基于生物质的纳米工程冷却土工织物，用于防止永久冻土融化

《ACS Nano》：Biomass-Based Nanoengineered Cooling Geotextile for Permafrost Thawing Prevention

永久冻土融化是关键气候临界点，现有制冷系统成本高能耗大且效果有限。本文研发全生物质源冷却土工布，采用纳米加工技术实现高效热传导，其三层结构（生物质编织层、非织造纤维层、微纳多孔涂层）可显著提升反照率至96.3%，形成土壤-空气热阻层，在印第安纳州实验中实现25℃土壤降温。该材料轻便可卷曲（0.8kg/m2），预计2020-2050年北极夏季地表降温12℃，可阻止4万km2冻土消融，碳足迹仅0.7kg/m2，为北极防护提供可持续方案。

　　

永久冻土融化是一个关键的气候临界点，其后果极为严重。现有的稳定方法依赖于基于制冷剂的系统，如热虹吸管和主动制冷系统，但这些方法要么资本密集、能耗高，要么在气候变暖的情况下越来越无效。大多数建在永久冻土上的基础设施都需要持续从地基中移除热量，因为下层的永久冻土会逐渐变得不稳定。为了解决这些挑战，我们开发了一种完全由生物质材料制成的冷却土工织物，通过卷对卷的制造工艺（速度为1.3米/分钟）实现可扩展的纳米加工，从而有效减缓永久冻土的融化。这种冷却土工织物具有三层结构：一层坚固的编织生物质支架、一层透气的非织造纤维网络，以及一层具有微纳结构的优化多孔涂层。当将其固定在裸露的地面上时，它可以将热量释放到寒冷的空气中，使反照率从约30%提高到96.3%，并在土壤和空气之间形成热屏障。该材料经过专门设计，能够抵御强风、极端寒冷以及冻融循环，其性能超过了美国国家工程手册的要求（抗拉强度1682公斤；抗撕裂强度191公斤；抗穿刺强度61公斤）。在印第安纳州西拉斐特（北纬40°25′21″，西经86°55′12″）进行的实地测试显示，在500瓦/平方米的辐照度下，土壤温度可降低25摄氏度。由于其重量轻（0.8公斤/平方米）且可卷曲的特性，这种材料能够实现快速且可扩展的局部应用。模拟结果显示，在2020年至2050年的北极夏季期间，该材料可使地表温度降低多达12摄氏度，从而防止多达40,000平方公里的永久冻土融化。由于完全由生物质材料制成，这种冷却土工织物的碳足迹非常低（0.7公斤/平方米），成为加固北极海岸线、重建融化的地貌以及恢复环境的可持续解决方案。