Starmind - Satellitengestützte Rechenzentren

Weil immer wieder gerne der Kühlung der Sats angesprochen wird, so wie ich das verstehe läuft das über Radiatoren so wie bei der ISS.
Wo soll da das Problem damit liegen?

Ja, die Kühlung läuft ausschließlich über Wärmestrahlung mittels Radiatoren. Bei den KI- und Mobilfunk-Satelliten der Starlink-Generation V3, die sehr viel Energie verbrauchen und extrem leistungsfähige Computerchips an Bord haben, ist dies aber in mehrfacher Hinsicht ein Problem oder zumindest großere Herausforderung:

1. Das Verhältnis von Solarpaneelen, Rechenleistung und dafür nötiger Radiatorengröße. Letztere müssen unverhältnismäßig groß sein. 

2. Wärmeleitung über Kühlrippen reicht schon bei der ISS nicht aus. Man nutzt Rohrsysteme/Heatpipes in denen Ammoniak verdampft. Das kann spröde werden, oder es bilden sich Blasen oder Pfropfen.

3. Für hohe Emissivität werden die Oberflächen mit speziellen weißen Keramikfarben, Quarzkacheln oder Silber-Teflon-Folien beschichtet. Durch UV, kosmische Strahlung und atomaren Sauerstoff degradiert das.

4. Albedo-Strahlung. Die Radiatoren schauen oft in Richtung Erde, die strahlt selbst Eigenwärme ab. Das verringert die Effizienz spürbar.

Bei ISS und den Starlinks kommen noch die Temperaturschocks beim Wechsel von der Sonnen- auf die Nachtseite hinzu, von +120 auf bis zu -150 °C. In dieser Zeit werden die aber wenigstens die Abwärme los.
Und das ist das eigentliche Problem, dass das die stets in der Sonne fliegenden KI-Sats nicht können. Wie man all diese Wärme loswird, ohne in den Erdschatten tauchen zu können, und das wartungs- und verschleißfrei, das ist wohl das Hauptproblem.

Und das ist das eigentliche Problem, dass das die stets in der Sonne fliegenden KI-Sats nicht können. Wie man all diese Wärme loswird, ohne in den Erdschatten tauchen zu können, und das wartungs- und verschleißfrei, das ist wohl das Hauptproblem.

Ein Problem, das die permanent der Sonne ausgesetzten Sonnenbeobachtungssatelliten (zB SOHO (seit 30 Jahren !), Solar Orbiter, Parker Solar Probe) offensichtlich gelöst haben (Parker Solar Probe sogar für Wärmeflüsse bis 650 kW/m² !). Man kann auch gegen die Sonneneinstrahlung noch Wärme abstrahlen, zB mit Second Surface Mirror-Materialien (https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_solar_reflector).
Ist alles eine Frage der Skalierung: welche Radiatorgröße will/kann man sich leisten ?
Prinzipiell ist das kein show stopper.

"A highly stable, low alpha/epsilon spacecraft control surface"
https://arc.aiaa.org/doi/epdf/10.2514/3.29420

Das ist so nicht vergleichbar.

Sonnensonden haben das Problem extremer Hitze zwar millionenfach stärker, aber der fundamentale Unterschied liegt in der Quelle: Ein KI-Satellit erzeugt seine Hitze im Inneren und muss sie nach außen loswerden. Eine Sonnensonde wird von außen aufgeheizt und muss ihr Inneres schützen. Das geht mit passiven Schutzschilden. Die Hitze gelangt gar nicht an die eigentliche Sonde.

Im Gegensatz zu den geplanten bis 150.000 Watt eines KI-Satelliten haben  Sonnensonden wie alle wissenschaftlichen Langzeitmissionen eine verschwindend geringe Leistungsaufnahme von rund 400 W  - das sind Größenordnungen weniger -  und bekommen das problemlos auf der sonnenabgewandten Seite los.

Das hilft bei den KI-Satelliten aber nicht weiter: 150 kW Hitze von NVIDIA-Chips entstehen im Inneren des Schattens und sie muss aktiv nach draußen über riesige Radiatoren abgegeben werden, weshalb das thermische Problem der KI-Satelliten technisch auf eine völlig andere Weise konzipiert sein muss.

Das hilft bei den KI-Satelliten aber nicht weiter: 150 kW Hitze von NVIDIA-Chips entstehen im Inneren des Schattens und sie muss aktiv nach draußen über riesige Radiatoren abgegeben werden, weshalb das thermische Problem der KI-Satelliten technisch auf eine völlig andere Weise konzipiert sein muss.

Das sehe ich auch so. Heatpipes mit Radiatoren werden da bei weitem nicht reichen. Sieht man ja schon bei Grafikkarten: die teilweise 500 W und mehr werden auf einer winzigen Fläche von wenigen cm² produziert. Das ist schon auf der Erde ein Problem wenn man die riesigen Lüfter sieht, wobei hier noch die weitaus größte Wärmemenge über Konvektion abgegeben wird, das geht im Vakuum nicht. Da muss eine aktive Kühlung mit Pumpen und Kältemittel her, die dann aufwändig und fehleranfällig ist.

Edit: Dass bei Computerchips 90 Grad Celsius schon grenzwertig sind, macht das Ganze nicht einfacher.

Prinzipiell muss der Satellit die Energie, die er durch die Sonnenstrahlung (in allen Wellenlängen) aufnimmt, wieder los werden. Das kann jeder Satellit. Das macht jeder Satellit. Auch die "Abwärme" der Prozessoren ist da schon mit in der Bilanz. Wenn das Abstrahlen der Flaschenhals ist, muss man eben den Bordrechner kleiner auslegen, oder langsamer arbeiten lassen. Auch machbar. Dann skaliert man das System und die Anwendung über die Menge der Satelliten mit "kleinen Prozessoren".
Für Spitzenlasten könnte man auch Heatsinks einbauen, die die Wärme puffern ... und deren Wärme wird dann später, in einer Downtime/im Schatten, aus dem System gefördert.
All das senkt die Effizienz pro Satellite. Das "lösen" sie dann über Größe und Anzahl ...

Die Aufgabe hat SpaceX bereits vollständig abgeschlossen. Die Radiatoren werden ca. 25% der Fläche haben wie die Solarpanels und 90° versetzt am Satelliten montiert sein. Das Ergebnis ist auf der Website von SapceX als 3D-Rendering zu sehen.

Hier auch mal das Bild des Konzepts:


   Bild: SpaceX

Einige Kennzahlen:
Solar Arrays: 2 x 30 m x 10 m = 600 m² mit 250 W/m² => 150 kW       (d.h.  18,4% Wirkungsgrad)
Radiator: 20 m x 5,5 m = 110 m²

   Quelle: https://www.tradingkey.com/de/analysis/stocks/us-stocks/261954239-elonmusk-spacex-ipo-ai1-tradingkey

Interessant.
Mich erstaunt etwas, dass die Radiatoren nicht im Schatten der Solarpaneele sind.
Vielleicht reicht es, sie 90 Grad aus der Sonne zu drehen.
Könnte auch was mit der Entfalterei zu tun haben; all diese riesigen Segel müssen ja für den Launch irgendwie kompakt verstaut und ohne sich zu stören entfaltet werden.
In jeden Fall können wir uns darauf verlassen, dass daran einige der besten Igenieure getüftelt haben und irgndwo erste Testartikel herumstehen.

Die Rückseiten der Solar Arrays müssen ungehindert abstrahlen können; schliesslich werden nur knapp 20% der Sonnenenstrahlung in elektrische Energie verwandelt; die restlichen 80% würden die Temperatur der Sonnenzellen in die Höhe treiben und den Wirkungsgrad verschlechtern; also müssen die Rückseiten möglichst nur den kalten Raum "sehen".
In der gezeigten Anordnung sehen die Radiatoren nur die Kanten der sehr dünnen Solar Arrays (ausrollbare Folien ?), ebenso sehen nur die Kanten der Radiatoren die Sonne - gut ausgeklügelte Geometrie.