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？
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
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：
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