从嫦娥奔月到天问探火，人类对于星辰大海的探索永不止步。本文延续这场跨越时空长河的征途，从相变材料的选择、磁场的来源和响应、磁对流的调控机理到多形式能源的综合利用寻求克服技术障碍的方法，以期为空间储能系统开发和能源综合利用提供指导。
导 读
随着我国全面开启深空探测任务，建立高效的空间储能系统对保障航天器正常运行及航天员安全生存至关重要。本文综述了微重力环境下磁场调控储能相变材料（PCM）相变传热的研究进展，探讨了复合相变体系的热-流-磁耦合效应及调控机制，以期突破微重力下PCM的低热导率技术瓶颈。在未来展望中，提出了构建空间多形态能源综合利用系统的设想，强调了相变动力学中热-流-磁耦合效应的重要性，旨在推动磁场调控技术在空间储能基础研究中实现新突破。
图1 图文摘要
在微重力环境中，无法利用由密度差驱动的自然对流来加速PCM熔化。为保证PCM储能装置在复杂空间环境中的热响应性能，热毛细对流被视为补偿驱动力的可行方案。该机制源于温度梯度或浓度梯度引起的表面张力梯度所驱动的流体沿界面剪切流动。Kang等人通过“实践十号”卫星空间实验研究了热毛细对流的临界条件和振荡过渡特性，发现流体在空间上的转捩路径包括准周期路线、倍周期分岔和不稳定性。然而，相变过程中熔化界面的动态演化会进一步诱发热毛细对流的模态切换与对流失稳。当模型纵横比与温度梯度超过稳态模态的临界值时，热毛细对流单元会从稳定的多涡结构转变为振荡模式，其表现为行波或近似驻波。此外，热流边界条件也是影响振荡热毛细对流是否存在的重要因素，向腔体侧壁施加足够大的横向热流可诱导相变过程出现驻波与行波振荡模式，而在顶部自由表面施加恒定热流则不会引发振荡。
为适应微重力下周期性储放热需求，需根据空间特殊热环境调控PCM的热响应性能。因此，可以利用热毛细对流并结合多孔介质、纳米颗粒或翅片等形式的导热框架以加速PCM的相变过程。具体而言：（1）多孔介质虽能构建高效导热网络，但其骨架导热与热毛细对流常存在竞争效应；（2）纳米颗粒增强相变材料虽可提升导热系数，但其会增加表观粘度并诱发非牛顿流变行为；（3）翅片结构虽能定向引导热流，但会占据有效储热体积。
研究表明，这些导热增强策略普遍存在“传热增强-储热损失”的权衡效应，因此深入解析复合相变体系中“结构-性能”的构效关系，特别是多物理场耦合作用下的相界面演化动力学，对发展新一代空间储热系统具有重要意义。
相较于上述被动调控技术，基于磁场或电场的主动技术可通过调整外部能量输入来动态调控PCM的传热传质过程。Zhuang等人研究了铁磁流体力学（FHD）对于热毛细对流驱动相变过程的调控机制，发现当磁场强度超过稳定磁对流临界值后，会在低表面张力范围内触发振荡磁对流模式。实际上，基于FHD效应的磁场调控技术也曾被用于微重力环境下的流体管理。在外磁场下，磁性纳米流体中的顺磁性纳米颗粒将沿磁感线保持定向。它们将以链状分布经历动态尖峰聚集，并在更高的磁场强度下过渡至拉链状态。这些丰富的自组装形态会导致铁磁流体热物性发生显著改变。另一方面，磁流体力学（MHD）引起的磁阻尼效应已被证实可以有效地抑制微重力晶体生长过程中热毛细对流引起的非定常流动，从而减少生长条纹，控制生长界面，分离杂质。因此，对于热毛细对流驱动的相变过程，洛伦兹力能与表面张力相互抵消，从而控制液相对流区的发展并促进熔化界面的均匀化。此外，基于MHD的两种机制，即抗磁性和洛伦兹力，在解决微重力条件下电解池所面临的挑战方面极具前景。未来，磁场调控理论有望为空间环境下多相流系统的管理提供潜在指导。
总结与展望
（1）深度学习技术与资源原位利用：利用物理信息深度学习技术有助于精准预测和分析磁场调控下复杂相变界的面非均匀演化与磁对流模态切换规律。对于行星探测，最大化利用原位PCM资源以突破火箭运载限制是实现高温储热目标的关键策略。
（2）磁场形态优化与定向调控：准确分析天体磁场的空间分布特征，并结合航天器上的电磁系统能够调整磁场分布并降低系统复杂性。此外，磁性或超顺磁性纳米颗粒可快速响应外磁场变化，通过场致聚集构筑低热阻的传热通道以实现热量的定向传递与高效输运。
（3）多物理场协同与系统集成：铁磁流体的高光吸收、可调光散射等光学特性为空间光热转换效率提升开辟新途径。探索重力变化与磁场之间的相互作用规律，并进一步分析光-热-电-磁多物理场耦合下铁磁流体的动力学特性，可为构建面向航天的多形式能量综合利用体系提供新思路。
责任编辑
陈 晓 北京师范大学
徐 钱 北京科技大学
原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2025.100085
本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Energy 第2期第2卷发表的Commentary文章“Comprehensive utilization of energy for phase change heat transfer regulated by magnetic field in space” (投稿: 2024-12-30；接收: 2025-02-27；在线刊出: 2025-04-04)。
DOI：10.59717/j.xinn-energy.2025.100085
引用格式：Zhuang Y. and Du W. (2025). Comprehensive utilization of energy for phase change heat transfer regulated by magnetic field in space. The Innovation Energy 2: 100085.
作者简介
庄依杰 广东工业大学副教授、硕士生导师，校级“青年百人A类”引进人才（期满考核优秀），广东省力学学会流体力学与工程专业委员会委员。主要从事磁控固液相变传热理论与技术研究，主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目（结题优秀）、广东省自然科学基金面上项目（2项）、广州市基础研究计划项目、高温气体动力学国家重点实验室开放课题、传热强化与过程节能教育部重点实验室开放课题、广东省分布式能源系统重点实验室开放基金、企业（美的集团）委托项目等10余项目。参与科技部重点研发计划青年科学家项目、广东省重点领域研发计划专项等科研项目。以第一/通讯作者发表于International Journal of Heat and Mass Transfer（13篇）、Journal of Energy Storage（5篇）、Applied Thermal Engineering（6篇）等SCI期刊40余篇，发表于科学通报、工程热物理学报、清华大学学报（自然科学版）等EI期刊3篇，申请/授权发明专利10余项。曾获评广东工业大学优秀研究生导师、广东工业大学教学优秀二等奖4次，指导研究生获国家奖学金4人次，指导本科生获全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖/三等奖4次。
个人主页：https://teacher.gdut.edu.cn/zhuangyijie/zh_CN/index.htm
杜王芳 中国科学院力学研究所副研究员，微重力实验室主任助理，硕士生导师/博士生副导师，中国空间科学学会青年委员，中国空间科学学会微重力青年委员会主任委员，中国工程热物理学会热管组青年委员。主要研究方向包括微重力多相热流体动力学、先进压水堆核电站非能动安全壳热工水力学等，特别关注空间高真空、多重力、冷黑环境中液体闪蒸形成的多相热流体系统流动与换热机理及其空间应用。迄今已承担压水堆国家重大专项子课题3项（其中担任技术负责人1项）、国家电力投资集团公司项目3项、中国科学院重点实验室项目1项，目前正主持中国载人空间站工程科学实验项目1项、国家重点研发计划子课题2项、航天企业委托横向课题5项，并参与实践10号卫星、嫦娥5号采样返回任务、实践20号深低温热传输空间演示验证试验任务、嫦娥3号月球车热控分系统研制任务、以及中国载人空间站工程科学实验项目、国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划项目等。发表论文40余篇，SCI、EI收录20余篇。
个人主页：https://people.ucas.ac.cn/~0064405
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期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区TOP)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。2023年6月25-28日，四本姊妹刊(The Innovation Life、The Innovation Geoscience、The Innovation Materials、The Innovation Medicine)联袂创刊；2024年2月26日，第五本姊妹刊The Innovation Energy出版创刊号。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation刊群在海内外各平台推广作者文章。
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