序言：随着”太空数据中心”的讨论越来越多，很多人第一个问题就是：太空中没有空气，怎么散热？Guille 在这篇文章中做了一个漂亮的物理估算——答案出奇地简单：黑体辐射。只需要把太阳能电池板背面约 22% 的面积作为散热器，就足以将 GPU 的热量辐射出去。这个结果暗示，至少从散热角度，轨道数据中心是完全可行的。
原文：Cooling in space（作者：Guille，发表日期：2026-06-11）
关于太空数据中心的讨论很多，我记得我提的第一个问题是：”散热的物理限制难道不会从根本上决定我们到底能不能建轨道数据中心吗？”事实证明，至少这一部分是绝对可行的。
在此简短感谢 Saurav 最初说服我这一点，以及 Parth 的讨论和鼓励我写这篇文章。
我尽量讲得慢一些，因为我猜对这个话题感兴趣的读者可能需要多一点背景知识。如果你不需要，可以略过下一小节，直接跳过去。
为什么需要散热？
好吧，假设我们在太空中有一个数据中心，所有电能都来自直接朝向太阳的太阳能电池板。
在这个轨道数据中心里（在我脑中，它就是一个大盒子，外面伸出一些太阳能板，直对太阳），我们有一堆 GPU。可能还有一些通信设备（用于和卫星之间上下传输数据）和一些基础电力设备，但假设几乎所有的电力都供给了 GPU。
简而言之，GPU 是一台把电输入、输出热的机器（作为副作用，它也执行一些希望有用的计算）。事实上，输入的电能几乎全部转化为热量，如果不把热量排放出去，GPU 最终会熔化，变成一块贵重的铜硅镇纸。
换句话说，我们需要某种方法把热从 GPU 中导出来，最好导到一个”大的热库”里。
在地球上，消费级 GPU 很轻松就能把热排到”地球上的空气”里——让室温空气流过 GPU。这样就把 GPU 的热量转移到室温空气上（通过加热空气），产生的热空气被吹出 GPU，再重新用室温空气替代。只要吹得足够快，GPU 就保持相对凉爽——理想情况下不会比室温高太多，对大多数用途来说这足够了。对于数据中心使用的大型 GPU 或 GPU 集群，机制大致相同，只是我们用稍微更高级的冷却液更快地把热量从 GPU 上传导出去，并分散到更大的面积上（这会让更多室温空气接触到更大的面积，从而允许更多热量被散发出去）。
问题当然在于，太空里没有空气可以交换热量。事实上，由于太空基本上是真空，根本没有其他介质来交换热量！
那怎么办？
黑体辐射
从一些基础物理中我们知道，任何温度的物体都会以辐射形式耗散热能。例如，人类（和大多数恒温动物）都会强烈辐射红外光，这就是”热成像仪”能工作的原因——”热成像仪”不过是能看红外光而不是红绿蓝光的相机。
这就有一条很有名的定律，叫史蒂芬-玻尔兹曼定律，它将辐射的总功率与物体温度联系起来，对大多数物体来说是一个非常好的近似。定律说辐射功率 P_rad 满足：
P_rad = σ A T⁴
其中 T > 0 是物体的开尔文温度，σ 是某个比例常数（由实验得出，或从普朗克定律积分得出），A 是物体的有效面积。总共前面可能还有一个称为辐射率的因子 ε < 1，但我们会假设 ε ∼ 1 来做粗略估算，因为我们通常会有 ε > 0.9。
这给了我们一种在太空中”冷却”设备的方法，不需要空气或其他有效的冷却介质。为了做到这一点，我们首先把芯片（我们希望保持在某个温度 T，比如大约 T ∼ 330 开尔文或约 60 摄氏度）的热量传导到位于太阳能板下方的某个大面积区域 A 上，我们称之为散热器——因为它散热。
实际怎么做到？一个思路是用一些比热容相对较高的流体（液体或气体），将热量从芯片上带走。我们可以把流体泵过芯片顶部，流体从芯片上吸收热量而升温，流体的热量随后被导入散热器，散热器通过辐射冷却。
地球上的常用流体选择包括水或某种乙二醇水溶液，但水（和/或乙二醇）非常重，每多一磅都会显著增加我们将轨道数据中心发射到大气层中的成本。一些气体如 CO2 或氢气（尽管有可燃性）可以用更低的重量和效率执行类似的功能，不过在实际情况中，气体泄漏更难处理。
这就是空间中冷却芯片所需的完整循环。（我们稍后会加上一个小小的复杂性来提高效率，但目前这就够了。）
面积计算
现在，有效地，我们必须把太阳能电池板提供的所有输入功率 P_sol 通过黑体辐射排放到太空中，即 P_rad。注意在稳态下，必须有 P_sol = P_rad。
回想一下，一个太阳能电池（假设始终朝向太阳）产生的功率 P_sol 与其面积 A_sol 成正比。同样，从上面我们知道辐射功率 P_rad 与散热器面积成正比。两者按面积同比例缩放，所以我们可以问：太阳能电池板背面需要多大比例作为散热器？
粗略地，取一些来自在线的太空级太阳能电池板数据，每平方米在直接面对太阳时产生约 κ = 150 瓦功率。我们知道辐射功率方程的 σ 值（σ ∼ 5.7·10⁻⁸），于是：
κ A_sol = P_sol = P_rad = σ A_rad T⁴
也就是说，散热器面积与太阳能板面积之比必须为：
A_rad / A_sol = κ / (σ T⁴)
由于芯片可以在 T ∼ 330 开尔文（略低于 60 摄氏度）下运行，我们得出散热器应该占太阳能电池板背面约 22% 的面积。
这已经相当可行了！构建仅占太阳能板总面积一小部分的散热器是相对容易的，而冷却你想要建的任何规模的数据中心，在数量级上看起来都是完全合理的。
如果你偏好 T ∼ 300 开尔文（约 30 摄氏度），那么面积增加到约 32%，同样合理。（或者至少，不算离谱。）
更精细的考虑
有一个合理的反驳是：”数据中心非常庞大，太阳能板本身也很巨大，所以我们想进一步减少面积，因为 22% 的一大坨还是很大一坨！”
完全合理。而且确实，到我们已经 (a) 做好了把一个东西送上计划，(b) 造出了一个能上太空的东西，并且 (c) 真的把东西送上了太空的时候，我们当然可以试着再压榨散热器的性能。
确实，我们可以。
由于散热器发射的功率按温度的四次方缩放，一个合理的做法是使用热泵。热泵可以让 CPU 在 300K 下运行，同时让散热器在更高温度下运行，从而利用面积比随温度四次方倒数缩放这一事实，来减少散热器的尺寸。当然，这么做是有代价的：需要从太阳能电池板中额外分配一些能量给热泵，而这些能量本来可以用于更多 GPU。这也需要更多工程努力，但这里我们假设工程是（几乎）免费的。
另一个需要注意的重要点是，散热器可能不会完美地面对外层空间，而可能至少部分面向地球。由于地球本身是一个约 300K 的黑体（近似），散热器朝向地球的任何立体角（即散热器任何能”看到”地球的部分）本质上与地球处于辐射平衡——如果 GPU 保持在 300K 的话，这提供不了任何冷却。这个问题有多种方法可以解决，并会带来一些权衡，但为了我们的粗略估算，这里暂不考虑。
还可以补充的因素包括：太阳能电池板本身在太阳照射下会升温，从而使散热器效率降低（尽管一些隔热措施可以解决这个问题，这主要是工程问题），以及其他类似的东西。但核心结论大致不变，平衡朝两个方向都有。
结论
当然，还有很多其他事情需要搞定才能让这一切真正运作。比如，制造一个轻量、可折叠、防太空环境的散热器并不简单，但我相信你随口就能想出至少几种设计。使用气体的冷却循环同样不那么显而易见，但我们过去解决过更困难的问题。
还有其他问题如芯片的抗辐射加固等等，但这些都不是悬而未决的研究级难题。事实上，我会把它们归为（很难但仍是）工程层面！
