上海交大刘梦琦/赵长颖&新加坡国立大学仇成伟Joule：热非互易性究竟会不会影响辐射冷却效率？

辐射冷却利用宇宙的低温背景实现能量的单向传递，是一种极具潜力的被动冷却技术，近年来在基础科学和实际应用领域均得到了广泛关注。然而，现有辐射冷却器的性能仍存在显著局限性：其冷却效果通常依赖于晴朗无云的环境条件，且受制于大气吸收，实际应用情况下其制冷功率一般较低。为突破这一瓶颈，本文基于近期关于宽带非互易热辐射的实验结果，系统探讨了非互易性在提升辐射冷却效率中的潜在作用。研究了非互易性、几何不对称性以及非大气窗口区域对辐射冷却性能的协同影响，并进一步探讨了利用热辐射的非互易性增强辐射冷却的可行性、技术前景及关键挑战的。本文结果为开发下一代高效、全天候辐射冷却系统提供了重要的理论依据和设计思路，有望推动该领域从环境依赖型向主动调控型的重大转变。相关工作以An inconvenient truth of thermal nonreciprocity’s impact on radiative cooling efficiency为题发表在Joule期刊。

本文从热辐射的非互易性对辐射冷却的影响出发，分析了传统辐射冷却器的基本原理和局限性，如图1所示；探讨了如图2所示的非互易热辐射和非对称热辐射对热发射器性能的影响以及非互易性、几何不对称性和非大气窗口区域如何协同增强辐射冷却功率；然后设计了不同类型的发射器，包括非互易-对称-大气窗口、非互易-非对称-大气窗口和非互易-非对称-非大气窗口，并通过这些发射器的辐射冷却性能，讨论了非互易性、几何不对称性和非大气窗口在提高冷却性能方面的作用，如图3所示。

图1.传统辐射冷却器的基本原理和局限性：(A)辐射冷却的辐射热交换过程，(B)辐射冷却器中常用的两种热发射器的光谱发射率e，阴影蓝色区域显示了在中纬度冬季条件下的大气透射率t(λ)，(C)表S1中列出的现有工作中报告的修改后的冷却功率密度Pcool与理论极限（互易性的虚线和非互易性的实线）的比较。(D) BE的光谱辐照度（红线）和寄生吸收损耗（蓝线）。

图2.热非互易性和几何不对称性在设计热发射器中的作用：(A)根据互易性和几何对称性分类的热发射体的光谱/角发射率和吸收率的关系，以及文献中报道的相应结构，(B)非互易性、不对称性和非大气窗口在提高辐射冷却效率方面的功能示意图。

图3.讨论非互易性、几何不对称性和非大气窗口在提高冷却性能方面的作用。(A)在大气窗口波段内具有几何对称性的非互易发射/吸收光谱，以及Pcool（底面）随elx和αlx的变化情况，(B)红色星表示互易SE的情况，绿色星表示elx= 1和αlx= 0的典型情况，(C)图(B)中标注的不同热发射器在没有传导和对流热交换的情况下的辐射冷却功率Pcool(T)的理论极限（插图中h= 8 W/m2K），(D) Mo多层结构的角分辨发射和吸收光谱（插图）(B= 5T)，(E)非互易发射/吸收光谱，在大气窗口波段内没有几何对称性，其中er= 1；αr= 0，以及图(B)中Pcool（中间表面）的结果作为图(D)中elx和αlx的函数，(F)非互易发射/吸收光谱，在非AW波段内没有几何对称性，(G)可能的非互易和非对称热发射器（左上）及其在两个典型波长下的角发射和吸收光谱（λ= 20 μm, 19 μm）。Δnon(λ)的结果见左下插图。在此情况下，所用参数为p= 20 μm，w1= 3.5 μm，w2= 4.5 μm，g = 0.6p，B= 3T。

小结：尽管非互易热辐射在辐射冷却性能提升上展现出了理论上的创新潜力，但现阶段我们对其实际应用前景仍持审慎态度。主要原因如下：当考虑到宽中红外波段时，设计用于辐射冷却的非互易和非对称热发射器仍然面临严峻挑战；在实际应用中，非互易吸收和发射光谱与波长、天顶角、方位角以及偏振状态多个因素有关，对冷却功率的分析应该更加全面；非互易的实现依赖于外部能量的输入，热非互易会带来额外能量消耗，因此，基于非互易热辐射的辐射冷却就不能称为真正意义上的被动冷却。不过，可以通过设计非互易-非对称-非大气窗口型发射器来解决传统辐射冷却器所面临的大气损耗问题。并且，跨学科的合作将会推动辐射冷却新技术的发展，将来非互易热管理能够促进更高效率的能源利用和碳中和，在定向冷却和加热、建筑节能、废热回收、太阳能收集等领域均有广泛应用前景。

论文信息：Liu M, Jin S, Zhou C, Wang B, Zhao C, Qiu C. An inconvenient truth of thermal nonreciprocity’s impact on radiative cooling efficiency[J]. Joule, 9, 101887, 2025.

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