从优化食物冷链到提升绿色制冷效能，满足全民制冷需求。
日前，美国密歇根大学研究团队一项发表在环境科技领域国际期刊《环境研究快报》（Environmental Research Letters）的新研究指出，全球近一半的食物浪费可以通过全冷藏供应链或“冷链”的方式消除，这意味着可以有效减少全球与食物浪费相关导致的温室气体排放。
该研究引援联合国粮食及农业组织（FAO）统计数据指出，全球每年生产的粮食约有三分之一被浪费，相当于约有8亿人遭受饥饿，而这些粮食损失所产生的温室气体约为人类排放的温室气体总量的8%。这一现实状况显然不符合联合国可持续发展目标（SDGs），例如SDG第2项“消除饥饿，实现粮食安全、改善营养和促进可持续农业”，以及第12项“确保可持续消费和生产模式”。
基于此，本次研究开发了一种粮食损失估算工具，旨在评估通过改善冷藏供应链将如何影响七个地区七种粮食类型的损失及其相关温室气体排放。根据估算结果，落后或不健全的冷链基础设施可能造成高达6.2亿吨的粮食损失，即导致每年1.8 Gt CO2-eq* （CO2-eq为碳足迹的测量标准，指将不同的温室气体的效应换算为二氧化碳的量）的产生，相当于每年18亿吨二氧化碳当量。值得注意的是，这项新研究重点关注食品供应链中从收成后到零售阶段的粮食损失，并未涉及发生在农场或家庭中的损失。同时，温室气体排放估算范围考虑的是食品制作过程，并不包括制冷或其他供应链操作所产生的相关排放，以及进入垃圾填埋场的食物垃圾排放。
新研究显示食物冷链优化将有助于实现联合国可持续发展目标
图片来源：umich.edu
本次研究的主要作者、来自密歇根大学环境与可持续发展学院和罗斯商学院的研究生Aaron Friedman-Heiman表示，很惊讶地发现在全球范围内减少粮食损失和浪费的机会竟然如此之大，“每年浪费的约13亿吨粮食中，其中约有一半可以通过优化食品供应链来解决”。
根据估算结果，本次研究发现撒哈拉以南非洲、南亚和东南亚是通过加强冷链实施在减少粮食损失和相关温室气体排放方面最有潜力的地区。其中，在经优化的制冷解决方案下，南亚和东南亚的粮食损失估计可减少45%，相关排放量可减少54%；而撒哈拉以南非洲则在减少粮食损失（47%）和排放量（66%）方面有着更大的潜力。此外，研究指出，尽管肉类在全球粮食损失占比中低于10%，但其温室气体排放量却占粮食损失排放量的50%以上。优化肉类冷藏供应链问题则可以消除43%以上与肉类损失相关的排放。
在确定优化冷链供应可带来积极影响的同时，该研究发现，在大多数情况下，发展更为本地化、工业化程度更低的食物供应链如“从农场到餐桌”（farm-to-table），可实现与优化冷链方案相当甚至更大程度的粮食节约，包括利用本地化供应链可以在全球范围节省超过2.5亿吨的根和块茎食物，比优化的冷链方式节省超过1亿吨。
基于“从农场到餐桌”理念的食品供应链在粮食浪费问题上存在一定积极意义 © Katie Gross
本次研究的另一作者、来自密歇根大学环境与可持续发展学院和工程学院的教授Shelie Miller指出，尽管当前冷链基础设施在全球范围内迅速增加，但优化后的冷链可能会在全球以不同的速度和方式发展，“这一分析表明，虽然增加冷藏条件应该会改善粮食损失及与损失相关的温室气体排放问题，但根据食物类型和地区的不同，改善冷链需要重要的权衡”。 此外，基于这一研究，还需要厘清的一点是，温室气体排放量的实际节省量将取决于冷链技术的效率和当地电网的碳强度，因为制冷相关的气体排放也可能非常巨大。
无疑，若想通过优化冷链达到更好的效果，相关制冷技术也需要得到进一步提升。而香港科技大学（港科大）工学院研究团队近期发表的一项与制冷技术相关的研究成果或可带来一点启发。这项研究近期在《自然》旗下的多元学科期刊《自然——通讯》（Nature Communications）上发表，其研究团队研发了一种可持续及可控的界面热传递策略，旨在提升绿色制冷技术于电子设备、太阳能电池板和建筑物等应用中的效能。
港科大研究团队指出，面对气候暖化，全球对制冷技术的需求有增无减，随之对更有效的节能冷却技术的需求也持续上涨。值得一提的是，2019年，国际组织“人人享有可持续能源”（SEforALL）的相关部门与英国赫瑞-瓦特大学（Heriot-Watt University）曾发布一份题为“Cooling for All Needs Assessment”（译：全民制冷需求评估）的评估分析，将制冷需求主要分为三种类型，其中就包括食物制冷需求。
全民制冷需求评估将制冷需求分为三大类型，即舒适性与安全性（左）、食物与营养（中）以及健康与护理（右）
图片来源：SEforALL
在港科大研究团队看来，与需要消耗能量才能运作的“主动冷却”系统相比，“被动冷却”依靠自然过程和建筑设计方式来散热，在不耗能或低耗能的情形下保持舒适的室内温度。这种环保节能的方式对于实现碳中和目标意义重大，因此引起了研究人员的广泛兴趣。
其中一个新兴研究领域是使用金属有机框架材料（metal-organic frameworks，MOFs）进行被动冷却。金属有机框架是一种多孔材料，可以吸收空气中的水气，用于提升室内空间冷却应用的能源效率。然而，这些材料中的多孔晶体通常具有较低的热导率，限制了它的传热效率。此外，在被动制冷应用中，这些材料通过吸附水进行制冷，其吸附的水分子进一步降低了其有效热导率。这种限制令金属有机框架材料难以透过改变原有的热物性以提高其冷却性能。
为了应对这些困难，不少研究人员将注意力转向调控多孔晶体与其接触材料之间的界面热传递。他们利用加工纳米结构、表面化学修饰和生长自组装单分子层等多种界面工程方法，以有效增强界面热导（interfacial thermal conductance，ITC）。然而，合成或制备具有精确原子控制的界面层是一项艰巨的任务，这也限制了这些方法的潜在应用。
针对这个难题，由港科大机械及航空航天工程学系周艳光教授带领的研究团队，研发了一种可持续且可控的策略，利用金属有机框架材料中的水吸附，调控接触材料与典型多孔晶体之间的界面热传递。通过频域热反射测量（frequency-domain thermoreflectance, FDTR）和分子动力学模拟（Molecular Dynamics，MD），研究人员发现接触材料与多孔晶体之间的界面热导由于水分子的吸附，从5.3 MW/m2K*提升至37.5 MW/m2K（W/m2K为导热系数），提升约7.1倍。同时，他们从其他接触材料与多孔晶体系统中也观察到有效的增强效果。
吸水界面促进热量由基体向被动式多孔制冷材料扩散
图片来源：香港科技大学工学院
研究团队将这个升幅归因于利用多孔晶体中吸附水分子形成的密集水通道，这些通道作为额外的热传递路径，显著增强了界面间的热能传输。此外，他们通过使用自主研发的频域直接分解方法进行进一步分析，发现水的存在不仅激发了高频声子振动模式的热传输，其桥梁作用还让接触材料与多孔晶体的振动态密度大幅重叠，进而增强了两者间的热量传输。
周艳光教授表示，这项创新研究不仅为多孔晶体和其他固体材料的界面热传递提供了新的见解，而且对优化基于多孔晶体的冷却应用的性能具有重要意义。“透过利用水吸附过程，我们的团队在控制界面传热方面取得了突破，为未来发展更高效的冷却技术铺路。”
