2030年低温技术展望

2023年4月25日至28日，在德国德累斯顿举行的2023低温大会上，Ziad Melhem概述了2030年之内低温技术和应用的未来进展。

低温学在空间科学、电子、运输、制造业、生物科学、农业以及包括科学和医疗等先进技术的科学和工程领域中有广泛应用，特别是在低温生物学和低温外科以及低温电子产品冷却方面。

低温工业设备市场虽然在过去3年因新冠肺炎疫情而放缓，但预计在未来10年将出现巨大增长。到2022年，低温设备市场的价值为220亿美元，预计到2030年将翻一番，达到430亿美元。

低温技术、低温和低温传热的新发展使航空航天、传感器、高能物理、量子和纳米技术应用、低温电子学和超导应用领域的各种新应用和创新成为可能。所有目前可用的超导材料都必须冷却到低温才能运行。近年来，环境因素在低温制冷系统的设计和开发中占据了重要地位。

Z. Melhem强调了几项正在开发或预计十年中将取得的低温工程新进展：

电气化和电力工业：使用低温液氢作为储能方法的全电动飞机。许多飞机供应商正在开发使用清洁能源的下一代飞机；空中客车公司、波音公司、美国国家航空航天局和许多其他公司正在进行不同的项目，以制造一种使用低温氢燃料电池系统的飞机。至关重要的是，氢基飞机可以提供更高的航程。这些飞机系统将包含压缩氢气，以驱动聚合物电解质膜燃料电池。

用于运输的低温燃料：运输中最常见的低温燃料之一是液化天然气。液化天然气是指冷却至-162°C（113 K）沸点的天然气，在此温度下，天然气变为液体。液化天然气被用作卡车、公共汽车和船舶等重型、大型车辆的燃料。因为它比压缩天然气（CNG）具有更高的能量密度，这意味着每单位体积可以提供更多能量。

另一种在运输领域越来越受欢迎的低温燃料是液氢（LH₂）。LH₂是被冷却到-253°C（20 K）温度的氢，变成液体。LH₂被用作燃料电池汽车的燃料，燃料电池汽车将氢气转化为电力，为电动机提供动力。这个过程唯一的排放物是水蒸气。低温燃料相比传统燃料有几个优点，包括更低的排放和更高的效率。然而，它们也需要专门的储存和处理设备，这可能会增加使用这些燃料的成本。此外，低温燃料的生产可能需要大量的能源投入，这可能会影响其整体可持续性。

氢化学能：氢的化学能通过一系列燃料电池转化为电能。氢气就像石油或天然气一样，是一种化学能量载体，可以通过管道输送或运输到需要的地方。氢每单位质量储存的能量是传统汽油的三倍，当它在空气中“燃烧”时——释放储存的能量——它只是与氧气结合，再次产生水。氢系统的低温要求也为利用超导电力传输提供了机会。燃料电池将氢气和环境氧气的化学能转化为电动机的动力。该电动机随后提供旋转能量。

用于存储的燃料电池：当用作能量储存装置时，燃料电池与燃料产生装置（通常是电解槽）相结合，形成可再生燃料电池系统。该系统可以将电能转换为可储存的燃料，然后在燃料电池反应中使用该燃料来提供电力。氢气保存在低温储罐中，以获得更大的自主性。在这些储罐中保持在压力下的液氢可用于冷却和加热。氢气的低温储存是有益的，且具有很大的潜在价值。它不仅在大生产率下是经济的，储存时间也更长。

低温火箭发动机：如果没有低温学，今天太空技术的发展是不可能的。作为助推器的火箭发动机由低温燃料和氧化剂组成。H₂-O₂组合可以产生比其他推进剂更好的特定脉冲，并且对于某些特定应用是必要的，例如在单步进入轨道的飞行器。低温火箭发动机更有利，每公斤推进剂的推力更大。不用说，它也更适合于固体和液体发动机。

量子应用的低温学：低温学和低温技术的最新进展使量子和纳米技术的应用成为可能。此类应用将依赖于先进的模块化低温平台，该平台可以在磁场和/或低温下在纳米级探测和操纵物质，并且使用和管理更简单。新的低温环境将用于组装和分析功能、有机或无机、纳米和微观结构，并探测它们的结构、性质和动力学，在量子技术中具有潜在的应用，如量子信息处理、传感和通信、纳米技术和纳米电子学。