太空數據中心，如何散熱？

最近這段時間，馬斯克關于太空算力的言論引起了廣泛關注。

按馬斯克的說法，他打算 整合SpaceX、特斯拉和xAI公司， 部署百萬顆衛星，構建“軌道數據中心系統”，為未來的人工智能提供算力支持。

馬斯克的這個計劃，從理論上來說確實有可行性。事實上，這并不是一個全新的構想。在美國、歐洲還有我們國內，都有提出過類似的太空算力項目，只不過沒有這么龐大。

太空算力，也沒有那么玄乎。無非是用火箭把大量搭載了算力芯片的衛星送上太空，然后組成一個龐大的算力集群。

太空數據中心 最大的優勢，就是可以充分利用太陽能作為能源，大幅減少能源成本。但是，它也面臨很多工程化和商業化的問題。

例如，火箭的發射能力和次數問題（需要砸不少錢）、衛星的壽命問題（一般是5年）、太空輻射問題（復雜的輻射會損傷芯片等硬件）、在軌維護問題（無人值守，壞了不好維修和替換）、通信帶寬和時延問題（星間和星地激光通信技術還不是特別成熟），空間和頻譜資源問題、商業模式問題，等等。

除了上述問題之外，還有一個關鍵的散熱問題——如此龐大的智算數據中心，擁有海量的芯片，工作時會產生大量的熱量。該如何散熱，才能確保太空數據中心不會因為溫度過高而燒毀？

很多人會問，太空應該溫度很低啊 ，難道不是更容易散熱嗎？

其實不是的。太空的溫度環境，并沒有大家想象的那么簡單。

散熱，一般只有三種方式：氣體對流、熱傳導（液體循環）以及熱輻射。太空中雖然溫度很低 （-270℃，接近絕對零度），但是 是真空環境，沒有空氣對流。所以，不能通過風冷這樣的方法帶走熱量，只能借助熱傳導和熱輻射。

這就 導致熱量的傳遞路徑更長、更復雜，需要考慮很多的內外部因素，也需要進行非常精密的系統性散熱設計。

接下來，我們就詳細了解一下太空數據中心究竟該如何散熱（熱控技術）。

█熱收集（芯片級）

一般來說，衛星和空間站等航天器上的散熱，會采用“分級管理、主動被動結合、多環路備份”的 系統級熱控架構。

芯片級，用微通道液冷。機柜級，用冷板與流體循環。艙段級，通過主回路連接至熱輻射器。

首先， 先從最基礎的芯片級散熱開始，這是熱量產生的源頭。

芯片工作，會產生熱量 （每平方厘米數百瓦） 。需要快速導出高密度熱量，防止芯片燒毀。

這里采用的方法，是在芯片封裝內部使用高性能導熱界面材料（例如石墨烯、液態金屬、碳纖維導熱墊、氮化硼導熱墊等）以及均熱板（Vapor Chamber）， 填充電子器件與散熱部件間的微小縫隙， 盡可能減少相互之間的熱阻，像“導熱膠”一樣，把熱量高效傳遞給后續系統。

這里，也可以采用嵌入式微通道液冷的技術，用流動的液體將熱量帶走。這個對冷卻液的要求比較高。低溫時，要防止凍結。而且，因為太空屬于微重力環境，冷卻液的流動也和地面不一樣，需要特殊設計。

極端的溫差，還要考慮材料的膨脹系數，避免出現爆裂損壞。

█熱傳遞（內部傳輸級）

熱量收集之后，要逐級傳遞出去，送到最終的熱輻射器。

一定距離的熱傳遞，可以使用熱管（heat pipe，特別是環路熱管LHP），通過冷卻 工質 （ 在制冷裝置中實現循環制冷的工作介質， 如氨、丙烷或特種流體）的 相變（蒸發、冷凝），進行被動傳熱。

熱管具有極高的傳熱效率、長距離傳輸能力和優異的等溫性， 是航天器與空間計算平臺最成熟的熱控元件之一 。

業界還有一種 變導熱管（variable conductance heat pipe， VCHP），在工質中引入不可凝氣體，通過氣體體積變化調節冷凝段有效面積，實現自適應控溫。

熱管、熱界面材料等，都 屬于被動熱控技術。太空數據中心的熱負載實在太大，僅靠被動熱控肯定是不行的。所以，需要引入一些主動熱控技術。

目前，業界采用的主流主動熱控技術，是機械泵驅動流體循環回路（mechanical pump fluid loop，MPFL）。

顧名思義，MPFL是通過機械泵驅動冷卻工質，流經安裝在設備上的冷板，吸收熱量，將熱量從分散熱源輸送到熱輻射器。

泵驅兩相對流系統

MPFL技術比較成熟，可控性強，是業界大型太空算力中心的基準方案。我們的神舟飛船還有嫦娥三號，都用了這種方案。

這個技術目前還在快速迭代，增加響應速度和補償精度，強化溫控穩定性和安全性。

█熱輻射（外部輻射級）

最后，熱量送到熱輻射器，要排向宇宙深空。

熱輻射器 這個玩意有點像太陽能板。只不過太陽能板是吸熱太陽能，變成電能。而熱輻射器，是將熱量 以紅外電磁波的形式輻射出去。

熱輻射器

熱輻射是太空中唯一最終的散熱方式。它的效率直接取決于輻射器的面積、表面溫度和涂層性能。

輻射器通常是衛星外部的翼板，擁有高發射率（＞0.8）、低吸熱率的涂層（如特殊白漆、第二表面鏡）。

一些新型材料，例如碳納米管涂層、光子晶體薄膜，可在特定波段實現近乎理想的黑體輻射，同時反射太陽光，顯著提升性能。

輻射器的面積越大，散熱效率就越高。所以，一般都會采用可展開式輻射器（就像折疊的翅膀一樣）。在衛星發射時，緊湊折疊。入軌后，再展開，獲得巨大散熱面積。

輻射器必須擁有足夠的強度，但也不一定都是硬材質，也有一些柔性薄膜輻射器。

需要注意的是，在軌運行的航天器，需要面對極端且波動的外熱流環境。意思就是說，在陽面時，需要面對太陽直射、地球反照（太陽光被地球反射）和地球紅外輻射的加熱，溫度很高。在陰面時，會稍微好一點。

在陽面時，熱輻射器可能發揮不了散熱的作用，反而會變成“吸熱器”。所以，需要精心設計輻射器的方位、采取隔熱措施或使用可調散熱技術，防止熱逆轉。

說到這里，還要提一句：其實，航天器上還會有加熱器。就是在陰面（溫度極低）的時候，進行加熱，確保設備能夠正常工作。

一些智能輻射器，采用百葉窗裝置（類似于哈勃望遠鏡所用）或電致變色/熱致變色材料，主動調節輻射器的有效發射率或對深空的視角系數，在“冷環境”中全力散熱，在“熱環境”中關閉保溫。

█新型空間散熱技術

太空數據中心如果真的發展起來，規模會非常恐怖。

根據業界的預測，如果搭建太空數據中心， 每噸衛星可提供100千瓦（kW）算力，馬斯克的百萬顆衛星計劃，會具有100吉瓦（GW）AI算力。

100吉瓦是個什么概念呢？假設一個燈泡功率為10瓦，100吉瓦可以同時點亮100億盞這樣的燈泡。三峽水電站的總裝機容量約為22.5吉瓦，所以100吉瓦大約相當于4.5個三峽水電站的總裝機容量。

一個吉瓦級的數據中心，需要數平方公里的散熱面積。這在工程上，是一個巨大的挑戰。

為了滿足太空算力發展的需求，業界也提出了一些新的空間散熱技術解決方案：

● 相變材料儲熱與緩沖

相變材料（Phase change materials，PCM）可以在接近恒定溫度下完成吸放熱過程，當環境溫度高于相變點時，吸熱熔化。低于相變點時，放熱凝固。

在散熱路徑中集成相變材料（例如特定熔點的石蠟、鹽類）。當輻射器面對太陽（散熱效率低）時，吸收并儲存過剩熱量。當衛星進入陰面時，釋放熱量由輻射器排出。

這就有點像“蓄電池（蓄熱池）”， 可以有效緩沖太空數據中心內部熱源波動和空間環境周期性溫差 。

●輻射散熱增強與波長選擇性輻射

通過納米結構設計，制造在特定中紅外波段（大氣窗口）具有極高發射率，而在太陽光主要波段（可見光與近紅外）具有極高反射率的“光譜選擇性輻射器”，理論上可將散熱效率提升數倍。

●蒸發式散熱與物質排放

在極端情況下，可考慮攜帶易揮發的工質（如水），將其噴入真空，把熱量帶走。

這種方案消耗性大，在太空中不太合適，最多也是用于短期、高強度的緊急散熱。在有冰資源的天體（如月球），倒是比較可行。可以建立可持續的“制冰-蒸發”循環，實現整個系統的散熱。

● 系統AI智能調控

利用AI算法，預測熱負荷，并動態調節泵速、閥門或百葉窗的角度，使整個散熱系統能夠自適應優化，在復雜多變的太空環境中保持最高效率。

█結語

好了，以上就是關于太空數據中心熱控方案的介紹。

概括來說， 太空數據中心面臨真空無對流、微重力影響、極端溫差等特殊環境，在散熱方面需要面對很大的挑戰。

現有的航空器熱控技術，可以分為被動與主動兩類。

被動技術包括熱管、導熱帶、輻射板、相變模塊、熱控涂層及熱界面材料等，適用于小功率、低熱流密度場景。

主動技術包括單相對流系統、泵驅兩相對流系統、加熱器、熱電制冷器及熱開關等，適用于大功率、高熱流密度、遠距離多熱源場景。

太空算力如果真的成為熱門趨勢，那么，太空數據中心熱控技術肯定也會得到更多的重視，技術會加速創新和迭代。

這一領域，還是非常值得關注的。

參考文獻：

1、《 聊聊太空部署算力中心散熱問題的可行方案》；

2、《 太空數據中心熱控技術研究現狀與展望 》，制冷學報；

3、《 太空算力三重變現閉環，營收有望破千億 》，銀河證券；

4、維基百科、百度百科等。

文章轉載自“鮮棗課堂”微信公眾號