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院和工程學(xué)院的教授Shelie Miller指出，盡管當(dāng)前冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施在全球范圍內(nèi)迅速增加，但優(yōu)化后的冷鏈可能會(huì)在全球以不同的速度和方式發(fā)展，“這一分析表明，雖然增加冷藏條件應(yīng)該會(huì)改善糧食損失及與損失相關(guān)的溫室氣體排放問題，但根據(jù)食物類型和地區(qū)的不同，改善冷鏈需要重要的權(quán)衡”。 此外，基于這一研究，還需要厘清的一點(diǎn)是，溫室氣體排放量的實(shí)際節(jié)省量將取決于冷鏈技術(shù)的效率和當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的碳強(qiáng)度，因?yàn)橹评湎嚓P(guān)的氣體排放也可能非常巨大。
無疑，若想通過優(yōu)化冷鏈達(dá)到更好的效果，相關(guān)制冷技術(shù)也需要得到進(jìn)一步提升。而香港科技大學(xué)（港科大）工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表的一項(xiàng)與制冷技術(shù)相關(guān)的研究成果或可帶來一點(diǎn)啟發(fā)。這項(xiàng)研究近期在《自然》旗下的多元學(xué)科期刊《自然——通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，其研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可持續(xù)及可控的界面熱傳遞策略，旨在提升綠色制冷技術(shù)于電子設(shè)備、太陽(yáng)能電池板和建筑物等應(yīng)用中的效能。
港科大研究團(tuán)隊(duì)指出，面對(duì)氣候暖化，全球?qū)χ评浼夹g(shù)的需求有增無減，隨之對(duì)更有效的節(jié)能冷卻技術(shù)的需求也持續(xù)上漲。值得一提的是，2019年，國(guó)際組織“人人享有可持續(xù)能源”（SEforALL）的相關(guān)部門與英國(guó)赫瑞-瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）曾發(fā)布一份題為“Cooling for All Needs Assessment”（譯：全民制冷需求評(píng)估）的評(píng)估分析，將制冷需求主要分為三種類型，其中就包括食物制冷需求。
全民制冷需求評(píng)估將制冷需求分為三大類型，即舒適性與安全性（左）、食物與營(yíng)養(yǎng)（中）以及健康與護(hù)理（右）
圖片來源：SEforALL
在港科大研究團(tuán)隊(duì)看來，與需要消耗能量才能運(yùn)作的“主動(dòng)冷卻”系統(tǒng)相比，“被動(dòng)冷卻”依靠自然過程和建筑設(shè)計(jì)方式來散熱，在不耗能或低耗能的情形下保持舒適的室內(nèi)溫度。這種環(huán)保節(jié)能的方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)意義重大，因此引起了研究人員的廣泛興趣。
其中一個(gè)新興研究領(lǐng)域是使用金屬有機(jī)框架材料（metal-organic frameworks，MOFs）進(jìn)行被動(dòng)冷卻。金屬有機(jī)框架是一種多孔材料，可以吸收空氣中的水氣，用于提升室內(nèi)空間冷卻應(yīng)用的能源效率。然而，這些材料中的多孔晶體通常具有較低的熱導(dǎo)率，限制了它的傳熱效率。此外，在被動(dòng)制冷應(yīng)用中，這些材料通過吸附水進(jìn)行制冷，其吸附的水分子進(jìn)一步降低了其有效熱導(dǎo)率。這種限制令金屬有機(jī)框架材料難以透過改變?cè)械臒嵛镄砸蕴岣咂淅鋮s性能。
為了應(yīng)對(duì)這些困難，不少研究人員將注意力轉(zhuǎn)向調(diào)控多孔晶體與其接觸材料之間的界面熱傳遞。他們利用加工納米結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)修飾和生長(zhǎng)自組裝單分子層等多種界面工程方法，以有效增強(qiáng)界面熱導(dǎo)（interfacial thermal conductance，ITC）。然而，合成或制備具有精確原子控制的界面層是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，這也限制了這些方法的潛在應(yīng)用。
針對(duì)這個(gè)難題，由港科大機(jī)械及航空航天工程學(xué)系周艷光教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了一種可持續(xù)且可控的策略，利用金屬有機(jī)框架材料中的水吸附，調(diào)控接觸材料與典型多孔晶體之間的界面熱傳遞。通過頻域熱反射測(cè)量（frequency-domain thermoreflectance, FDTR）和分子動(dòng)力學(xué)模擬（Molecular Dynamics，MD），研究人員發(fā)現(xiàn)接觸材料與多孔晶體之間的界面熱導(dǎo)由于水分子的吸附，從5.3 MW/m2K*提升至37.5 MW/m2K（W/m2K為導(dǎo)熱系數(shù)），提升約7.1倍。同時(shí)，他們從其他接觸材料與多孔晶體系統(tǒng)中也觀察到有效的增強(qiáng)效果。
吸水界面促進(jìn)熱量由基體向被動(dòng)式多孔制冷材料擴(kuò)散
圖片來源：香港科技大學(xué)工學(xué)院
研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)升幅歸因于利用多孔晶體中吸附水分子形成的密集水通道，這些通道作為額外的熱傳遞路徑，顯著增強(qiáng)了界面間的熱能傳輸。此外，他們通過使用自主研發(fā)的頻域直接分解方法進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)水的存在不僅激發(fā)了高頻聲子振動(dòng)模式的熱傳輸，其橋梁作用還讓接觸材料與多孔晶體的振動(dòng)態(tài)密度大幅重疊，進(jìn)而增強(qiáng)了兩者間的熱量傳輸。
周艷光教授表示，這項(xiàng)創(chuàng)新研究不僅為多孔晶體和其他固體材料的界面熱傳遞提供了新的見解，而且對(duì)優(yōu)化基于多孔晶體的冷卻應(yīng)用的性能具有重要意義。“透過利用水吸附過程，我們的團(tuán)隊(duì)在控制界面?zhèn)鳠岱矫嫒〉昧送黄?，為未來發(fā)展更高效的冷卻技術(shù)鋪路?！?/p>
