空间碳中和数据中心：创新架构与可持续算力未来

浙江大学与新加坡南洋理工大学联合开展突破性研究，系统探讨在太空环境中建设碳中和数据中心的可行性。宇宙空间提供两大天然优势：充沛的太阳能可供应清洁、稳定的计算电力；接近绝对零度的深冷背景则为服务器废热提供了极致散热条件。研究提出双轨实施方案：一是在遥感卫星集成AI加速器，打造“轨道边缘数据中心”，实现数据在采集源头即时处理；二是组建专用计算卫星星座，形成“轨道云数据中心”，既能处理太空原生数据，也能承接地面计算任务。同时，团队构建了覆盖全生命周期的太空云数据中心碳效率评估体系。

空间技术与信息技术正面临紧迫的可持续性挑战。

一方面，近地轨道被大规模卫星星座快速部署所占据，这些卫星在通信、遥感、气象监测等领域持续生成巨量“太空原生数据”，单星每日数据量可达数十太字节（TB）级别。

另一方面，人工智能（AI）与高性能计算（HPC）等技术飞速发展，推动全球能源密集型数据中心建设热潮，导致其能耗与碳排放指数级增长。

传统“弯管”式数据处理模式，即将所有太空数据下行传输至地面数据中心处理，不仅带来显著通信延迟，影响灾害应急等实时应用，更关键的是，进一步加重了地面数据中心的能源与环境压力。

因此，探索一种能从源头处理数据、并从根本上降低碳排放的新型计算基础设施架构，已成为当务之急。

浙江大学针对近地轨道数据爆炸式增长与地面数据中心高碳足迹的双重挑战，首次系统提出在太空中构建碳中和数据中心的完整技术框架与评估体系。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01476-1

该技术框架的可行性，根植于太空独特物理环境赋予的两大可持续性优势。

首先是近乎无限的太阳能资源，地球轨道上的太阳能密度远超地表，且不受天气与昼夜循环干扰，使得高效太阳能电池板能为高功耗计算设备提供持续、稳定、零碳的电力支持。

其次是极致的散热条件，接近绝对零度（约-270°C）的深空背景构成天然巨型热沉，计算设备产生的废热可通过辐射冷却技术高效直接排散至宇宙，从而彻底摆脱对地面数据中心复杂、耗能、耗水冷却系统（如冷却塔、冷水机组）的依赖，实现散热过程的“零水耗”、“零能耗”与“零碳排放”。

核心框架

该研究的核心贡献在于构建了一个层次化的“轨道数据中心”技术框架，包含两个相辅相成的组成部分。

轨道边缘数据中心

该框架旨在将现有数据采集卫星升级为具备星上智能数据处理能力的计算节点。

其技术路径是在卫星平台高度集成数据传感器（如高分辨率相机等）、面向特定领域优化的AI加速器（如VPU、NPU、GPU、FPGA等）、规模化太阳能电池阵以及针对太空环境的高效热管理子系统（如辐射冷却器）。

其核心价值在于实现“在轨信息提取”，即在数据生成源头完成大部分计算分析任务，仅下传经筛选处理后的高价值、低容量信息产品（如识别结果、特征参数），从而极大缓解稀缺下行链路带宽压力，并将数据传输延迟最小化。

轨道云数据中心

该框架构想了一个更为宏大的分布式轨道计算卫星星座。

它由部署在近地轨道的计算卫星星座组成，每颗计算卫星本质是搭载多个高性能通用服务器（包含CPU、GPU、内存、存储及操作系统等标准组件）和高速宽带通信功能的“太空服务器”。

这样一个轨道云平台具备双重服务能力：

一是作为聚合算力池，处理来自各个轨道边缘数据中心的、超出其自身处理能力的复杂计算任务（如大规模多源遥感数据融合分析）；

二是作为地面计算任务的碳中和外包计算平台，用户可通过“碳感知”智能调度系统，动态选择将计算任务卸载至碳排放更低的轨道云或特定区域的地面云，从而实现全局碳效率优化。

评估创新：全生命周期碳利用效率模型

为科学、公正评估轨道数据中心的环境效益，避免仅关注运行阶段碳排放的片面性，研究团队创新性提出“全生命周期碳利用效率”评估指标。

该模型将评估边界扩展至整个价值链，涵盖计算卫星与发射工具制造、火箭发射过程、在轨运行（电力碳强度为零）以及寿命终结处置等所有环节的碳排放。

通过这一模型的初步建模分析表明，尽管轨道数据中心在制造和发射环节会产生显著“一次性”碳排放，但凭借在轨运行期间持续的碳中和优势，从全生命周期角度，其碳效率有望超越依赖中等碳强度电网的地面数据中心，并逐步逼近由全可再生能源供电的先进地面数据中心水平。

挑战与展望：技术突破与未来绿色算力新范式

研究也客观分析了实现这一蓝图所面临的技术与经济挑战。

首要技术瓶颈是太空辐射环境对商用高性能服务器可靠性的严峻威胁，未来发展有赖于专用于太空数据中心的抗辐射加固技术成熟，但这可能增加系统成本、复杂度和功耗。

其次是经济可行性挑战，目前卫星平台、高性能服务器及发射服务成本依然高昂，尽管框架中设想计算卫星兼具宽带通信能力以提升成本效益，但初始巨额资本投入仍是规模化部署的主要障碍。

尽管如此，小规模轨道边缘计算已进入技术验证与初步商业探索阶段，显示出可行技术路径。

而轨道云数据中心作为更具变革性的长远目标，其发展有望牵引空间能源、热控、通信与高性能计算技术在极端环境下的协同突破，为最终构建全球覆盖、低延迟、环境友好的下一代绿色算力基础设施奠定坚实基础。

总结

这项发表于 Nature Electronics的视角文章，其重要意义在于超越单一技术讨论，首次系统勾勒天基计算基础设施的完整架构蓝图，并建立与之配套的全生命周期环境效益评估方法论。

它不仅为高效处理日益增长的太空数据提供了创新解决方案，也为从根本上破解地面数据中心的高碳困境提供了前瞻性思路，为未来可持续计算技术发展指明了重要方向。

第一作者

第一作者兼共同通讯作者阿卜力米提·艾力（Ablimit Aili），博士，现任浙江大学长三角智慧绿洲创新中心特聘研究员（2024年6月起）。2021年获美国科罗拉多大学（博尔德）机械工程博士学位（2017–2021），后获选新加坡南洋理工大学“校长博士后研究员”（2022–2024）。2024年入选浙江省引才计划。研究方向涵盖工程热物理、绿色数据中心、绿色建筑及智能微电网等多个领域。

新加坡南洋理工大学协理副校长文勇刚教授作为共同通讯作者。

参考资料

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01476-1