坐落于四川省稻城县海子山的国家重大科技基础设施项目——高海拔宇宙线观测站“拉索”，因有望破解宇宙线起源这一“世纪难题”而备受瞩目。鲜为人知的是，进入科学运行阶段以来，这个庞大的观测体系，每时每刻都在接收和处理着巨大的海量数据，而它们的储存和处理可是个大难题。
高海拔宇宙线观测站“拉索”实景图。中科院供图
建立在“拉索”观测基地的海子山数据中心海拔4410米，是全球最高的数据中心之一。高密度服务器的散热问题，一直是制约服务器高密度计算、可靠运行的瓶颈，因此而产生的高能耗也给基地供电造成额外压力。
那么，它是如何实现降温的呢？目前，我国还有哪些前沿的降温技术？
大科学装置需要一个“降温”利器
中国工程院院士顾国彪和中国科学院电工研究所研究员阮琳带领团队，经过数十年的研究和发展，成功研发出具有完全自主知识产权的蒸发冷却技术。这一技术给高密度服务器散热问题的破解带来了希望。
据阮琳介绍，传统数据中心一般采用服务器强迫通风 结合机房空调制冷的传统风冷技术，实现服务器的降温。海子山数据中心由于地处高海拔，空气稀薄，传统风冷技术难以解决CPU的局部过热问题。这不仅限制了数据中心的配置规模，对数据中心的能耗也提出了巨大的挑战。
为解决高密度服务器冷却问题，散热能力更强的液冷技术逐步成为该领域的热点，随之也产生了水冷和蒸发冷却两种具有代表性的液冷技术方案。与传统风冷相比，水冷技术的冷却性能得到了大幅度提升，但强迫水循环冷却系统存在电气绝缘、腐蚀性和泄漏问题，导致水冷服务器的运行维护工作量极大，为服务器长期安全可靠运行带来了重大隐患。
“我们的蒸发冷却方式，利用液体冷却工质液气相变原理进行热量交换，冷却工质的液气密度差在重力加速度的作用下自动循环流动，无须外部旋转机械提供循环动力，因此冷却系统运行在零压附近，降低了冷却工质泄漏的风险，冷却工质的循环完全不消耗电能。”阮琳告诉中青报·中青网记者，蒸发冷却方式使用的液体冷却工质本身具有很高的电气绝缘特性，能够对电子信息设备提供很好的绝缘保护作用。
这个数十年磨一剑的蒸发冷却技术，已先后应用于李家峡400兆瓦、三峡700兆瓦水轮c，以及国家大科学装置“兰州重离子加速器”的ECR离子源磁体。经过长期积累，蒸发冷却技术已形成了较为完整的基础理论体系、分析工具和设计方法。
如今，这个技术也为高海拔观测站数据中心的可靠运行提供重要科技支撑，助力大科学装置“拉索”高效运行。
2021年5月17日，建设中的“拉索”在银河系内发现2个能量超过1拍电子伏特的光子，是人类至今观测到能量最高的光子。相关研究成果已发表于《自然》（Nature）杂志。国家高能物理科学数据中心主任陈刚表示，电工研究所先进的表贴式无泵自循环蒸发冷却系统绿色节能，为“拉索”数据采集系统以及在站数据处理系统的稳定运行提供了有力保障。
阮琳介绍，自2019年11月投运以来，“拉索”数据中心蒸发冷却服务器运行稳定，冷却效果良好，节能显著，实测服务器机柜电能使用效率（PUE）为1.03。这一数据再次证明了蒸发冷却技术在电气装备与电子信息设备领域的独有优势。
除了这次应用于大科学装置的蒸发冷却技术，我国还有哪些前沿的降温技术呢？
零下271℃，我国也可以
近日，由中国科学院理化技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收及成果鉴定，标志着我国具备了研制液氦温度4.2K（零下269摄氏度）千瓦级、超流氦温度2K（零下271摄氏度）百瓦级大型低温制冷装备的能力，打破了国外技术垄断，使我国大型低温制冷技术进入国际先进行列。
液氦到超流氦温区大型低温制冷装备是航空航天、氢能源、氦资源、国家大科学装置等战略领域不可或缺的核心基础。多年来，我国大型低温制冷装备全部依赖进口，但关键核心部件以及用于特殊领域的专用制冷装备国外一直对我国实行禁运。
中科院理化所依靠几十年低温技术的深厚积累，在洪朝生院士、周远院士指导下，通过一代代低温科技工作者的不懈努力，坚持走自主创新道路，经过五年多拼搏攻关，自主研制出了大型氦制冷机，并取得了一系列核心技术突破。
百瓦级大型制冷机实现了成功应用，包括用于宁夏盐池液化天然气闪蒸汽提氦项目，初步打通了我国氦资源开发的技术链条；应用于直线加速器；出口应用于韩国核聚变大科学装置等。
该项目的成功实施，带动了我国高端氦螺杆压缩机、低温换热器和低温阀门等行业的快速发展，提高了一批高科技制造企业的核心竞争力，使相关技术实现了从无到有、从低端到高端的提升，在我国初步形成了功能齐全、分工明确的低温产业群。
宇航级“降温神器”
这是个看上去极不起眼的东西。它只有巴掌大小，掂在手上有些沉。它的造型挺特别，一根细细的金属管像根扁担一样，挑着两头有些粗的金属柱体，其中一头的金属柱体上还接着半截比小拇指略细的管子。
中国科学院理化技术研究所（以下简称中科院理化所）研究员赵密广指出，现在要做出这个东西，大概要花上百万元人民币，不过，在2000年之前，无论花多少钱，国外都不肯把它卖给中国。
它就是曾经困扰了中国光学遥感卫星数十年的“降温神器”—— 宇航级脉冲管制冷机，一个可以将局部温度快速降低到零下200摄氏度，而且好多年都不会坏的高科技产物。它在中国的诞生和发展，得益于中科院科研人员的一场长跑。
1月25日，搭载了三台国产脉冲管制冷机的“资源一号02E”卫星成功获取高质量图像。这三台脉冲管制冷机是中科院理化所研制并成功应用于空间项目的第26、27、28台宇航级脉冲管制冷机。
脉冲管制冷技术就是机械制冷技术的一种。1963年，美国科学家偶然发现，当一根中空管子内存在交变压力波时，它的封闭端会发热，沿管轴向可形成很大的温度梯度，基于此，他们研制出了脉冲管制冷机。1984年，苏联科学家对脉冲管制冷机进行改造，使其制冷效率提升一大截，相关研究热度也随之升温。
指着手心里的脉冲管制冷机，陈厚磊介绍：“这个跟小拇指差不多的部位，叫‘冷指’（cold finger）。这种小的制冷机能在几分钟内就把指尖的部位降低到零下200度。我们把探测器装在指尖上，探测器温度降低之后就可以清楚地去看地球了。”
上世纪80年代，中科院低温技术实验中心（中科院理化所组成单位之一）在国内率先开始了脉冲管制冷技术的基础研究。到90年代，他们已经数次创造最低制冷温度记录，取得一系列原创性成果，还曾获得国际制冷学会“卡皮查奖”和“林德奖”。
1998年，美国率先将脉冲管制冷机工程化并用于空间项目。而我国虽然在脉冲管制冷的基础研究方面取得世界领先的成果，光学遥感卫星却一直苦于没有自己的空间制冷机。“当时研制单位只能进口国外的，而且宇航级制冷机对我国是禁运的，他们只能想尽各种办法买地面级的制冷机。”赵密广说。
之所以说“苦”，是因为进口来的地面级制冷机寿命不到宇航级的十分之一，而且经常会出问题，而卫星升空之后，无法像在地面上时那样可以随时修理。一旦在轨失效，就可能使国家付出惨重代价。
90年代后期，在国家杰出青年科学基金、中科院及其他有关部门的支持下，中科院理化所研究团队开始向应用研究整体转型。面向国家空间遥感和红外探测领域的重大需求，他们从故纸堆中走出来，开始脉冲管制冷机工程化和空间应用研究。从2000年开始，团队获得了国家航天部门的系统性支持。
从理论走向工程的路上，处处都是挑战。“我们要做的是宇航级产品，制冷机未来要在天上工作，必须保证8年、10年乃至更长时间不能坏。”陈厚磊说。
制冷机中充的是氦气，他们必须通过可靠的焊接和密封技术，保证氦分子极低的泄漏率。气体的压缩膨胀靠的是活塞，他们必须让活塞和筒壁之间既接近又不接触，保证活塞在不能用油的情况下不出现磨损。活塞运动靠的是平面弹簧支撑，他们必须想方设法地保证弹簧不能歪，更不能断。
每一项“必须”，都意味着一份压力。“当时我们碰到了一些问题，很长一段时间都推进不了，大家士气一度很低落。”赵密广说。
早晨8点汇总进度，晚上12点下班，日子就这样过去了8年。这8年里，日月星辰见证了他们的攻关之路：他们研制的脉冲管制冷机实现钛合金全焊接；活塞和气缸之间的距离达到微米级别；板弹簧在抗疲劳实验中能够运动100亿次以上，甚至还有一个弹簧的抗疲劳实验跑了10多年，至今仍没出问题。2008年，在中科院理化所空间功热转换技术重点实验室现任主任梁惊涛研究员的带领下，他们研制出我国首台空间长寿命脉冲管制冷机，并成功进行了在轨验证，我国空间制冷机实现了从无到有、从跟踪到进入国际最新一代发展阶段的历史性跨越，我国也由此成为继美国之后第二个掌握空间脉冲管制冷技术的国家。此后，红外谱段光学卫星发展的“拦路虎”被一脚踢开，国家一系列卫星型号的规划论证紧锣密鼓展开。
技术创新催生了需求，需求又反过来促进了技术的发展。随后十多年里，我国星载红外探测器的发展，对星载脉冲管制冷机不断提出了更高的要求。
2018年5月9日，高分五号卫星发射成功，其上搭载了由中科院理化所研制的大冷量长寿命脉冲管制冷机。
这颗卫星承载了我国首台覆盖可见光、近红外光、短波、中波、长波红外谱段的全谱段光谱成像仪，较之以往的光学探测器，它更大也更重。为了适应需求，制冷机项目组大胆采用新方案，将制冷机原本只能承载十几毫米大小、几克重量冷平台的冷指，设计得可以承载百毫米级大小、一公斤重量的探测器组件。
最初几年，将设计变成现实的道路是坎坷的。作为主任设计师的陈厚磊永远也忘不了那时的感受：“差点整抑郁了，老失败，今天去开会，提出个方案，回来做设计、出图、加工、失败，第二天接着开会，更新方案，回来做设计、出图、加工、失败……”经历的失败越多，成功的喜悦就越发刻骨铭心。“这是国际首创的新型方案！”说这话时，陈厚磊的眼中闪着光。
2021年12月26日11时11分，“资源一号02E”卫星在太原卫星发射中心成功发射，其上搭载的长波红外探测器必须在零下193摄氏度的低温环境中工作，这台探测器比高分五号上的光谱成像仪更大，对脉冲管制冷机冷却面积的要求是高分五号的两倍。
研制过程中，科研人员遇到了从未遇到过的难题。“‘资源一号02E’卫星的设计寿命为10年，高于以往的8年寿命要求，为满足项目需求，我们提出了利用切换装置备份压缩机的方案，在增加有限重量的情况下，大幅度提高了制冷机的寿命。”这款脉冲管制冷机的主任设计师、中科院理化所副研究员刘彦杰告诉记者。
“在冷指设计时，我们采用的大面积冷板因为热胀冷缩而出现了变形问题，承载其上的探测器很容易因此被折断。”这款脉冲管制冷机的冷指设计师、中科院理化所副研究员全加回忆，经过无数次讨论和调试，他们对冷板进行了全新的材料匹配，最终解决了问题。
如今，他们已研制出了形态、性能各异的宇航级脉冲管制冷机，其中发射入轨的已有28台。每一个项目都充满着挑战，这些挑战成为脉冲管制冷机的研制团队前进的动力。“我们正在研制冷量超过百瓦、温度接近绝对零度、重量低至几百克的更先进的空间低温制冷技术。”梁惊涛说，团队将以空间脉冲管制冷机的成功研制作为基础，继续发扬“勇于挑战，勇于拼搏”的精神，勇担国家责，为满足未来空间低温制冷需求砥砺前行。
在宇航级低温制冷机的技术发展道路上，这场长跑还在继续。
尾声
低温作为凝聚态物理、现代高能物理、粒子物理、空间物理、核能等研究的基础，既是物理学前沿研究不可或缺的手段，也在基础物理、医疗卫生、工业技术、资源环境和空间技术等领域有广泛应用。
这些科技成果就像指路明灯，点亮了研究人员心中勇攀科学高峰的希望。
