Пользователям нужны данные в реальном времени, а не с задержкой в сутки, но законы физики против. Ведь огромные объёмы информации нужно передавать по нестабильным каналам связи, да ещё и на ограниченный по периодам наблюдений наземный сегмент.

В этой серии статей разберёмся, почему на орбите до сих пор нет полноценных дата-центров, какие технологии приближают их появление, а что всё ещё остаётся фантастикой. Поговорим о лазерах и ретрансляторах, о проектах Китая, США и России, и реально ли охлаждать серверы в космосе.

Привет, Хабр! Я Александр Токарев, CTO группы компаний Voxys. У меня практический опыт работы с космическими проектами: писал код для спутников Sputnix, участвую в консорциуме «Космос как инфраструктура для развития земной промышленности», читаю научпоп-лекции и сопровождаю проекты по орбитальным ЦОДам и ИИ. И да, мечтаю — запустить ионный двигатель на йоде, путь к которому (равно как про работу CTO) рассказываю в своём telegram-канале Banya & Bites.

Немного расскажу, кто мы.

Voxys — федеральный центр коммуникаций. Сегодня мы — топ-1 аутсорсинговый колл-центр в России, а вместе с этим кадровое агентство, платформа инвестиций, школа ИИ и практикум для тестировщиков. В команде более 7000 человек.

Как и у любой крупной технологической компании, у нас есть собственные мини-ЦОДы и широкий стек: от php и .NET до Python и Kubernetes. Мы храним данные в Oracle, MySQL, Postgres и ClickHouse, автоматизируем процессы через Airflow, запускаем код не только у себя, но и в Yandex Cloud, активно практикуем DataLens и не брезгуем LLM. Наши продукты — телефония, омниканальные чат-платформы, WFM, биллинг, чат- и голосовые боты, речевая и текстовая аналитика. Среди клиентов — РЖД, Royal Canin, AstraZeneca и многие другие.

Задачи спутников и проблемы космических сервисов

Если сильно упростить, основные задачи спутников можно свести к четырём направлениям:

1. Наука

2. Связь: «Спутник — Земля», «Космический аппарат — Земля», «Человек — Человек»

3. Навигация: глобальная и локальная, в рамках какой-либо страны

4. Дистанционное зондирование в разных диапазонах: видимом, инфракрасном и радио

Но в реальности у этих направлений есть общие технические ограничения:

• Передача большого объёма данных на наземный сегмент

• Ограниченные интервалы связи с наземным сегментом

• Для одной задачи обработки могут потребоваться данные от нескольких КА (космических аппаратов)

• Долгая обработка данных

• Несовпадение режима работы аппаратуры с near-realtime: тот факт, что камера на спутнике постоянно снимает, ещё не означает, что данные приходят в реальном времени

Для наглядности посмотрим на два примера.

Спутник PlanetLab входит в группировку  из ~200 аппаратов, обслуживаемых с помощью 30-ти станций наземного сегмента на трёх континентах.

Характеристики одного спутника Dove: CPU на 4 ядра, камера 47 Мп, память 2 ТБ, батареи на 50 Вт.

Каждый спутник делает полный оборот за 90 минут, снимает каждые 2–5 секунд, но сброс информации возможен только 10–12 раз в день. Один сеанс длится около 9 минут и отгружает~85 ГБ данных. В итоге обновление снимков Земли — раз в сутки. А этого явно недостаточно.

Теперь возьмём российский Канопус-В-О (он пока не запущен). Здесь всё ещё суровее: всего три станции наземного сегмента и сброс информации лишь три раза в день. Сеанс длится ~11 минут, а обновление съёмок всей Земли — раз в 11 дней.

Из этих примеров вывод один: окна связи слишком короткие, пропускная способность ограничена, данные обновляются слишком медленно, и решать оперативные задачи бизнеса, например, сигнализировать о действии или бездействии в реальном времени с такими ограничениями не получается.

Поэтому хотелось бы иметь возможность обрабатывать данные прямо в космосе и передавать уже готовый результат, а не гнать на Землю гигабайты «сырых» снимков. Но для этого данные необходимо где-то хранить.

ЦОД в космосе

На Земле дата-центр — это про экономию и эффективность. Классический ЦОД состоит из помещения, инженерной инфраструктуры, серверов и сети. Он задуман для сокращения стоимости владения IT-инфраструктурой через эффективное использование железа, перераспределение нагрузок, сокращение расходов на администрирование.

Идея перенести ЦОД в космос возникла ещё в 2016 году. Звучит красиво, но на практике тут хватает подводных камней.

Космический ЦОД надо обеспечивать электроэнергией и охлаждать, на него сильно влияет радиация, отказывает железо, а ещё его нужно каким-то образом связать с остальной инфраструктурой. Ну и самое очевидное, ЦОД надо как-то запустить на орбиту.

Архитектура КА

У космического аппарата достаточно большой обвес, включающий системы электропитания, ориентации и стабилизации, управления движением, терморегулирования, связи и бортовую вычислительную машину.

Всё это занимает примерно 70% массы аппарата, и только оставшиеся 30% — полезная нагрузка (payload fraction). В деньгах именно эти 30% стоят примерно столько же, сколько весь остальной аппарат. Вокруг этой метрики — payload fraction — крутится вся инженерная наука.

В космосе уже сейчас происходит много вычислений прямо на борту с помощью аппаратуры специализированных приборов и Edge Compute — возможности выполнять специфические задачи прямо на устройстве на орбите.

Есть отдельный подход к разработке спутников как то Software-Defined-Satellite, позволяющий запускать виртуальные миссии. Идея в том, что можно запускать свой низкоуровневый код на подсистемах спутника и управлять маховиками и видеокамерой, просчитать, например, что-нибудь на GPU и принять решение, стоит ли поднимать свою группировку, если бизнес-идея взлетела.

Отдельно выделяется Remote edge-compute — это почти мини-ЦОД в космосе. Подход позволяет запустить вашу edge-нагрузку на выделенных, например, GPU в группировке спутников. При этом спутники, реализующие edge-вычисления, не содержат  никакой полезной нагрузки, кроме специализированной вычислительной. Спутники же с полезной нагрузкой содержат максимально качественную полезную нагрузку, но без средств обработки, передавая данные для обработки не на землю, а на специализированную remote edge-compute группировку.

Но ЦОД — это не только вычислительные мощности, но и вся инфраструктура, созданная для экономии ресурсов, как то системы виртуализации, контейнеризации, услуг как сервис и т.д.

Посмотрим на типовой мини-ЦОД Voxys:

• Масса: ~3 тонны без учёта дизель-генератора

• Система охлаждения: 950 кг, ИБП: 800 кг, Стойки: 1100 кг

• Энергоэффективность (PUE) — 1,41

Метрика PUE (Power Usage Effectiveness) показывает, насколько эффективно расходуется энергия: это отношение общего потребления ЦОДа к потреблению IT-оборудования:

PUE = Общее энергопотребление ЦОДЭнергопотребление IT-оборудования

Даже такой ЦОД весит очень много по космическим масштабам, при этом обеспечивает очень малую вычислительную мощность — фактически 4 стойки.

Электричество в космосе

Любому космическому аппарату нужно питание и, ожидаемо, космосе своя специфика. Есть три основных способа обеспечить космический аппарат энергией:

1. радиоактивный распад 

2. фотоэлектрический (с помощью Солнца)

3. электрохимический (с помощью аккумуляторов)

Для способа номер один характерно использование различных термоэлектрических эффектов для преобразования температуры радио-активного распада в электричество.

Второй - классические солнечные батареи.

Третий способ очень важен, потому что электричество в космосе есть не всегда! Причины могут быть разными –– что-то сломалось (а ломается в космосе всё довольно часто) или потому что аппарат в тени и нет возможности получить электричество через фотоэлементы.

Аккумуляторы в космосе

На орбите используют множество типов аккумуляторов:

• Никель-водородные — «старые добрые» батареи, до сих пор работающие, например, на телескопе Hubble.

• Литий-ионные — более современный вариант, например, как на зонде Parker, который сейчас летит к Солнцу.

• LiS для CubeSat — компактные аккумуляторы для малых спутников. CubeSat — это малый одно- или много-юнитовый аппарат, где один юнит — всего 10×10×10 см. Именно их я, кстати, и умею программировать.

На МКС литий-ионные аккумуляторы установлены прямо под солнечными батареями.

Первая версия была никель-водородной.

Современные версии оказались куда эффективнее: вдвое меньше по размеру и дают «гору» свободного места под аккумуляторами.

Но есть проблема: наземные батареи текущего поколения всё равно примерно в два раза эффективнее космических. Условия в космосе совсем другие.

Плюсы аккумуляторов:

• компактность

• отсутствие движущихся частей

• независимость от особых внешних условий

• высокий КПД

Минусы аккумуляторов:

• ограниченная ёмкость

• деградация со временем

• чувствительность к температуре

• значительная масса

Да, они компактны и надёжны, но их ёмкость ограничена, они делают конструкцию более тяжёлой и постепенно деградируют, а значит, их приходится менять. Иногда их ещё приходится термостатировать, потому что низкие температуры им не всегда нравятся.

Что делают инженеры, чтобы улучшить ситуацию:

• повышают КПД

• увеличивают количество циклов разряда-заряда

Всё развитие в итоге упирается в одну ключевую метрику — энергоэффективность.

РИТЭГ

РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор) — это тепловой генератор на радиоактивном распаде.

Теоретически, что-то похожее можно купить хоть на «Авито» за три тысячи рублей и подключить к любому электро-прибору дома. Принцип работы термо-электрических генераторов основан на эффекте Зеебека.

Если взять два проводника из разных металлов, спаять и нагреть, то возникает электродвижущая сила.

На фото слева — РИТЭГ, который остался на Луне и уже никому не нужен. Плутоний в нём уже не излучает такого количества тепла, чтобы хватило на питание радио-оборудования, для которого он был там установлен. Справа — современный РИТЭГ на аппарате New Horizons.

Казалось бы, на новых моделях-то должно быть лучше, прогресс в разы должен увеличить их эффективность, но КПД как был около 4%, так и остался у обоих РИТЭГов. Как выдавал 5 Вт на килограмм, так и выдаёт. Поэтому главная задача при развитии РИТЭГов как технологии — поднять КПД. И инженеры пробуют разные подходы, чтобы выжать больше.

В целом, РИТЭГи хороши там, где нужна стабильность и автономность: им не нужно Солнце, они долго работают и ещё дополнительно греют. Но за это приходится платить — весом, ценой и материалами.

Плюсы РИТЭГ:

• долговечность

• независимость от внешних условий

• отсутствие движущихся частей

• надёжность

• выработка тепла

Минусы РИТЭГ:

• радиационная опасность

• ограниченный набор подходящих материалов

• деградация со временем

• высокая стоимость

• малая мощность и низкий КПД

Вот как улучшают полезное действие:

1. Термоэмиссионные преобразователи (8-15% КПД)

Представьте РИТЭГ, но между катодом и анодом находится ионизированный цезий, а расстояние между ними — буквально микроны. КПД такого генератора растёт до 15%.

2. Термофотовольтоника в ИК (15-25% КПД)

Внутри РИТЭГов используется материал, который при нагреве светится в инфракрасном спектре. Его можно окружить специализированным фотоэлементами, которые эффективно преобразуют инфракрасное излучение в электричество.

3. Двигатели Стерлинга 25-35% КПД. 

Здесь речь о тепловой машине, работающей на внешнем подводе тепла. Её можно «греть» РИТЭГом, получая в несколько раз больше электричества, чем при прямой конверсии  от нагрева спаев. Собственно, у них самый большой КПД.

Солнечные батареи МКС

Альберт Эйнштейн, получивший Нобелевскую премию за открытие фотоэффекта, а не за теорию относительности, дал нам технологию, благодаря которой работает один из шедевров инженерной мысли — Международная космическая станция.

Изначально на МКС были установлены четыре больших солнечных панели площадью практически по шесть соток каждая. Их суммарная мощность составляла 124 кВт. Но в космосе есть нюанс — под воздействием радиации всё постепенно деградирует, и выработка снижается.

Поэтому инженеры: установили новые радиаторы iROSA (ISS Roll Out Solar Array) и добавили 652 м² современных, более мощных радиаторов. В итоге МКС начала генерировать 215 кВт. Но всё это греется — и от нагрузки внутри, и от солнца снаружи.

Терморегулирование космического аппарата

В космосе тепло поступает не только от полезной нагрузки, но и от внешних источников. Для сравнения: мини-ЦОД Voxys выделяет 20–35 кВт тепла, а к этому в космосе добавляется мощный внешний нагрев.

Основные источники тепла:

• Солнце: с интенсивностью ~1400 Вт/м², что даёт температуру около +121 °C на свету и −157 °C в тени

• Отражённое солнечное излучение от Земли (альбедо): ~250 Вт/м²

• Тепловое излучение Земли: ~300 Вт/м²

Даже если поднять спутник чуть выше, суммарная тепловая нагрузка останется около 1950 Вт/м², и её придётся постоянно отводить.

Виды теплообмена на Земле

На Земле с отводом тепла всё относительно просто. Здесь работают три механизма теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение, поэтому существует большое количество способов охлаждения:

1. CRAC/CRAH (Computer Room Air Conditioner/Computer Room Air Handler) — классические кондиционеры и чиллеры.

2. DFC (Direct Fresh cooling) — подача наружного охлаждённого воздуха напрямую в систему, технология уже зрелая и популярная.

3. Liquid cooling — жидкостное охлаждение для особенно горячих и плотных систем.

И ещё десятки других вариантов.

Виды теплообмена в космосе 

В космосе привычные на Земле теплопроводность и конвекция не работают — есть только излучение. Поэтому у инженеров есть всего два способа сбросить тепло:

1. С помощью терморегулирующих покрытий

Это специальные краски и фольга ЭВТИ (экранно-вакуумная теплоизоляция) — та самая «золотая» обшивка, которую мы видим на спутниках. Например, аппараты «Канопус» используют именно такую защиту.

2. Радиаторы

Для МКС есть две системы:

• отдельные радиаторы для фотоэлементов, которые сильно нагреваются при работе

• отдельные радиаторы для корпуса станции и внутренней нагрузки

Температура «низкотемпературных» радиаторов МКС — около 60 °C. Они отводят примерно 182 кВт тепла с площади 680 м². И, разумеется, при таких масштабах тепловыделения инженерам приходится применять дополнительные приёмы, чтобы справляться с такими показателями.

Конечно, эти характеристики хочется улучшить, и для этого есть несколько способов.

1. Повысить температуру радиатора

Формула Стефана-Больцмана (R(T) = σT⁴) говорит, что при увеличении температуры в два раза теплоотдача растёт в 16 раз. Но есть нюанс — температура в формулах указывается в Кельвинах.

Для МКС переход от 333 K (60 °C) к, скажем, 666 K (392 °C) даст фантастический прирост теплоотдачи, но и конструкция должна выдерживать такие температуры. Поэтому я думаю, что радиаторы будущих космических ЦОДов, скорее всего, будут работать при 500–600 °C и светиться темно-красным светом :), что позволит вывести мощность теплоотвода с 182 кВт до почти 2,9 МВт.

2. Использовать элементы Пельтье –– потребление электричества + радиаторы

Их иногда предлагают использовать в космосе, но здесь ловушка: сами элементы Пельтье тоже нужно охлаждать. В итоге получается «охлаждаемое охлаждение» — и эффективность падает.

3. Применить капельные холодильники на жидком металле или кремний-органике

Вы каким-то образом отвели тепло от источника и просто выбрасываете расплавленный металл в космос. Он пролетает через него, эффективно остывает из-за огромной поверхности и возвращается в систему.

Да, это сложно, плюс есть расход теплоносителя. Но зато массоэффективность — в 54 раза выше. Казалось бы, звучит как технология будущего, но первые эксперименты проводились ещё на «Шаттле» в 1989 году. Сейчас Китай, который активно движется к выводу атомных реакторов в космос, с 2021 года  активно публикует научные статьи про практическую реализацию жидкостных металлических радиаторных систем.

В целом, инженеры ищут способы повысить эффективность систем охлаждения — от более горячих радиаторов до экспериментов с капельными холодильниками. Но даже если решить проблему отвода тепла, это лишь часть задачи. На орбите всегда остаётся ещё один неизбежный фактор — радиация. Об этом барьере для создания космических ЦОДов поговорим в следующей части статьи.

Скрытый текст

Узнать больше о технологиях, которые позволяют одновременно обслуживать многие тысячи и миллионы пользователей, можно будет на конференции по обмену знаниями HighLoad++ в ноябре. Это крупнейшая профессиональная конференция для разработчиков высоконагруженных систем. Не упустите шанс забронировать билет!