北航/北科联合Adv. Mater.前沿综述：空间辐射冷却材料进展与应用展望

随着深空探测与载人航天任务的不断推进，航天器及相关设施的热控需求日益严苛。传统主动热控系统依赖电力驱动，增加了能耗和系统复杂度，而被动辐射冷却（Radiative Cooling, RC）凭借无需能量输入即可调控热辐射的优势，成为外层空间热管理的重要候选方案。然而，空间环境与地面条件存在显著差异，如极端温度波动、真空紫外（VUV）辐射、原子氧（AO）侵蚀及空间尘埃沉积等，这对 RC 材料的光热稳定性与长期耐久性提出了更高要求。本文首次系统综述了外层空间辐射冷却技术，涵盖基础机理、材料与器件进展、环境适应性挑战，并进一步探讨了地面辐射冷却材料对空间应用的启示、载人和无人航天器的辐射冷却策略、空间辐射冷却材料的抗老化与性能预测、轻量化设计与可规模化制造，以及在卫星、舱段、月球基地和宇航服等实际应用场景中的工程化集成。相关工作以Radiative Cooling in Outer Space: Fundamentals, Advances in Materials and Applications, and Perspectives为题发表在Advanced Materials期刊。

本文系统综述了外层空间辐射冷却材料的发展脉络，从基础原理、典型材料到环境适应性与应用前景，构建了完整的研究框架。首先，通过图1展示了空间辐射环境特征以及空间辐射冷却与地面辐射冷却的光谱差异，这种差异对不同地球轨道与深空环境中的辐射冷却材料提出了更高的要求。为了解决航天器在阳照区与阴影区切换引起的极端温度波动问题，第三章系统总结了空间静态辐射冷却材料的提升策略（图2），以及基于钙钛矿（LSMO）和 VO2的热致变色材料与智能辐射调控器件（图3–图7）和基于过渡金属氧化物与导电聚合物的电致变色材料与智能辐射调控器件（图8）。图9系统总结了空间环境因素对应用于航天器表面的辐射冷却材料的影响，并受地面抗老化材料设计的启发提出减缓空间材料老化的潜在设计策略。为此，第四章分别讨论了空间尘埃附着与沉积对辐射冷却材料光热特性的影响（图10）及应对月尘挑战的缓解措施（图11）；真空紫外线辐射对辐射冷却材料的老化作用以及通过化学改性与纳米结构调控方法（图12）、有机–无机复合策略（图13）改善 VUV 稳定性；以及近地轨道环境中的原子氧对辐射冷却材料的侵蚀作用及保护层设计策略。最后，通过与传统热控技术的比较，凸显辐射冷却在轻量化、被动性和可持续性方面的优势，并结合实际应用场景展望其在航天器、载人舱段和月球基地中的广阔前景。

研究概要图

图1.空间辐射环境与被动辐射冷却材料的光谱特性。a)处于地球轨道和行星际轨道的航天器暴露在多种辐射源下，包括太阳辐射、地球红外辐射以及反照辐射。在阳照区，航天器暴露在强烈的太阳辐射强度下；而在地球阴影区，航天器受到的辐射强度显著降低。b) AM0（空间）和AM1.5（地球）条件下的太阳光谱辐照度及大气透过率曲线，采用半对数坐标表示。地面辐射冷却依赖于大气在8–13 µm波段的高透过率将热辐射散逸至外层空间；而在真空的空间环境中不存在大气吸收，整个中红外波段的透过率为1。

图2.用于航天器热管理的空间静态RC材料的性能提升。

图3. 基于LSMO 的空间动态RC材料与器件的发展。

图4.基于LSMO的智能辐射器件（SRDs）在空间环境中的功能与性能表现。

图5.基于VO2的航天器智能辐射器件（SRDs）结构设计。

图6.基于VO2的法布里–珀罗谐振腔与多层太阳反射器的复合结构设计与性能提升。

图7.基于VO2的超材料结构设计与透明智能辐射器件（TSRDs）的空间应用。

图8. 1999–2024年用于航天器热管理的代表性电致变色RC材料与器件的进展。

图9.空间环境因素对应用于航天器表面的RC材料的影响。(a)威胁RC材料稳定性的空间环境因素，包括电子和质子辐射、AO侵蚀、热循环、空间尘埃附着、伽马射线和VUV辐射。(b)长期空间任务中材料退化的关键因素机理分析。高能VUV辐射会导致分子键断裂和发黄效应，恶化RC材料的光学性能。空间尘埃的沉积与附着显著影响RC材料表面的光热性能。(c)地球环境中代表性抗老化材料设计，包括高透明自清洁表面与坚固超疏水表面设计。(d)空间环境下减缓材料老化的潜在设计策略，包括用于应对月壤尘埃的静电除尘系统，以及抵抗VUV与AO的保护涂层。

图10.空间尘埃对RC材料光学与传热特性的影响。

图11.阿波罗任务中与月尘相关的主要问题及其缓解措施。

图12.通过化学改性设计与纳米结构调控降低紫外吸收的RC材料。

图13.耐VUV老化的有机、无机及复合RC材料。

小结：本文系统回顾了外层空间辐射冷却的发展历程与最新进展，涵盖基础原理、典型材料体系、智能调控器件以及空间环境适应性。与传统主动热控手段相比，辐射冷却在轻量化、被动性与可持续性方面展现出显著优势。静态辐射冷却材料的发展实现了高太阳反射率与宽谱红外发射率，有利于航天器电子器件的高效散热。基于热致变色与电致变色体系的智能辐射器件，则为动态热管理与载人航天器的温度控制提供了可行路径。同时，针对 VUV、AO、尘埃等极端环境下的退化问题，总结了化学改性、复合结构和自适应涂层等多种防护策略，显著提升了辐射冷却材料的空间稳定性与服役寿命。展望未来，结合先进制造技术与多功能集成设计，空间辐射冷却有望在航天器、载人舱段及月球基地等应用中发挥关键作用，推动新一代绿色高效的热管理体系发展。

论文信息: Y. Fan, H. Chen, X. Liu, Y. Zhao, Y. Huang*, J. Liu*, C. Wang*. “ Radiative Cooling in Outer Space: Fundamentals, Advances in Materials and Applications, and Perspectives.” Adv. Mater. (2025): e06795.

https://doi.org/10.1002/adma.202506795

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