Mission brief · 太空資料中心的熱管理

在真空中,
熱要怎麼離開?

一位太空科學家用這座 3D 模型,說明為什麼這個方法在物理上行得通;接著由一位經濟學家,檢視這門生意的 top line 與 bottom line。

自己操作模型

建議開啟聲音;所有旁白都有字幕。簡報會自動移動視角、調整參數,可隨時暫停或跳段。

Live simT+00:00:00
SUN太陽光 1,361 W/m²
SOLAR ARRAY太陽能板
COMPUTE運算艙
FLUID LOOP冷卻迴路
RADIATOR散熱板
EARTH IR地球紅外線
顏色代表什麼
太陽光 電力 熱流(送出) 冷流(回流) 紅外線輻射 地球紅外線
散熱板溫度(熱像偽色)
0°C50100150200°C
正在載入 3D 模型需要網路連線載入 Three.js;下方遙測與右側計算可先使用。
產熱 In150.0kW晶片用電全數變熱
淨排熱 Out150.0kW散熱板向太空輻射
淨累積0.0kW● 平衡
散熱板溫度66.8°C平衡 66.8・上限 70°C
溫度紀錄(近 40 秒)
01
Physics

熱只有一條路離開:輻射

地面資料中心靠空氣與水對流散熱;軌道上沒有可以帶走熱的介質。艙內仍可以靠固體傳導與流體迴路搬運熱,但熱最後一定要由散熱板以紅外線射向太空。

01 · Sunlight

太陽光

地球附近約 1,361 W/m²。太陽能板只吸收其中一部分轉成電,其餘的熱由太陽能板自己向太空輻射掉。

02 · Power

發電

本模型採陣列淨輸出 250 W/m²,與 SpaceX 公開的 AI1 假設相同。600 m² 對應 150 kW。

03 · Compute

晶片產熱

能量守恆:晶片用掉的電,幾乎全部變成熱。150 kW 的電,就有 150 kW 的熱要送走。

04 · Fluid loop

冷卻迴路

冷板貼著晶片,泵浦推動冷卻液把熱送到散熱板,降溫後的液體再流回來。

05 · Radiator

散熱板輻射

散熱板以紅外線向深空放熱,能力隨絕對溫度的四次方增加。散熱板側對太陽,避免吸收陽光。

為什麼溫度是最重要的旋鈕

輻射散熱與絕對溫度的四次方成正比。散熱板從 20°C 提高到 80°C,絕對溫度只增加約兩成,每 m² 的散熱能力卻變成約 2.1 倍。所以散熱板能承受的溫度越高,需要的面積越小;反過來,要把晶片維持得越涼,散熱板就得越大。

這也解釋了為什麼散熱板可以比太陽能板小:太陽能板每 m² 只供應 250 W 的電,而 70°C 左右的雙面散熱板,每 m² 可以排出約 1,400 W 的熱。兩者相除,散熱板約只需太陽能板面積的兩成。

熱平衡:溫度會自己找到答案

如果排出去的熱比進來的少,多出來的熱就留在系統裡,溫度上升;溫度一升高,輻射就變強,直到進出相等為止。散熱板太小,系統不會「當機」,而是穩定在一個更高的溫度。問題在於那個溫度晶片撐不撐得住。

C·dT/dt = P晶片 + A·q地球 − n·ε·σ·A·(T⁴ − T太空⁴)
平衡時 dT/dt = 0,T = [ (P/A + q地球) ÷ (n·ε·σ) + T太空⁴ ]1/4
P晶片產熱(W),等於太陽能板發電量
A散熱板單面幾何面積(m²)
n有效輻射面數(1 或 2)
ε紅外線發射率
σ5.670374419 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴
T散熱板絕對溫度(K);T太空 = 2.725 K
q地球每 m² 吸收的地球紅外線:ε × 視角因子 × 238 W/m²
C熱容量,決定升溫快慢(動畫已加速)

模型假設與限制

軌道高度取 600 km:一面朝地球的視角因子約 0.835,側對地球每面約 0.249。地球外逸長波輻射取年均 238 W/m²。

未計入:日照段的地球反照光(反照率約 0.3)、散熱板邊緣與結構的寄生熱流、泵浦耗電、塗層老化、散熱板本身的溫度梯度。散熱板溫度以單一平均值計,畫面上的漸層只是示意。結果適合用來理解原理與估算量級,不能直接當作工程設計值。

02
Economics

損益試算:top line 與 bottom line

以「每 1 kW 的 IT 算力、每一年」為單位,比較地面機房與太空機房。Top line 是算力租金;bottom line 是扣掉晶片折舊與基礎設施成本後的損益(未計人事、網路頻寬、稅負與資金成本)。標示「有出處」的預設值來自查證紀錄,標示「假設」的是討論用數字,請依你的情境調整。

假設情境

營收(兩邊共用)

US$3.00/時
B200 等級 2026 年行情約每顆每小時 2–6 美元
70%
US$45,000
B200 單顆約 3–5 萬美元;每顆 GPU 連主機以 1.8 kW 計,5 年折舊

地面機房

US$0.080/度
1.30
US$11,300
JLL 預估 2026 年全球平均每 MW 約 1,130 萬美元;以 15 年攤提

太空機房

US$3,250/kg
Falcon 9 牌價 7,400 萬美元 ÷ 最大運力 22.8 公噸 ≈ 3,246;共乘約 7,000;Google 門檻 <200
100 W/kg
SpaceX 申請文件目標:每公噸 100 kW
US$5,000
太陽能板、散熱板、結構與通訊;公開資料有限
5 年
97%

每 kW・每年(US$)
地面
太空
Top line:算力租金
− 晶片與主機折舊
− 電費 / 發射攤提
− 機房攤提 / 衛星平台攤提
Bottom line
地面機房
太空機房
晶片折舊電費/發射機房/衛星平台Bottom line(獲利)虧損白線=Top line
發射成本 vs. 太空機房的 bottom line

橫軸為對數刻度。藍線是太空機房的 bottom line 隨發射成本變化;橘色虛線是地面機房的 bottom line。兩線交點就是「太空追平地面」的發射價格。

03
Fact check · 查證日期 2026-11-04

查證紀錄

逐項核對原始頁面的數據、公式與參考連結,並標出這一版修正或新增的地方。

項目頁面採用查證結果出處
史蒂芬-波茲曼常數5.670374419 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴✓ 正確
2019 年 SI 改制後為精確值。
NIST CODATA
深空背景溫度2.725 K✓ 正確
COBE/FIRAS 定案值 2.725 ± 0.002 K。對 60°C 散熱板的影響小到可以忽略。
NASA LAMBDA・COBE FIRAS
太陽常數1,361 W/m²✓ 正確
TSIS-1 於 2019 年太陽極小期量得 1,361.6 ± 0.3 W/m²。
NASA GSFC
太陽能陣列淨輸出250 W/m²✓ 合理
與 SpaceX 公開的 AI1 假設相同。太空多接面電池片效率約 30%(電池片層級約 400 W/m²),陣列層級因封裝、溫度、指向與老化而較低。
DCD(AI1)・NASA SST 第 3 章
紅外線發射率0.90(原頁 0.93)⚠ 調整
常用白色散熱塗層 AZ-93 為 0.91 ± 0.02。0.93 偏樂觀;且低軌的原子氧與紫外線會讓塗層老化,壽命末期要保守估。
NASA SST 第 7 章・AZ-93 材料說明
每 m² 雙面散熱原頁 1,299 W(60°C、ε 0.93)✓ 計算正確
本版預設 AI1 條件:110 m² 散熱板排 150 kW,需每 m² 約 1,364 W,對應約 67°C。SpaceX 自己的假設是每 m² 約 1,400 W、雙面散熱、刀鋒側對太陽。
DCD(AI1)
地球紅外線原頁忽略⚠ 補上
地球年均外逸長波約 238 W/m²。低軌時散熱板若一面朝地球,每 m² 會多吸收約 180 W,溫度約高 10°C。新增「軌道環境」選項。NASA 的熱平衡式本來就包含行星紅外線與反照光。
Dewitte & Clerbaux 2017・NASA SST 第 7 章
地球反照光未計入◐ 仍為簡化
日照段的反照光會再增加負荷;ESA 估地球紅外線加反照約 300 W/m²。低太陽吸收率塗層可減輕。
ESA Bulletin 107
升溫過程原頁只有穩態⚠ 新增
依 NASA 熱平衡式加入熱容量項,畫面會顯示溫度如何收斂到平衡點(時間已加速)。
NASA SST 式 (1)
ESA 參考連結原標「ESA|Radiator Equation」⚠ 更正標題
該 PDF 是 ESA Bulletin 107(2001)〈Cryogenics in Space〉,文中含散熱板方程式 Q = σSFε(T⁴ − T₀⁴)。連結有效。
ESA PDF
NASA、ESA 熱控制頁原頁參考連結✓ 有效
NASA 頁面於 2026 年 5 月更新為新版。
NASA・ESA
真實尺度參照新增◐ 參照
國際太空站外部主動熱控系統以 6 組散熱板陣列排除約 70 kW,並以旋轉關節調整散熱板方向。
SAE 951651
04
Status · 截至 2026-11-04

現在走到哪裡了

軌道資料中心已經從概念走到原型與申請文件階段,但還沒有任何一座以商業規模運轉。

Starcloud-1 升空

約 60 公斤的衛星載著一顆 NVIDIA H100 進入軌道,是第一顆資料中心等級的 GPU 上太空。

Data Center Frontier

Google 公布 Project Suncatcher

規劃在晨昏太陽同步軌道部署搭載 TPU 的衛星群;與 Planet 合作,預計 2027 年初發射兩顆原型。研究團隊估計發射價格若在 2030 年代中期降到每公斤 200 美元以下,成本可與地面機房的電費相當。

Google Research

SpaceX 向 FCC 申請軌道資料中心星系

申請最多一百萬顆衛星;文件目標為每公噸衛星 100 kW 算力。

Introl 整理

SpaceX 公開 AI1 衛星規格

峰值 150 kW、平均 120 kW 算力;110 m² 可展開液體散熱板;假設太陽能陣列每 m² 250 W、散熱板每 m² 約 1,400 W,雙面散熱、側對太陽。

DCD

Wood Mackenzie:成本是地面三倍以上

估算一座 1 GW 太空資料中心約 1,700 億美元,發射與衛星占約六成;要追平地面需要成本再降約七成。

Wood Mackenzie

Starcloud-2 延到 2027 年

改為 2027 年以共乘發射兩顆 8 kW 的運算衛星。

TechCrunch

SpaceX 財務長:首批衛星目標 2027 年

在投資人會議上說明軌道資料中心的時程。

BGR