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将电脑拿到太空中会发生什么?太空中如何保证电子设备正常工作?

wolf uefiblog UEFI社区 2023-12-29
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几年前,在得知我参与制作的主板将会被带入国际空间站,心中着实激动了一把。在兴奋之余,又陷入了担忧,我的主板在太空那种高辐射、低温和真空的环境中能运行吗?在脑补了“哥伦比亚”号坠毁的画面后,急忙去查找资料。虽然最后得知,主板不是暴露在空间站外部,而是被用在居住区,使用环境没有那么恶劣,但是也需要做一定的防护。以此为引子,今天我们就来讨论下电脑主板要被放入太空中会发生什么?

太空中有多冷?

与很多人想象中太空的极度冰冷不同,根据NASA的数据,国际空间站(ISS)外设备的表面温度并不是绝对0度(零下273.15度),因为有太阳的辐射加热,向阳面和背阴面温差比较大,但都比绝对0度高上不少:

如果ISS处在向阳面,太阳会把它加热到121摄氏度,别被烤熟了!而在阴面,也只有零下157度。因为处在330多公里的轨道上,ISS一天会有16次这种近300度的温度变化!

零下157度虽然比绝对0度高上不少,但远远低于很多电子设备的工作温度,121度的高温,也会引发不少问题。那么一般电子器件的工作温度的范围是多大呢?

电子设备工作温度

电子设备的工作的极限温度(Extreme-Temperature Electronics,ETE)是个很有趣的话题。有些特殊设计的器件,可以在比0K(−270°C)仅仅高几度的温度下运行,而有些则可以在700°C的高温下正常工作,还有些器件能在−270°C到350°C,范围达600多度的范围内工作。看来我们不能小觑电子设备的灵活性。有兴趣的同学可以阅读参考资料1和2。这里我们不考虑这些为极端情况专门设计的个别器件。我们来看看我们日常能接触到的电脑它的工作温度有多大。

CPU可以工作的温度在-50°C到110°C之间。在-50°C以下,CPU将不能稳定工作。在110°C以上,CPU有烧毁的风险。这个范围之外,因为CPU内部器件比热容不同,膨胀系数不同,会导致CPU内部器件产生裂缝和虚焊等等风险。实际上CPU内部的传感器会不停的向CPU内部的管理器报告温度状况,这些传感器不但有最高值,也有最低值。他们的差不变,但中位线可以调整。就像一个滑动窗口,随时监控CPU各种温度异常,超过范围就会强制关闭CPU。这个窗口大致会在-35°C到110°C之间。关于CPU温度控制,我的这篇文章有部分介绍高温情况:CPU风扇停转后会发生什么?CPU凭什么烧不坏

电路板的温度不能低于-50°C,否则会发生裂口,电路板上的器件比热容不同,膨胀系数不同,太低的温度会导致器件脱落等等问题。温度太高业不行。

锂电池的工作温度要求较高,往往要求高于0°C,否则会切断输出,保护电池,详见

低温对于锂电池有什么影响?兼谈锂电池的日常养护

为了简化起见,我们假设不需要电池供电。

综上所述,一般的电脑必须将它的工作温度至于-35°C到110°C之间,与ISS-157°C到121°C的外部温差很大。这就需要在低温的时候加热,在高温的时候散热。这在真空中是如何做到的呢?

加热

ISS上所有舱外的电子设备都有加热器(heater),包括机械臂等控制部件。没有加热器的设备都会被认为不可用。因为下面要说的散热问题,加热设备实际上并不需要功率很大。

散热

如何散热是个很大的问题。太空中没有空气,没有热传递,传统的风扇和散热片将毫无作用。甚至在舱内,因为没有重力,热空气不会上升,冷空气不会下降,空气的不良热导体的特性就体现了出来,会形成热岛。不加处理的话,散热就只能靠热辐射了。可以通过黑体辐射散热的算式计算出来:

净放射功率是吸收功率和放出功率的差值:

代入黑体辐射的斯特藩-玻尔兹曼定律:

因为电脑表面积很小,散热十分缓慢。那怎么办呢?

ISS中大量使用热管来进行散热。热管在我们日常笔记本和某些散热片中经常见到:

热管这项技术早在1963年就在位于美国的LosAlamos国家实验室中诞生了。对于热管的工作原理,其实很简单,当受热端开始受热的时候,管壁周围的液体就会瞬间汽化,产生蒸气,此时这部分的压力就会变大,蒸气流在压力的牵引下向冷凝端流动。蒸气流到达冷凝端后冷凝成液体, 同时也放出大量的热量,最后借助毛细力回到蒸发受热端完成一次循环。

这里的heat source就是我们的电脑热源部分,包括CPU,芯片组等等。热管将热量带到散热部分,而这个散热部分是一个可以展开的巨大辐射散热片:

借助黑体散热,将热量辐射出去。叶片可以调整角度,打开和收起。整个系统构成了温度控制系统(TCS)。热管导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。它工作的如此之好,以至于它被广泛应用在宇航、军工等行业(参考资料4)。

其他

除了温度,太空中还有别的风险。真空并不会影响一般器件,但对机械硬盘来说却是不可接受的,以为没有空气为悬臂提供升力:

机械硬盘里面是真空吗?

固态硬盘和充气硬盘是个好主意。

无所不在的宇宙射线对电子设备危害较大。在地面,大气层为我们提供了庇护。而在ISS外部,宇宙射线会让设备工作不正常甚至损坏硬件。ISS为空间站外部包裹了厚厚的数层防护材料(Multi-Layer Insulation ,MLI)

它既能防止宇宙射线的伤害,又可以起到保温的作用。可谓一举多得。

后记

乱入个人体进入太空会怎样的问题。妇联3,颜值颇高的乌木喉被吸出舱外,几秒钟就香消玉殒,变成了冰块,

抱歉,没有被冻结的图片,谁有发我一个

这也是电影中的老套路了。某人被放到减压舱里面,拼命呼叫。按钮按下,该人要不立刻爆炸,变成血块,要不被吸入真空中,瞬间变成冰块。真实的情况是这样吗?

其实并不是,真实的表现是:我们的身体已经适应有一定气压,所以突然暴露于真空环境下,将会导致眼睛和舌头上的液体迅速“蒸发”。Jim LeBlanc曾在1965在近似真空中失压过,他报告了那种酸爽的舌头感觉(参考资料3)。我们并不会爆炸,尽管我们皮下的水分因为失去压力会沸腾(想象一下高原压力小,所以沸点低)会肿胀到平时的两倍大,但你并不会因此爆炸,人体皮肤是最好的自然增压服。血液也不会沸腾,因为血管的弹性会确保血液获得足够压力,管人体表面的一些毛细血管会破裂,双眼也会充满血丝。肺部的空气是个麻烦,你可能会被迫呼出你的保命空气。真正杀死我们的是缺氧,而缺氧将会使人体在10秒钟内失去意识,并在一到两分钟后死亡。

现在我们回到冻死的问题上来,与一般人理解的相反,我们并不会被冻死,到有可能被晒死。现在我们假设乌木喉被暴露到近地轨道上,而他因为有法力,并不需要呼吸(电影就别较真了),那会发生什么呢?

因为有宇宙背景辐射,宇宙空间并不是绝对0度(零下273.15度)。而我们因为太阳的辐射,温度会更高,根据NASA的数据:

如果乌木喉处在向阳面,太阳会把他加热到121摄氏度,别被烤熟了!而在阴面,也只有零下157度。有同学说,零下157度也很低啊,零下40度,尿尿都会冻住!好吧,我们就更严苛点,假设乌木喉被丢入空旷的太空,周围没有任何星星,温度接近零下273.15度,会怎么样呢?

宇宙中没有空气,没有空气对流,热量就无法通过对流散发出去,这将与我们日常对温度的感受完全不同。而我们要多久才会被冻成冰块,我们实际上可以严格计算出来。

人体的主要散热系统在太空中完全失效,主要靠热辐射散发热量。黑体辐射散热计算同样适用于人体,因为人体的一部分能量以电磁波的形式散射出体表,其中大部分为红外线。

净放射功率是吸收功率和放出功率的差值:

代入黑体辐射的斯特藩-玻尔兹曼定律:

人体的表面积大约是2平方米,乌木喉看起来和奇异博士一样大,也认为他是2平方米。人体皮肤的温度大概为33°C,环境温度一般为20°C。带入公式可知一般人体黑体辐射大约170W左右。如果在绝对0度附近,大约900W。就是说散发的热量还不如一个电暖器的功率。而一个汉堡给我们的输出功率大约100W。

这些数字可能比较抽象,简单来说,如果乌木喉在被放逐到宇宙之前吃了一个汉堡,他损失的功率大概是800瓦。800瓦是个什么概念呢,大概5分钟会损失1°C的体温!也就是说100分钟后乌木喉的体温也就从33度降低为13度,绝对不会瞬间变成冰块!

结论

电脑放在空间站外部,需要同时为它准备加热和散热辅助。现对于加热,散热问题更加严重。如何防止宇宙射线辐射是个大问题,需要借助复合材料甚至铅盒来保证稳定工作。

扩展阅读:

[1]: Extreme-Temperature Electronics (Tutorial - Part 1)

[2]: http://users.eecs.northwestern.edu/~jhu304/files/lowtemp.pdf

[3]: https://www.nasa.gov/content/iss-longeron-challenge-0

[4]: Keeping Cool With Heat Pipes on the Space Station


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