Wie kühlt man ein Weltraum-Datenzentrum?

In letzter Zeit haben Elon Musks Äußerungen über Rechenleistung im Weltraum breite Aufmerksamkeit erregt.

Laut Musk plant er, SpaceX, Tesla und xAI zu integrieren, Millionen von Satelliten zu stationieren und ein "Orbitales Rechenzentrumsystem" aufzubauen, um in Zukunft die Rechenleistung für Künstliche Intelligenz bereitzustellen.

Theoretisch ist Musks Plan durchaus durchführbar. Tatsächlich ist es keine völlig neue Idee. Ähnliche Weltraumrechenleistungsprojekte wurden in den USA, Europa und auch in China vorgeschlagen, nur nicht in so großem Maßstab.

Die Weltraumrechenleistung ist nicht so abstrus. Man braucht einfach Raketen, um Satelliten mit Rechenleistungschips in den Weltraum zu bringen und dann ein riesiges Rechenleistungskluster zu bilden.

Der größte Vorteil eines Weltraumrechenzentrums ist, dass es Sonnenenergie als Energiequelle nutzen kann, wodurch die Energiekosten erheblich gesenkt werden können. Allerdings stehen ihm auch viele Probleme bei der Verwirklichung und Kommerzialisierung entgegen.

Beispielsweise gibt es Probleme mit der Raketenstartfähigkeit und der Anzahl der Starts (es müssen viel Geld investiert werden), das Problem der Satellitenlebensdauer (normalerweise 5 Jahre), das Problem der Weltstrahlung (komplexe Strahlung kann Hardware wie Chips beschädigen), das Problem der In-Orbit-Wartung (ohne Besatzung, schwierig zu reparieren und auszutauschen bei Ausfällen), das Problem der Kommunikationsbandbreite und der Latenz (die Laserkommunikationstechnologie zwischen Satelliten und zwischen Satelliten und Erde ist noch nicht besonders ausgereift), das Problem der Raum- und Frequenzressourcen, das Geschäftsmodellproblem und so weiter.

Außer den oben genannten Problemen gibt es noch ein Schlüsselproblem - das Problem der Wärmeableitung: Ein so riesiges Rechenzentrum für Künstliche Intelligenz hat unzählige Chips, die bei der Arbeit eine Menge Wärme erzeugen. Wie kann man die Wärme ableiten, um sicherzustellen, dass das Weltraumrechenzentrum nicht wegen zu hoher Temperaturen verbrennt?

Viele fragen sich, ob der Weltraum nicht eine sehr tiefe Temperatur habe und somit die Wärmeableitung nicht einfacher wäre?

Tatsächlich ist das nicht der Fall. Die Temperaturumgebung im Weltraum ist nicht so einfach, wie man denkt.

Es gibt im Allgemeinen nur drei Arten der Wärmeableitung: Gasumwälzung, Wärmeleitung (Flüssigkeitskreislauf) und Wärmestrahlung. Obwohl die Temperatur im Weltraum sehr niedrig ist (-270°C, nahe am absoluten Nullpunkt), ist es ein Vakuum, ohne Luftumwälzung. Daher kann man die Wärme nicht durch Luftkühlung abführen, sondern nur durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung.

Das führt dazu, dass der Wärmeübertragungsweg länger und komplizierter wird, viele interne und externe Faktoren berücksichtigt werden müssen und eine sehr präzise systemische Wärmeableitungsgestaltung erforderlich ist.

Im Folgenden werden wir uns ausführlich ansehen, wie ein Weltraumrechenzentrum die Wärme ableiten kann (Wärmekontrolltechnologie).

Wärmegewinnung (Chipebene)

Im Allgemeinen wird bei der Wärmeableitung von Raumfahrzeugen wie Satelliten und Raumstationen ein systemisches Wärmekontrollkonzept mit "stufiger Verwaltung, Kombination von aktiver und passiver Kontrolle, mehrfacher Rücklaufsicherung" eingesetzt.

Auf Chipebene wird die Mikrokanal-Flüssigkeitskühlung verwendet. Auf Schrankebene werden Kaltplatten und Flüssigkeitskreisläufe eingesetzt. Auf Kabinenebene wird der Hauptkreislauf an den Wärmestrahler angeschlossen.

Zunächst beginnt man mit der grundlegenden Wärmeableitung auf Chipebene, da hier die Wärme erzeugt wird.

Während des Betriebs erzeugt der Chip Wärme (hunderte von Watt pro Quadratzentimeter). Die hochdichte Wärme muss schnell abgeleitet werden, um zu verhindern, dass der Chip verbrennt.

Hier wird die Methode eingesetzt, hochleistungsfähige Wärmeleitmaterialien (z. B. Graphen, flüssiges Metall, Kohlefaserwärmeleitmatten, Bornitridwärmeleitmatten usw.) sowie Dampfkammern (Vapor Chamber) im Inneren der Chipverpackung zu verwenden, um die kleinen Spalten zwischen elektronischen Bauteilen und Wärmeableitkomponenten auszufüllen und den Wärmewiderstand zwischen ihnen so gering wie möglich zu halten. Sie fungieren wie "Wärmeleitkleber" und übertragen die Wärme effizient an das nachfolgende System.

Hier kann auch die Technologie der eingebetteten Mikrokanal-Flüssigkeitskühlung eingesetzt werden, bei der die Wärme durch fließende Flüssigkeit abgeführt wird. Dies erfordert hohe Anforderungen an die Kühlflüssigkeit. Bei niedrigen Temperaturen muss sie vor Einfrieren geschützt werden. Da sich der Weltraum in einem Mikroschwerefeld befindet, fließt die Kühlflüssigkeit auch anders als auf der Erde und erfordert eine spezielle Gestaltung.

Bei extremen Temperaturunterschieden muss auch der Ausdehnungskoeffizient des Materials berücksichtigt werden, um Sprengungen und Schäden zu vermeiden.

Wärmeübertragung (innere Übertragungsebene)

Nach der Wärmegewinnung muss die Wärme schrittweise übertragen und schließlich an den Wärmestrahler geleitet werden.

Für die Wärmeübertragung über eine gewisse Entfernung können Wärmerohre (Heat Pipe, insbesondere Loop Heat Pipe - LHP) verwendet werden. Sie übertragen die Wärme passiv durch die Phasenänderung (Verdampfung, Kondensation) eines Kühlmittels (ein Arbeitsmedium, das in einer Kälteanlage für den zyklischen Kälteprozess sorgt, wie Ammoniak, Propan oder spezielle Flüssigkeiten).

Wärmerohre haben eine extrem hohe Wärmeübertragungseffizienz, eine Fähigkeit zur Langstreckenübertragung und eine ausgezeichnete Isothermie. Sie gehören zu den am besten entwickelten Wärmekontrollkomponenten für Raumfahrzeuge und Raumrechenplattformen.

Es gibt auch eine Art von Wärmerohr mit variabler Wärmeleitfähigkeit (Variable Conductance Heat Pipe - VCHP), bei dem ein nicht kondensierbares Gas in das Arbeitsmedium eingebracht wird. Durch die Volumenänderung des Gases kann die effektive Fläche des Kondensationsabschnitts eingestellt werden, um eine adaptive Temperaturkontrolle zu erreichen.

Wärmerohre, Wärmeleitmaterialien usw. gehören alle zur passiven Wärmekontrolltechnologie. Die Wärmelast eines Weltraumrechenzentrums ist jedoch zu groß, um nur mit passiver Wärmekontrolle auszukommen. Daher müssen einige aktive Wärmekontrolltechnologien eingeführt werden.

Derzeit wird in der Branche hauptsächlich die Mechanische Pumpen-Flüssigkeitskreislauftechnologie (Mechanical Pump Fluid Loop - MPFL) als aktive Wärmekontrolltechnologie eingesetzt.

Wie der Name schon sagt, treibt die MPFL das Kühlmittel durch eine mechanische Pumpe, das dann durch Kaltplatten an den Geräten fließt, die Wärme absorbiert und von verteilten Wärmequellen zum Wärmestrahler transportiert.

Pumpengetriebener Zweiphasen-Konvektionskreislauf

Die MPFL-Technologie ist relativ ausgereift und gut steuerbar. Sie ist eines der Standardlösungen für große Weltraumrechenzentren in der Branche. Auch die chinesischen Raumschiffe Shenzhou und die Mondsonde Chang'e 3 haben diese Lösung eingesetzt.

Diese Technologie wird derzeit noch schnell weiterentwickelt, um die Ansprechgeschwindigkeit und die Kompensationsgenauigkeit zu verbessern und die Temperaturkontrollstabilität und -sicherheit zu stärken.

Wärmestrahlung (äußere Strahlungsebene)

Schließlich wird die Wärme an den Wärmestrahler geleitet und in den Weltraum abgestrahlt.

Ein Wärmestrahler ähnelt einem Sonnenkollektor. Der Sonnenkollektor absorbiert Sonnenenergie und wandelt sie in elektrische Energie um, während der Wärmestrahler die Wärme in Form von Infrarot-Elektromagnetwellen abstrahlt.

Wärmestrahler

Die Wärmestrahlung ist die einzige endgültige Wärmeableitmethode im Weltraum. Ihre Effizienz hängt direkt von der Fläche des Strahlers, der Oberflächentemperatur und der Beschichtungseigenschaft ab.

Strahlerelemente sind normalerweise Flügelplatten außerhalb des Satelliten, die eine Beschichtung mit hoher Emissionsrate (> 0,8) und niedriger Absorptionsrate (z. B. spezielle Weißfarbe, Zweite-Oberflächen-Spiegel) haben.

Einige neue Materialien, wie Kohlenstoffnanoröhrenbeschichtungen und Photonik-Kristallfilme, können in bestimmten Wellenlängenbereichen nahezu ideale Schwarzkörperstrahlung erzielen und gleichzeitig Sonnenlicht reflektieren, was die Leistung erheblich verbessert.

Je größer die Fläche des Strahlers ist, desto höher ist die Wärmeableitungseffizienz. Deshalb werden normalerweise ausklappbare Strahler verwendet (ähnlich wie faltbare Flügel). Sie werden während des Satellitenstarts kompakt zusammengeklappt und nach dem Eintritt in die Umlaufbahn ausgeklappt, um eine große Wärmeableitfläche zu erhalten.

Der Strahler muss genügend Festigkeit haben, aber er muss nicht unbedingt aus hartem Material sein. Es gibt auch einige flexible Folienstrahler.

Es ist zu beachten, dass ein in Umlaufbahn befindliches Raumfahrzeug einer extremen und schwankenden äußeren Wärmestromumgebung ausgesetzt ist. Das bedeutet, dass es auf der Sonnenseite der direkten Sonneneinstrahlung, der Erdreflexion (Sonnenlicht, das von der Erde reflektiert wird) und der Erd-Infrarotstrahlung ausgesetzt ist und die Temperatur sehr hoch ist. Auf der Schattenseite ist es etwas besser.

Auf der Sonnenseite kann der Wärmestrahler möglicherweise nicht die Funktion der Wärmeableitung erfüllen, sondern kann stattdessen ein "Wärmeabsorber" werden. Daher muss die Ausrichtung des Strahlers sorgfältig gestaltet werden, Wärmedämmmaßnahmen ergriffen oder eine einstellbare Wärmeableitungstechnologie verwendet werden, um eine Wärmeumkehr zu verhindern.

Hier möchte ich noch erwähnen, dass es auch Heizgeräte an Raumfahrzeugen gibt. Sie werden auf der Schattenseite (sehr niedrige Temperatur) verwendet, um zu gewährleisten, dass die Geräte normal funktionieren können.

Einige intelligente Strahler verwenden Jalousievorrichtungen (ähnlich wie beim Hubble-Teleskop) oder elektrochrom/thermochrom veränderliche Materialien, um die effektive Emissionsrate des Strahlers oder den Sichtfaktor zum Weltraum aktiv einzustellen. Sie leiten die Wärme im "kalten Umfeld" effizient ab und schließen sich im "heißen Umfeld" zum Wärmeschutz.

Neue Weltraumwärmeableitungstechnologien

Wenn sich Weltraumrechenzentren tatsächlich entwickeln, wird ihre Größe unglaublich sein.

Laut Prognosen der Branche kann ein Tonne Satelliten 100 Kilowatt (kW) Rechenleistung liefern. Musks Plan mit Millionen von Satelliten würde eine KI-Rechenleistung von 100 Gigawatt (GW) haben.

Was bedeutet 100 Gigawatt? Angenommen, eine Glühbirne hat eine Leistung von 10 Watt, dann können 100 Gigawatt 10 Milliarden solcher Glühbirnen gleichzeitig betreiben. Die Gesamtleistung des Drei-Schluchten-Staudamms beträgt etwa 22,5 Gigawatt. Also entspricht 100 Gigawatt etwa 4,5-mal der Gesamtleistung des Drei-Schluchten-Staudamms.

Ein Gigawatt-Datenzentrum benötigt eine Wärmeableitfläche von mehreren Quadratkilometern. Dies ist eine enorme Herausforderung in der Technik.

Um den Bedarf an Weltraumrechenleistung zu erfüllen, hat die Branche auch einige neue Lösungen für die Weltraumwärmeableitung vorgeschlagen:

● Wärmespeicherung und -pufferung mit Phasenwechselmaterialien

Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials - PCM) können den Wärmeabsorptions- und -abgabeprozess bei nahezu konstanter Temperatur durchführen. Wenn die Umgebungstemperatur höher als der Phasenwechselpunkt ist, absorbieren sie Wärme und schmelzen. Wenn die Temperatur niedriger als der Phasenwechselpunkt ist, geben sie Wärme ab und erstarren.

Phasenwechselmaterialien (z