太空算力的宏伟前景，建立在突破一系列严峻技术与工程挑战的基础之上。在跨越发射成本与运载能力的门槛之后，仍需攻克太空发电与能源系统、高可靠材料与元器件、高效储能、先进热管理、高速通信、在轨运维、空间安全防护以及轨道资源国际竞争等关键难题。然而，从工程与技术角度看，这些挑战大多已有明确的应对策略和可行的突破路径。
一、太空发电与高效能源系统挑战
与地面数据中心依赖电网不同，太空设施必须实现能源的完全自给自足，这要求其发电系统在极端太空环境下，实现远超传统航天器的高功率、高效率、高可靠与低成本运行。
卫星发电系统（太阳翼）通常是卫星最重、最昂贵的子系统之一，重量占比可达20-30%，其核心为太阳能电池。为最大限度降低发射成本，必须在有限的发射质量内获取最大发电功率，即追求极高的 “功率质量比”（W/kg），实现极致的轻量化 。这驱动了柔性、超薄光伏电池和轻质可展开结构的技术创新。
短期内，超薄HJT电池被视为大规模商业航天应用最具性价比的方案。当前，高轨通信卫星、空间站等高价值航天任务基本选择柔性多结砷化镓（GaAs）电池，其在太空标准光照条件（AM0）下的转换效率超过30%，抗辐射能力强，寿命可达20年，但其需要使用镓、砷等关键技术且制造工艺复杂，成本极其高昂，每平方米约20-40万元，估算组件采购成本高达约12亿美元/GW，因此无法支撑未来成千上万颗卫星的大规模星座部署。短期内，硅基异质结（HJT）电池被视为大规模商业航天应用最具前景的方案，其成本仅为砷化镓电池的1/6至1/3，且已有研究表明其具有优异的抗辐射能力，超薄（60-110µm）HJT电池在遭受辐射损伤后，可利用太空光热效应恢复97%以上初始性能，其低温制备工艺易于制成柔性薄片，与新一代卷展式太阳能阵列结构高度适配。
从远期看，钙钛矿/晶硅叠层电池被普遍认为是终极高效解决方案。它结合了钙钛矿材料高效率、极轻质、低成本溶液法制备的优势，以及晶硅底层的稳定性，理论效率上限远超单结电池。近日，苏州大学张晓宏教授团队成功研发出柔性晶硅钙钛矿叠层太阳能电池，该成果解决了叠层柔性电池在效率与稳定性方面的核心难题，为航天器和太空数据中心长期运行提供了电力保障，相关研究成果在国际顶级学术期刊《自然》上发表。不过，钙钛矿/晶硅叠层电池在太空极端环境（紫外辐射、真空、热循环）下的长期稳定性、封装技术等工程难题尚未完全攻克，预计仍需3-5年以上的研发与在轨验证周期。
为支撑GW级算力中心，未来需要部署平方公里级的超大型太阳能阵列。例如，Starcloud的5GW太空数据中心概念方案规划的阵列规模达4km×4km（16km²）。如此巨型结构，其设计、制造、发射和在轨组装（AIO）的技术难度与成本呈非线性跃升，远超线性增长关系。此类设施无法一次性发射，必须依赖在轨自动交会对接、空间机器人装配等技术进行模块化搭建，这目前仍是核心技术攻关领域，工程成熟度和可靠性尚未形成体系化标准，需通过地面试验与在轨验证持续迭代。
二、高可靠材料与元器件挑战
与地面数据中心可控的机房环境截然不同，太空中的极端温度循环、高能粒子辐射、超高真空与微重力等复合因素，对构成数据中心的所有材料与电子元器件的长期可靠性构成了重大挑战。任何微小的材料退化或器件失效，在无法进行经济性在轨维修的约束下，都可能演变为任务失败的关键单点故障。
——极端温度循环挑战。在近地轨道，航天器表面在阳光直射时温度可超过120°C，进入地球阴影区则骤降至-180°C甚至更低，冷热交变幅度达300°C以上。这种剧烈的冷热交变会导致材料因热胀冷缩系数不匹配而产生内应力，引发疲劳、微裂纹甚至断裂。对于电子设备，焊点（如BGA封装）在数千次温度循环后容易发生热疲劳开裂，导致电气连接失效,具体寿命取决于封装类型与温变范围；密封材料也可能因反复伸缩丧失密封性能。商用芯片通常仅支持0°C至+70°C工作范围，而航天应用要求电子设备在更宽温区内稳定运行，这对热控系统维持允许工作温区的能力提出了极高要求。
——高能粒子辐射挑战。地球磁场未能完全屏蔽的银河宇宙射线、太阳高能粒子以及辐射带俘获粒子，持续轰击着轨道上的航天器。即使在有10mm铝当量屏蔽的低地球轨道（LEO），电子器件每年承受的辐射剂量仍可达约150 rad（Si），在5年任务周期内累积剂量达750 rad（Si）。长期辐射累积会导致半导体器件（如MOSFET）的栅氧化层产生电荷陷阱，引起阈值电压漂移、漏电流增加、驱动能力下降，最终功能退化。更具突发性威胁的是单粒子效应（SEE），单个高能重离子或质子穿透芯片敏感节点，可能造成存储单元位翻转（SEU）、电路闩锁（SEL）或信号瞬态（SET），在AI推理等高并发计算过程中引发数据错误甚至系统崩溃。为应对辐射挑战，传统航天任务普遍采用抗辐射加固芯片，或通过工艺/设计手段提升器件耐受性。近年来，部分机构在短期、低轨道、非关键任务中尝试使用高性能商用AI芯片（如NVIDIA Jetson系列），并辅以冗余架构、错误校正码（EDAC）等系统级容错措施，也取得了相应进展。
三、储能技术挑战
通过部署于晨昏太阳同步轨道，太阳能发电阵列可实现超过95%的容量因子，但卫星每次进入地球阴影区（最长约35分钟）时，数据中心将完全失去外部电力输入。此时，储能系统必须无缝接管，为数十至数百兆瓦的计算负载提供持续、稳定的电力，确保关键任务不中断。
太空算力对储能系统提出了极为严苛的技术要求，需要满足高容量、高可靠性、长循环寿命、高能量密度以及小体积质量等多重指标。在太空极端环境下，储能系统必须能够在-180℃至120℃的极端温度范围内稳定工作，同时具备抗空间辐射、轻量化等特性。
目前，低温型锂离子蓄电池已成为太空储能的优先选择方案。这类电池通过优化电解液配方，采用低熔点共溶剂和无碳酸乙烯酯电解液设计，显著提升了低温性能。然而，要真正突破能量密度、寿命和环境适应性的技术天花板，固态电池技术被视为关键突破口。固态电池不含可燃、可挥发的液态电解质，在真空环境下不存在泄漏与气体析出问题，其本征安全性显著高于液态体系。NASA已将全固态电池列为未来航空与航天能源存储技术的重要方向。随着固态电池产业化进程加速，预计2030年后固态电池有望为太空算力的储能系统提供终极解决方案，支撑卫星星座、深空探测等太空任务的长期稳定运行。
四、热管理技术挑战
太空数据中心的热管理核心挑战在于，如何在近乎真空、仅能依赖热辐射散热的环境中，高效排出远超传统航天器的废热。由于缺乏对流与传导，散热效率完全受限于斯特藩-玻尔兹曼定律，即辐射功率与温度四次方和辐射面积成正比。
当前通信或遥感卫星平台功耗通常为1-10 kW，而设想中的高密度在轨计算节点（如用于AI推理或科学模拟）单星功耗可能达数十至数百KW，甚至未来星座级系统向兆瓦（MW）迈进。这意味着废热排放需求提升 10-100倍以上，对热控系统的散热能力、质量效率和可靠性提出前所未有的要求。
与地面不同，太空热管理通常采用“主动+被动”混合架构，主动热控技术通过外部能量驱动，控温能力强、灵活性高，用于高热流密度区域的热量收集与输运，如采用泵驱两相流体回路+大型可展开辐射器，将芯片废热导至大型辐射器进行散热；被动热控通过材料创新实现突破，如多层隔热材料MLI、高/低发射率涂层、热控百叶窗等仍广泛用于温度稳定和局部热隔离。
面向未来太空算力设施，热管理系统必须突破发射包络与质量限制。根据测算，针对1GW太空算力集群，所需散热面积约为240万平方米（即2.4平方公里），一个承载ExaFLOP级算力的超大规模轨道数据中心，可能需要数平方公里的展开散热面积。尽管提高散热器工作温度或优化热管理可减小面积需求，但总体规模仍极为庞大。为降低发射成本，热管理系统必须追求极高的功率质量比，实现材料工艺创新，必须在有限的发射质量内，通过精巧的折叠-展开机构，实现最大的在轨散热面积。
五、高速通信挑战
太空算力对通信系统的核心要求是高带宽、低延迟与大规模协同能力。作为参照，地面超算中心内部互联已实现每秒TB级的数据吞吐，而当前卫星通信能力与此存在数量级差距。对于数千颗卫星组成的超大规模计算星座，星间链路的总带宽与网络延迟成为制约分布式计算（如协同AI训练）效能的首要瓶颈。
传统射频通信（如Ka波段）单链路速率通常为1-10 Gbps，在近地轨道（LEO）可实现约5-40毫秒的端到端延迟，但仍难以满足高并发计算任务的需求。相比之下，星间激光通信已实现100Gbps速率突破，SpaceX星链V3卫星计划将激光通信速率提升至400Gbps。实验室环境下，短距星间激光通信速率甚至达到1.6 Tbps以上，但此类成果尚未转化为稳定可靠的在轨工程能力，在大规模组网后，瞄准-捕获-跟踪（PAT）精度、光学系统热稳定性与动态拓扑路由仍是未攻克的工程难题。更具挑战的是激光星地链路，尽管速率潜力巨大，但受云层遮挡、大气湍流等影响，高码率信号难以全天候稳定穿透大气层。目前，实用化系统仍需依赖全球分布的光学地面站，并辅以天气预测与链路切换策略。
短期内，优先发展星间高速激光通信网络，构建太空“数据骨干网”，将数据在轨聚合后，选择最优时机和地面站进行下传，以提升链路利用率和可靠性。中长期，需同步攻克激光星地链路的全天候、高可靠传输技术，并建设全球分布的地面站网络或探索高空平台（如气球、无人机）中继，以增加通信窗口和覆盖，最终形成高速、可靠、低延迟的天地一体化信息网络。
六、在轨运维挑战
在轨运维的根本目标是确保部署在太空极端环境中的计算设施能够长期、稳定、可靠地运行，并在必要时进行维修、升级和扩展，以维持其经济性和技术先进性。这要求系统在无人值守的严苛太空环境下稳定运行5-15年甚至更长时间，并具备高度的自主性、可维护性与经济可行性。
在地面数据中心，运维人员可以现场检查、更换部件。而在轨环境下，远程诊断和自主恢复是唯一可行的路径，其技术复杂度呈指数级上升。地面控制中心无法实时获取所有传感器细节，天地通信的延迟和有限的带宽也严重制约了实时干预能力。系统必须内置高度的自监测与自诊断能力，能够从海量遥测数据中准确识别故障根源，需要极其智能的故障预测与健康管理（PHM）系统。
当检测到部分模块失效时，系统不能简单地“停机报警”。它必须能自动启用冷/热备份模块，或动态地将计算任务迁移到其他健康的节点上，保证整体计算服务不中断。这要求底层的硬件架构（如计算、存储、网络）必须是冗余、可重构的，同时上层的任务调度和分布式系统软件必须具备智能的故障恢复逻辑。
面对上述挑战，业界正在探索几种主要的技术路径和运维模式：
1.高度模块化与冗余设计：这是所有高级运维的基础。将系统设计为可独立更换的标准化模块，并通过系统级冗余（如N+1备份）来容忍单点故障，支持在轨“热插拔”。
2.机器人主导的自主服务：被视为规模化运维的关键。提前在轨道上部署“轨道仓库”存放备件，或由可重复使用的服务航天器（“太空拖船”）携带，通过空间机器人完成绝大部分的检查、更换、装配操作。
3.依托近地轨道空间站的人工运维：将初期或验证性的太空数据中心模块部署在空间站附近或实验舱内，利用驻站航天员进行定期的检查、维护和升级。这种模式技术风险较低，但扩展性和经济性有限。
4.“哈勃模式”的定期人工维护任务：当问题积累到一定程度后，发射专用载人飞船，派遣航天员及携带备件进行集中维修。这是技术能力最强的体现，但成本最高，周期最长，无法作为常规手段。
5.智能自主运维系统：结合人工智能与数字孪生技术，构建能够进行预测性维护、自主故障诊断、处理和在轨任务优化的智能系统。例如，通过机器学习模型分析遥测数据预测部件剩余寿命，或自主规划避障机动。
目前，该领域仍处于技术攻关和方案验证的早期阶段，模块化设计是基础，机器人自主操作是关键突破点，而最终的经济可行性则高度依赖于发射成本的大幅下降和自主运维技术的成熟。
七、空间安全防护挑战
未来，太空数据中心面临的安全风险主要可归纳为物理碰撞、军事对抗与网络攻击三大类，其威胁源既包括自然存在的空间环境，也涵盖日益加剧的人为活动。
空间碎片碰撞风险：最迫在眉睫的物理威胁。空间碎片是当前最具体、最频繁的物理性风险源。近地轨道中尺寸大于1厘米的碎片已超过百万个，而1厘米以下的微小碎片总数超1亿个，使得轨道环境异常拥挤。低轨巨型星座的大规模快速部署，进一步加剧了太空交通拥堵，显著提升了碰撞概率。一次微小的碎片撞击，足以击穿太阳能电池阵、损坏散热辐射面或精密激光通信终端，导致卫星功能永久性丧失。更严重的是，碰撞可能产生更多碎片，引发连锁反应，危及整个轨道高度的所有航天器，对计划中长期运行的太空数据中心构成生存性威胁。
反卫星武器与军事化对抗风险。虽然“反卫星武器”在产业分析中不常直接提及，但太空设施军事化的趋势及其引发的直接物理摧毁或干扰风险已清晰显现。美国“星盾”（Starlink军用定制版）计划的推进，以及其“金穹”天基导弹防御系统（由数千颗探测/拦截卫星组成）的构想，标志着低轨卫星网络的战略和军事价值已被大国充分认知，近地轨道已成为新的战略疆域和潜在冲突前线。俄乌冲突中，“星链”为乌军提供了关键的抗毁通信能力，保障了前线作战单元的联网与指挥，反向证明了卫星网络在现代战争中的枢纽作用，也必然刺激反制能力的发展。这种来自反卫星导弹的“硬杀伤”威胁，以及电子干扰、激光致盲等“软杀伤”手段，对太空数据中心的物理生存和信号安全构成了直接挑战。
网络攻击威胁。对卫星测控、数据链路、星载软件系统的网络入侵、干扰或劫持，是另一类关键的非物理威胁。随着人工智能驱动的自主太空操作（如自主避障、故障诊断）成为提升效率的必然选择，系统的软件复杂度和对算法的依赖度剧增，这同时扩大了网络攻击面，引入了新的软件漏洞和算法被攻击的风险。大型星座复杂的星间链路、动态路由协议以及与地面站的频繁交互，都为恶意网络行为提供了潜在入口。太空网络安全已被明确列为尚未健全的全球性规则框架之一，是商业化进程中重要的监管与地缘政治风险源。
八、轨道资源与国际协调挑战
太空算力的成功部署不仅取决于技术突破，更在根本上受制于轨道与频谱这两大稀缺战略资源的可获得性，以及规范其使用的国际规则体系。当前，以国际电信联盟（ITU）规则为核心的“先到先得”分配机制，已驱动全球进入“抢频抢轨”的白热化竞争阶段，而面向太空算力等新兴业态的规则存在显著滞后。
国际轨道与频谱资源的分配，主要由国际电信联盟（ITU）的无线电规则所主导，采用“先申请、先占用”原则。该原则意味着，在符合技术协调要求的前提下，谁先成功向ITU申报并完成国际协调，谁就优先获得特定频段和相应轨道位置的使用权。由于卫星频轨资源具有排他性。一旦占用，在卫星寿命结束后，运营方通常会通过发射替代卫星来延续使用权，从而在实践中形成了“先占永得”的局面。
为了防止“纸面占位”，ITU对已申报的卫星网络设置了明确的部署进度要求。根据规则，运营商需在首颗卫星投入使用起的两年内完成至少10% 的星座部署，五年内完成50%，并在七年内实现100%的完全部署。另一表述为需在申请后7年内发射第一颗卫星，并在第9、12、14年分别完成总规模的10%、50%、100%。这一时限压力直接转化为企业的发射与组网能力竞赛。
在ITU规则驱动下，近地轨道，特别是300-2000公里高度范围，已成为全球竞争的焦点，已申报星座的拥挤程度远超常人想象。近地轨道可安全容纳的卫星数量存在物理上限。不同研究给出了约6万颗（考虑现有技术条件）到17.5万颗（考虑50公里安全间距）的估算。然而，当前全球各国及企业已向ITU申报的低轨卫星数量，早已超过7万颗，远超理论容量上限。根据申报周期推算，自2024年起，全球已进入以 “抢频抢轨”为核心的集中发射期，竞争进入白热化。
太空数据中心的核心产出是数据与算力服务，但其治理框架面临制度性缺位：数据主权层面，在轨数据处理后的管辖权归属、数据跨境流动规则当前全球尚无统一法律与技术标准；物理安全层面，星座密度激增使空间碎片碰撞风险指数级上升，但强制性碎片减缓、清除及责任认定规则仍处草案阶段，缺乏约束力；运维保障层面，长期在轨服务依赖自主交会对接与机器人装配等技术，但相关操作的安全规范、责任划分、事故追责等国际准则尚在萌芽期；网络安全层面，针对卫星网络与太空设施的攻击威胁日益严峻，相应的国际行为规范、威胁情报共享与联合响应机制尚未建立。因此，太空算力商业化不仅取决于技术成熟度，更受制于地缘政治博弈，国际社会能否突破主权壁垒，在资源分配、风险分担、监管协同等维度形成有效治理体系，将直接决定其规模化落地进程。
