太空数据中心的散热难题与解决方案
近期，马斯克关于太空算力的相关言论引发了广泛关注。
按照马斯克的表述，他计划整合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撑。
马斯克的这一计划，从理论层面来看具备一定可行性。实际上，这并非全新构想，美国、欧洲及国内都曾提出过类似的太空算力项目，只是规模不及此。
太空算力也并非那么高深莫测，简单来说就是用火箭将大量搭载算力芯片的卫星送入太空，组成庞大的算力集群。
太空数据中心最大的优势在于能充分利用太阳能作为能源，大幅降低能源成本，但同时也面临诸多工程化和商业化问题。
比如火箭的发射能力与次数问题（需要大量资金投入）、卫星的寿命问题（通常为5年）、太空辐射问题（复杂辐射会损伤芯片等硬件）、在轨维护问题（无人值守，损坏后维修替换难度大）、通信带宽与时延问题（星间和星地激光通信技术尚未完全成熟）、空间和频谱资源问题以及商业模式问题等。
除上述问题外，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芯片，工作时会产生大量热量，如何散热才能避免因温度过高而烧毁？
很多人会疑惑，太空温度很低，难道不是更容易散热吗？
事实并非如此。太空的温度环境没有大家想象的那么简单。
散热一般有三种方式：气体对流、热传导（液体循环）以及热辐射。太空中虽温度极低（-270℃，接近绝对零度），但属于真空环境，没有空气对流，因此无法通过风冷等方式带走热量，只能依靠热传导和热辐射。
这导致热量传递路径更长、更复杂，需要考虑众多内外部因素，也需要进行非常精密的系统性散热设计。
接下来，我们详细了解太空数据中心究竟如何散热（热控技术）。
热收集（芯片级）
通常，卫星和空间站等航天器的散热会采用“分级管理、主动被动结合、多环路备份”的系统级热控架构。
芯片级采用微通道液冷，机柜级使用冷板与流体循环，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。
芯片工作时会产生热量（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（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”一样将热量高效传递给后续系统。
也可采用嵌入式微通道液冷技术，用流动的液体带走热量。这对冷却液要求较高，低温时要防止冻结，且因太空是微重力环境，冷却液流动与地面不同，需要特殊设计。
极端温差下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。太空数据中心热负载过大，仅靠被动热控远远不够，因此需要引入主动热控技术。
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技术成熟，可控性强，是业界大型太空算力中心的基准方案，我国的神舟飞船和嫦娥三号都采用了这种方案。
该技术目前还在快速迭代，以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。
热辐射器有点像太阳能板，只不过太阳能板是吸收太阳能转化为电能，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。其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，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。
辐射器面积越大，散热效率越高，因此一般采用可展开式辐射器（像折叠的翅膀），卫星发射时紧凑折叠，入轨后展开以获得巨大散热面积。
辐射器需有足够强度，但不一定都是硬材质，也有柔性薄膜辐射器。
需要注意的是，在轨运行的航天器会面临极端且波动的外热流环境，即在阳面时会受到太阳直射、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；在阴面时情况会稍好。
在阳面时，热辐射器可能无法发挥散热作用，反而变成“吸热器”，因此需要精心设计辐射器方位、采取隔热措施或使用可调散热技术，防止热逆转。
此外，航天器上还会配备加热器，在阴面（温度极低）时进行加热，确保设备正常工作。
一些智能辐射器采用百叶窗装置（类似哈勃望远镜所用）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
太空数据中心若真能发展起来，规模将十分庞大。
根据业界预测，搭建太空数据中心时，每吨卫星可提供100千瓦（kW）算力，马斯克的百万颗卫星计划将具备100吉瓦（GW）AI算力。
100吉瓦是什么概念呢？假设一个灯泡功率为10瓦，100吉瓦可同时点亮100亿盏这样的灯泡；三峡水电站总装机容量约为22.5吉瓦，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，这在工程上是巨大挑战。
为满足太空算力发展需求，业界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）可在接近恒定温度下完成吸放热过程，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（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。
这就像“蓄电池（蓄热池）”，能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
极端情况下，可考虑携带易挥发工质（如水），将其喷入真空带走热量。
这种方案消耗性大，在太空中不太适用，最多用于短期、高强度的紧急散热；在有冰资源的天体（如月球）则较为可行，可建立可持续的“制冰-蒸发”循环实现系统散热。
● 系统AI智能调控
利用AI算法预测热负荷，动态调节泵速、阀门或百叶窗角度，使整个散热系统自适应优化，在复杂多变的太空环境中保持最高效率。
结语
以上就是关于太空数据中心热控方案的介绍。
概括而言，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，在散热方面面临巨大挑战。
现有的航空器热控技术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。
若太空算力成为热门趋势，太空数据中心热控技术必将得到更多重视，技术创新和迭代也会加速，这一领域非常值得关注。
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。
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