太空数据中心，如何散热？

最近这段时间，马斯克关于太空算力的言论引起了广泛关注。

按马斯克的说法，他打算 整合SpaceX、特斯拉和xAI公司， 部署百万颗卫星，构建“轨道数据中心系统”，为未来的人工智能提供算力支持。

马斯克的这个计划，从理论上来说确实有可行性。事实上，这并不是一个全新的构想。在美国、欧洲还有我们国内，都有提出过类似的太空算力项目，只不过没有这么庞大。

太空算力，也没有那么玄乎。无非是用火箭把大量搭载了算力芯片的卫星送上太空，然后组成一个庞大的算力集群。

太空数据中心 最大的优势，就是可以充分利用太阳能作为能源，大幅减少能源成本。但是，它也面临很多工程化和商业化的问题。

例如，火箭的发射能力和次数问题（需要砸不少钱）、卫星的寿命问题（一般是5年）、太空辐射问题（复杂的辐射会损伤芯片等硬件）、在轨维护问题（无人值守，坏了不好维修和替换）、通信带宽和时延问题（星间和星地激光通信技术还不是特别成熟），空间和频谱资源问题、商业模式问题，等等。

除了上述问题之外，还有一个关键的散热问题——如此庞大的智算数据中心，拥有海量的芯片，工作时会产生大量的热量。该如何散热，才能确保太空数据中心不会因为温度过高而烧毁？

很多人会问，太空应该温度很低啊 ，难道不是更容易散热吗？

其实不是的。太空的温度环境，并没有大家想象的那么简单。

散热，一般只有三种方式：气体对流、热传导（液体循环）以及热辐射。太空中虽然温度很低 （-270℃，接近绝对零度），但是 是真空环境，没有空气对流。所以，不能通过风冷这样的方法带走热量，只能借助热传导和热辐射。

这就 导致热量的传递路径更长、更复杂，需要考虑很多的内外部因素，也需要进行非常精密的系统性散热设计。

接下来，我们就详细了解一下太空数据中心究竟该如何散热（热控技术）。

热收集（芯片级）

一般来说，卫星和空间站等航天器上的散热，会采用“分级管理、主动被动结合、多环路备份”的 系统级热控架构。

芯片级，用微通道液冷。机柜级，用冷板与流体循环。舱段级，通过主回路连接至热辐射器。

首先， 先从最基础的芯片级散热开始，这是热量产生的源头。

芯片工作，会产生热量 （每平方厘米数百瓦） 。需要快速导出高密度热量，防止芯片烧毁。

这里采用的方法，是在芯片封装内部使用高性能导热界面材料（例如石墨烯、液态金属、碳纤维导热垫、氮化硼导热垫等）以及均热板（Vapor Chamber）， 填充电子器件与散热部件间的微小缝隙， 尽可能减少相互之间的热阻，像“导热胶”一样，把热量高效传递给后续系统。

这里，也可以采用嵌入式微通道液冷的技术，用流动的液体将热量带走。这个对冷却液的要求比较高。低温时，要防止冻结。而且，因为太空属于微重力环境，冷却液的流动也和地面不一样，需要特殊设计。

极端的温差，还要考虑材料的膨胀系数，避免出现爆裂损坏。

热传递（内部传输级）

热量收集之后，要逐级传递出去，送到最终的热辐射器。

一定距离的热传递，可以使用热管（heat pipe，特别是环路热管LHP），通过冷却 工质 （ 在制冷装置中实现循环制冷的工作介质， 如氨、丙烷或特种流体）的 相变（蒸发、冷凝），进行被动传热。

热管具有极高的传热效率、长距离传输能力和优异的等温性， 是航天器与空间计算平台最成熟的热控元件之一 。

业界还有一种 变导热管（variable conductance heat pipe， VCHP），在工质中引入不可凝气体，通过气体体积变化调节冷凝段有效面积，实现自适应控温。

热管、热界面材料等，都 属于被动热控技术。太空数据中心的热负载实在太大，仅靠被动热控肯定是不行的。所以，需要引入一些主动热控技术。

目前，业界采用的主流主动热控技术，是机械泵驱动流体循环回路（mechanical pump fluid loop，MPFL）。

顾名思义，MPFL是通过机械泵驱动冷却工质，流经安装在设备上的冷板，吸收热量，将热量从分散热源输送到热辐射器。

泵驱两相对流系统

MPFL技术比较成熟，可控性强，是业界大型太空算力中心的基准方案。我们的神舟飞船还有嫦娥三号，都用了这种方案。

这个技术目前还在快速迭代，增加响应速度和补偿精度，强化温控稳定性和安全性。

热辐射（外部辐射级）

最后，热量送到热辐射器，要排向宇宙深空。

热辐射器 这个玩意有点像太阳能板。只不过太阳能板是吸热太阳能，变成电能。而热辐射器，是将热量 以红外电磁波的形式辐射出去。

热辐射器

热辐射是太空中唯一最终的散热方式。它的效率直接取决于辐射器的面积、表面温度和涂层性能。

辐射器通常是卫星外部的翼板，拥有高发射率（＞0.8）、低吸热率的涂层（如特殊白漆、第二表面镜）。

一些新型材料，例如碳纳米管涂层、光子晶体薄膜，可在特定波段实现近乎理想的黑体辐射，同时反射太阳光，显著提升性能。

辐射器的面积越大，散热效率就越高。所以，一般都会采用可展开式辐射器（就像折叠的翅膀一样）。在卫星发射时，紧凑折叠。入轨后，再展开，获得巨大散热面积。

辐射器必须拥有足够的强度，但也不一定都是硬材质，也有一些柔性薄膜辐射器。

需要注意的是，在轨运行的航天器，需要面对极端且波动的外热流环境。意思就是说，在阳面时，需要面对太阳直射、地球反照（太阳光被地球反射）和地球红外辐射的加热，温度很高。在阴面时，会稍微好一点。

在阳面时，热辐射器可能发挥不了散热的作用，反而会变成“吸热器”。所以，需要精心设计辐射器的方位、采取隔热措施或使用可调散热技术，防止热逆转。

说到这里，还要提一句：其实，航天器上还会有加热器。就是在阴面（温度极低）的时候，进行加热，确保设备能够正常工作。

一些智能辐射器，采用百叶窗装置（类似于哈勃望远镜所用）或电致变色/热致变色材料，主动调节辐射器的有效发射率或对深空的视角系数，在“冷环境”中全力散热，在“热环境”中关闭保温。

新型空间散热技术

太空数据中心如果真的发展起来，规模会非常恐怖。

根据业界的预测，如果搭建太空数据中心， 每吨卫星可提供100千瓦（kW）算力，马斯克的百万颗卫星计划，会具有100吉瓦（GW）AI算力。

100吉瓦是个什么概念呢？假设一个灯泡功率为10瓦，100吉瓦可以同时点亮100亿盏这样的灯泡。三峡水电站的总装机容量约为22.5吉瓦，所以100吉瓦大约相当于4.5个三峡水电站的总装机容量。

一个吉瓦级的数据中心，需要数平方公里的散热面积。这在工程上，是一个巨大的挑战。

为了满足太空算力发展的需求，业界也提出了一些新的空间散热技术解决方案：

● 相变材料储热与缓冲

相变材料（Phase change materials，PCM）可以在接近恒定温度下完成吸放热过程，当环境温度高于相变点时，吸热熔化。低于相变点时，放热凝固。

在散热路径中集成相变材料（例如特定熔点的石蜡、盐类）。当辐射器面对太阳（散热效率低）时，吸收并储存过剩热量。当卫星进入阴面时，释放热量由辐射器排出。

这就有点像“蓄电池（蓄热池）”， 可以有效缓冲太空数据中心内部热源波动和空间环境周期性温差 。

● 辐射散热增强与波长选择性辐射

通过纳米结构设计，制造在特定中红外波段（大气窗口）具有极高发射率，而在太阳光主要波段（可见光与近红外）具有极高反射率的“光谱选择性辐射器”，理论上可将散热效率提升数倍。

● 蒸发式散热与物质排放

在极端情况下，可考虑携带易挥发的工质（如水），将其喷入真空，把热量带走。

这种方案消耗性大，在太空中不太合适，最多也是用于短期、高强度的紧急散热。在有冰资源的天体（如月球），倒是比较可行。可以建立可持续的“制冰-蒸发”循环，实现整个系统的散热。

● 系统AI智能调控

利用AI算法，预测热负荷，并动态调节泵速、阀门或百叶窗的角度，使整个散热系统能够自适应优化，在复杂多变的太空环境中保持最高效率。

结语

好了，以上就是关于太空数据中心热控方案的介绍。

概括来说， 太空数据中心面临真空无对流、微重力影响、极端温差等特殊环境，在散热方面需要面对很大的挑战。

现有的航空器热控技术，可以分为被动与主动两类。

被动技术包括热管、导热带、辐射板、相变模块、热控涂层及热界面材料等，适用于小功率、低热流密度场景。

主动技术包括单相对流系统、泵驱两相对流系统、加热器、热电制冷器及热开关等，适用于大功率、高热流密度、远距离多热源场景。

太空算力如果真的成为热门趋势，那么，太空数据中心热控技术肯定也会得到更多的重视，技术会加速创新和迭代。

这一领域，还是非常值得关注的。

参考文献：

1、《 聊聊太空部署算力中心散热问题的可行方案》；

2、《 太空数据中心热控技术研究现状与展望 》，制冷学报；

3、《 太空算力三重变现闭环，营收有望破千亿 》，银河证券；

4、维基百科、百度百科等。

本文来自微信公众号“鲜枣课堂”（ID：xzclasscom），作者：小枣君，36氪经授权发布。