磁控动态辐射制冷与太阳能加热协同调控：面向先进航天器热管理的新策略

《Carbon Neutrality》：Magnetic-controlled dynamic radiative cooling and solar heating for advanced space thermal management

本文针对深空探测装备面临的极端热环境挑战，提出了一种基于磁控Janus涂层的动态辐射热管理(MC-DRTM)装置。研究团队通过非接触式磁控翻转技术实现了太阳能加热(SH)与辐射制冷(RC)模式的智能切换，该装置在5~20 K温区及30分钟至12小时的不同周期内均展现出稳定的温控效果。此项工作为卫星、空间站等航天装备的热管理提供了创新性解决方案，在碳中和技术领域具有重要应用潜力。

　　

在浩瀚宇宙中探索未知是人类永恒的梦想，然而航天器在轨运行却面临着极端热环境的严峻挑战。由于太空近乎真空的特殊环境，热传导和对流换热几乎失效，辐射传热成为航天器与外界能量交换的唯一途径。更棘手的是，航天器表面同时承受着约5700 K的太阳直射辐射与3 K的深冷背景辐射，导致向阳面温度可飙升至700 K，而背阳面可能骤降至3 K。这种剧烈温度波动不仅影响设备正常运行，甚至可能引发永久性损坏。因此，发展能够动态适应外热流变化的智能热管理技术，成为保障航天任务成功的关键。

针对这一难题，中国科学技术大学彭一帆、吴季阳等研究人员在《Carbon Neutrality》发表最新研究成果，提出了一种基于磁控原理的动态辐射热管理(MC-DRTM)装置。该装置创新性地采用非接触式磁控翻转机制，通过智能切换Janus涂层的太阳能加热(SH)与辐射制冷(RC)功能，实现了对航天器温度的精准调控。

研究团队通过集成关键技术创新实现了这一突破：首先采用硬磁材料Nd₂Fe₁₄B与Ecoflex-30弹性体复合制备磁控翻转叶片，通过脉冲磁场定向磁化技术实现叶片磁矩有序排列；其次利用MXene材料局域表面等离子体共振(LSPR)效应构建高吸收(81%)低发射(21%)的SH功能层，结合PDMS/Ag薄膜实现高反射(94.8%)高发射(85.4%)的RC功能层；最后基于STM32微控制器开发了温度-PWM磁控联动系统，通过电磁线圈阵列产生梯度磁场驱动叶片完成90°精准翻转。

2.1 MC-DRTM装置工作原理

如图1所示，该装置核心在于锯齿状基底与磁控叶片的协同设计。当叶片温度超过设定温区上限(T_H)时，横向磁力驱动叶片翻转使RC辐射体面向天空，启动辐射制冷模式；当温度低于下限(T_L)时，反向磁力使SH吸收体暴露，开启太阳能加热模式。90°锯齿结构设计显著降低了翻转所需磁力，而铜基板上的仿形涂层确保了模式切换时的表面功能连续性。

2.2 器件开发与表征

磁控叶片采用质量比1:2的Nd₂Fe₁₄B/Ecoflex-30复合材料，经2.7 T脉冲磁场磁化后表面磁化强度达67.77 emu/g（图2c-f）。电磁线圈选用DT4C电工纯铁芯，COMSOL仿真显示在12A电流下可产生满足快速响应的梯度磁场（图2h）。光谱测试表明SH吸收体在AM1.5标准太阳光谱下吸收率达81%，红外发射率仅21%；RC辐射体太阳能反射率94.8%，平均红外发射率85.4%（图3e-f），这种显著的光谱选择性为高效热管理奠定了物理基础。

2.3 温控性能实验验证

通过太阳能模拟器和户外实验平台（图4a-b）的系统测试，装置展现出卓越的动态调控能力。在1093 W·m^-2辐照下，SH与RC模式的稳态温差达30°C（图6a）。设定35-45°C温区时，装置成功完成7次完整调控循环（图6b）。不同辐照强度（535-935 W·m^-2）与温区（5-10 K）的测试表明，装置在强辐射环境下虽需更长调控时间，但均能保持温度在设定范围内（图6c-f）。户外全天实验进一步验证了其实际应用价值，在28-35°C温区内装置自动完成4次翻转调控，即使在正午强辐射条件下仍能维持温度稳定（图7a-f）。

2.4 性能预测与理论分析

通过建立热平衡模型P_net=P_rad-P_sun-P_atm-P_cond进行计算预测（图8a-d）。在真空条件下，RC辐射体可实现低于环境温度72.9°C的制冷效果，SH吸收体则能达到高于环境温度460.0°C的加热能力，理论最大温控区间达532.9°C。考虑地面对流（h=6 W·m^-2·K^-1）时，温控区间仍达122.9°C，展现出巨大的应用潜力。

这项研究通过磁控非接触切换机制成功解决了传统主动热控技术机械结构复杂、被动热控技术响应迟缓的难题。MC-DRTM装置不仅保留了主动调控的精确性优势，还避免了机械传动机构的可靠性问题。其创新的Janus涂层设计与磁控执行方案为航天器热管理提供了新范式，在卫星、空间站等航天装备的智能热控领域具有广阔应用前景。该技术有望显著提升航天器在极端热环境下的运行稳定性，为深空探测任务的顺利实施提供重要技术支撑。