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(guò)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)“確保可持續(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(guò)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(guò)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(lái)源：umich.edu
本次研究的主要作者、來(lái)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(guò)優(yōu)化食品供應(yīng)鏈來(lái)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(guò)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)題上存在一定積極意義 ? Katie Gross
本次研究的另一作者、來(lái)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(wèn)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(wú)疑，若想通過(guò)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(lái)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(wú)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(lái)源：SEforALL
在港科大研究團(tuán)隊(duì)看來(lái)，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(guò)程和建筑設(shè)計(jì)方式來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(jiàn)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?！巴高^(guò)利用水吸附過(guò)程，我們的團(tuán)隊(duì)在控制界面?zhèn)鳠岱矫嫒〉昧送黄疲瑸槲磥?lái)發(fā)展更高效的冷卻技術(shù)鋪路?！?/p>
