Защо охлаждането е едно от най-големите предизвикателства за космическите центрове за данни

Тъй като изкуственият интелект продължава да увеличава търсенето на компютри, интересът към космически{0}}центрове за данни нараства бързо. Няколко аерокосмически компании и технологични организации вече проучват орбитални изчислителни платформи, които могат да обработват данни директно в космоса, вместо да разчитат изцяло на-базирана на Земята инфраструктура.

Едно от най-големите предимства на космическите центрове за данни е наличието на енергия. В орбита сателитите могат непрекъснато да събират слънчева енергия, без да зависят от традиционните електрически мрежи. Това може значително да намали дългосрочните-разходи за енергия на широкомащабни-изчислителни системи.

Изграждането на космически център за данни обаче е много по-сложно от простото изстрелване на сървъри в орбита.

Високите разходи за изстрелване, ограниченият живот на сателита, трудната поддръжка, излагането на радиация и управлението на топлината са основни инженерни предизвикателства.

Сред тях охлаждането може да се превърне в едно от най-критичните ограничения за бъдещите орбитални изчислителни системи.

Космосът е студен -, но охлаждането в космоса е изключително трудно

Много хора приемат, че охлаждането на оборудването в космоса трябва да е лесно, тъй като самото космическо пространство е изключително студено.

В действителност разсейването на топлината в космоса е много по-трудно, отколкото на Земята.

Традиционните центрове за данни разчитат главно на въздушна конвекция и системи за принудително{0}}въздушно охлаждане. Вентилаторите движат въздух през процесорите, графичните процесори и AI ускорителите, за да отстранят топлината, генерирана по време на работа.

Но в космоса няма атмосфера и движение на въздуха.

Без въздух конвекционното охлаждане става невъзможно.

Това означава:

* Традиционното охлаждане с вентилатор не може да работи

* Въздушно{0}}охлаждащите радиатори стават неефективни

* Топлината не може да се разсее естествено в околната среда

Тъй като AI чиповете продължават да увеличават плътността на мощността, топлинното управление се превръща в едно от най-големите инженерни предизвикателства в орбиталните изчислителни системи.

Без ефективно охлаждане процесорите с висока-производителност биха могли бързо да прегреят, намалявайки надеждността или дори причинявайки трайна повреда.

Как космическите центрове за данни управляват топлината

Тъй като конвекционното охлаждане не може да функционира във вакуумна среда, системите за термично управление на пространството разчитат главно на три етапа:

* Събиране на топлина на ниво чип

* Вътрешен топлообмен чрез системи за термоконтрол

* Окончателно отхвърляне на топлина чрез излъчване в дълбокия космос

Този тип -многостепенна топлинна архитектура вече се използва широко в сателити, космически кораби и космически станции.

Колекция-Chip Level Thermal Collection

Първата стъпка е премахване на топлината директно от самия чип.

Съвременните AI процесори и високо{0}}производителните изчислителни чипове могат да генерират изключително висок топлинен поток, понякога достигащ стотици ватове на квадратен сантиметър.

Ако тази топлина не се отведе бързо, температурата на чипа може да се повиши бързо и да повреди чувствителните електронни компоненти.

За да намалят термичното съпротивление между чипа и охлаждащата структура, аерокосмическите термични системи често използват високо{0}}производителни термоинтерфейсни материали (TIM), включително:

- материали-базирани на графит

- течни метални съединения

- термоподложки от борен нитрид

- топлинни материали от въглеродни влакна

Тези материали спомагат за запълването на микроскопични празнини между електронните компоненти и охлаждащите модули, подобрявайки топлопроводимостта.

В много космически приложения парните камери също се използват за бързо разпространение на топлина от локализирани горещи точки.

Aпарна камераработи чрез фазов{0}}променлив пренос на топлина, което позволява на топлината да се разпространява много по-бързо от традиционната проводимост от твърд метал.

За приложения с изключително висока топлинна плътност, вграден микроканалтечно охлажданесъщо може да се използва. При този дизайн охлаждащата течност протича през миниатюрни вътрешни канали за директно отстраняване на топлината от източника на топлина.

обачетечно охлажданев космоса въвежда допълнителни инженерни предизвикателства:

* замръзване на охлаждащата течност при ниски температури

* поведение на течността при условия на микрогравитация

* надеждност на уплътнението

* разширяване на материала, причинено от екстремни температурни разлики

Тези фактори изискват много по-строг топлинен и структурен дизайн в сравнение с наземните охладителни системи.

Вътрешни системи за пренос на топлина

След като топлината бъде събрана от електронните компоненти, тя трябва да бъде транспортирана ефективно до външни радиатори.

За пренос на топлина на средни и дълги-разстояния вътре в космическите кораби топлинните тръби и топлинните тръби с контур (LHP) са сред най-широко използваните технологии.

Топлинни тръбиизползвайте фазовата промяна на работния флуид - изпарение и кондензация - за пренос на топлина с изключително висока ефективност.

В сравнение с конвенционалната твърда метална проводимост, топлинните тръби осигуряват:

* отлична способност за термичен трансфер

* пренасяне на топлина на дълги{0}}разстояния

* добра равномерност на температурата

* пасивна работа без допълнителна консумация на енергия

Топлинните тръби с контур са особено важни в аерокосмическите приложения, тъй като могат да пренасят големи топлинни товари на дълги разстояния, като същевременно остават много надеждни.

Друга усъвършенствана технология е топлинната тръба с променлива проводимост (VCHP), която въвежда не-кондензиращ газ в системата за автоматично регулиране на топлинната ефективност при променящи се топлинни условия.

Само пасивното термично управление обаче обикновено е недостатъчно за-компютърни системи с голям мащаб.

Тъй като термичните натоварвания продължават да се увеличават, стават необходими технологии за активно охлаждане.

Едно от най-зрелите решения за активно термично управление е веригата на флуида с механична помпа (MPFL).

В система MPFL механичните помпи циркулират охлаждащата течност през студени плочи, прикрепени към електронно оборудване. Охлаждащата течност абсорбира топлина от разпределени източници на топлина и я транспортира към външни радиаторни системи.

Тази технология вече е използвана в множество аерокосмически програми поради силната си управляемост и стабилни топлинни характеристики.

Радиационно охлаждане: Последната стъпка

В космоса последният етап на разсейване на топлината зависи изцяло от топлинното излъчване.

За разлика от-базираните на Земята охладителни системи, космическите кораби не могат да отделят топлина в околния въздух. Вместо това топлината трябва да се излъчва в дълбокия космос под формата на инфрачервено лъчение.

Ето защо радиаторните панели са критични компоненти в системите за термичен контрол на космическите кораби.

Космическият радиатор функционира донякъде подобно на слънчевия панел на външен вид, но вместо да събира слънчева енергия, той освобождава топлинна енергия.

Ефективността на охлаждане на радиатора зависи главно от:

* площ на радиатора

* повърхностна температура

* излъчване на покритието

* характеристики на слънчева абсорбция

За да подобрят ефективността на топлинното излъчване, космическите радиатори често използват покрития с висока-емисия и материали с ниска слънчева абсорбция.

Някои напреднали материали, които се изучават в момента, включват:

* покрития от въглеродни нанотръби

* филми от фотонни кристали

* огледални материали за втора-повърхност

Тези технологии помагат на радиаторите ефективно да отделят топлина, като същевременно намаляват нежеланото слънчево нагряване.

Тъй като по-големите радиаторни повърхности осигуряват по-висок капацитет на охлаждане, често се използват разгъваеми радиаторни структури. По време на стартиране радиаторът остава сгънат, за да спести място. Веднъж в орбита, той се разширява, за да увеличи площта за отхвърляне на топлина.

Въпреки това, термичният контрол в космоса не винаги е лесен.

Когато космическият кораб е изправен пред пряка слънчева светлина, радиаторните панели могат да абсорбират топлината, вместо да я отхвърлят. В сенчестите райони температурите могат драстично да паднат.

В резултат на това космическите топлинни системи трябва внимателно да контролират ориентацията на радиатора, дизайна на изолацията и стратегиите за термично регулиране, за да поддържат стабилни работни температури.

Някои усъвършенствани космически кораби дори използват адаптивни радиаторни системи с подвижни жалузи или интелигентни материали, които автоматично регулират топлинното излъчване при променящи се условия на околната среда.

Аерокосмическият термичен дизайн изисква прецизно производство

В AWIND също участвахме в проекти за-свързани с космическото управление на топлината, включващи алуминиеви охлаждащи конструкции, комбинирани стехнология на парна камера.

В райони с висок топлинен поток,парни камериса разположени директно близо до източника на топлина, за да абсорбират бързо и разпространяват топлината в структурата.

Вместо да разчитате на единиченпарна камера, множество парни камери могат да бъдат интегрирани в термичната структура, позволявайки няколко източника на топлина да бъдат охлаждани едновременно.

Алуминиевата основна структура е произведена чрез прецизна CNC обработка и вторична обработка, за да се осигури плоскост, структурна стабилност и качество на термичния контакт.

За аерокосмическите приложения точността на размерите е изключително важна, защото дори малки отклонения могат да повлияят на термичната устойчивост и-дългосрочната надеждност.

За да се поддържа прецизността на производството, критичните размери се проверяват с помощта на оборудване за инспекция на CMM по време на производствения процес.

Тъй като изчислителната плътност продължава да се увеличава както в наземните, така и в орбиталните системи, усъвършенстваните технологии за управление на топлината като парни камери, студени плочи, топлинни тръби и системи за течно охлаждане ще стават все по-важни в бъдещата космическа инфраструктура.

Заключение

Космическите центрове за данни могат в крайна сметка да станат част от бъдещата компютърна индустрия с ИИ, особено след като глобалното търсене на изчислителна мощност продължава да расте.

Докато слънчевата енергия предоставя потенциално решение за генериране на електроенергия в орбита, топлинното управление остава една от най-големите инженерни бариери.

Тъй като конвекционното охлаждане е невъзможно във вакуумни среди, бъдещите космически изчислителни системи ще разчитат в голяма степен на усъвършенствана топлопроводимост, течно охлаждане, технология на топлинни тръби и системи за радиационен топлинен контрол.

Тъй като космическата електроника продължава да се развива към по-висока плътност на мощността и по-малки форм-фактори, топлинното инженерство ще играе все по-важна роля за осигуряване на надеждност, стабилност и дългосрочна-производителност в космическа среда.