Нагреет ли дата-центр Microsoft море вокруг
В рамках проекта Natic Microsoft опустила на дно Северного моря свой дата-центр. Некоторые экологи выражают опасения, что размещение источника тепла может нанести вред экологии. Бен Катлер из «Майкрософт» утверждает, что «в худшем случае температура может повыситься на тысячные доли градуса». Я решил посчитать и выяснить, кто прав.
Основная промысловая рыба в Северном море — сельдь. Многолетний интенсивный промысел сельди, камбалы, пикши, привел к сокращению их запасов, к снижению восстановительной способности этих видов. Кроме того, с начала 60-х море стало одним из крупных мировых центров добычи нефти из подводных недр, что отрицательно сказалось на его биологических условиях, и прежде всего на рыбных ресурсах. Сейчас экологическую обстановку в Северном море оценивают как предкризисную. Попробуем посчитать, что станет с температурой, если дата-центр будет работать на полную мощность, и не станет ли сельди вокруг еще грустнее.
Дата-центр затопили возле Оркнейских островов (Шотландия).
Судя по карте климатических значений на поверхности мирового океана, данная зона попадает в распределение от 5 до 10 градусов.
Но это на поверхности воды, а что же на глубине в 37,5 метров, куда «уронили» этот дата-центр? Тут нам на помощь приходит познавательная статья про Северное море, из которой следует, что температура на поверхности воды и на глубине если и отличается, то незначительно. Но в районах с глубиной до 50 метров существует гомотермия или близкое к ней состояние. Гомотермия — это когда температура одинакова в большом объеме воды и равна 4°С. Это соотносится с картой распределения, так что примем за факт, что температура воды вокруг дата-центра равна этим самым 4 градусам.
Течений в зоне Оркнейских островов, судя по картам, особо не наблюдается. Так что для расчетов пренебрегаем тем, что температура может колебаться. Крупные теплые или холодные потоки через острова не проходят, поэтому ситуация там стабильная.
Таким образом, у нас есть условный огромный бассейн с соленой водой, в который опустили дата-центр. Чтобы посчитать, как же будет влиять огромная греющаяся капсула на температуру в море, нам для начала нужно вычислить массу моря. Объем моря известен — это 49 тысяч кубических километров. Переводим это в систему СИ и получаем 49 000 000 000 кубометров или (49 000 000 000 000 литров). Плотность воды — 1000 кг/м3. Но у нас-то вода соленая, так что просто взять 1000 мы не можем. Соленость воды в разное время года и в зависимости от течений меняется, но средний показатель — это 32‰. Зная этот показатель и температуру в 4 градуса, можно рассчитать плотность воды в нашем условном бассейне. Она составила 1025 кг/м3, это значение и будем использовать в дальнейшем.
Итак, у нас есть объем нашего моря и его плотность. Для простоты рассчета мы принимаем, что наш бассейн однородный, плотность у него везде одинаковая, температура тоже. Более того, чтобы получить относительно простой результат, придется принять за данность еще одну вещь: у моря не испаряется вода и нет теплообмена с дном. Грубо говоря, это вода, заключенная в герметичный сосуд (да-да, объемом 49 триллионов литров), который находится в вакууме.
Возвращаемся к массе моря. Тут все очень просто. Умножаем объем на плотность и получаем:
49 000 000 000×1025 = 50 225 000 000 000 кг = 50 225 000 000 000 000 г.
У нас была масса Северного моря, температура на глубине 37,5 метров, плотность соленой воды, капсула длиной 12 метров, незначительные подводные течения, испарение воды, теплообмен с дном, конвекция, неизвестный металл дата-центра и серверные стойки с потреблением 250 кВт. Не то, чтобы это все было нужно для заботы об экологии, но раз начал рассчитывать странные вещи, то иди в своем увлечении до конца. Единственное, что меня беспокоило — это конвекция. В мире нет ничего более непредсказуемого и хаотического, чем конвекция воды на глубине 37,5 метров. Но я понимал, что довольно скоро мы в это окунемся.
Примерно на этом моменте своих рассчетов я понял, что недостаточно допущения, что море — это бассейн в сосуде в вакууме. Т.к. чтобы посчитать все максимально точно, нужно учитывать теплообмен, конвекцию, а затем уже брать разные временные сегменты, т.к. летом и зимой море ведет себя по-разному. А еще где-то нужно достать много исходных данных, которых нет. Например, мы не знаем, из чего именно сделана капсула с дата-центром. Но раз уж у нас все равно бассейн с водой в вакууме, должной точности мы все равно не получим. А значит, надо хотя бы дойти до исходной цели — понять, как повлияет выделение тепла серверов на море (наше условное море в вакууме, конечно).
Перейдем на время к капсуле. У нас есть данные, что ее длина 12 метров, диаметр — 2,8 метра (с внешними компонентами — до 3,18 м), а внутри она вся заполнена осушенным азотом. Но в открытом доступе нет сведений о материале стенок и других параметров, чтобы корректно рассчитать теплопроводность. Зато в пресс-релизе на сайте удалось найти полезный показатель, что при максимальной нагрузке дата-центр потребляет 240 кВт. Вот это мы и будем использовать. Допустим (да, много допущений, но без них никак), что капсула очень крутая и теплопроводности стенок достаточно, чтобы отводить все, что сервера потребляют. И что вся энергия, поступившая в капсулу, преобразуется в тепло и нет никаких потерь.
Что ж, достаточно теперь просто перевести мощность в количество теплоты, то есть, ватты в джоули. Т.к. Вт — это Дж/с, просто умножим 240 000 Вт на количество секунд в году. Будем считать за год, т.к. на мелких отрезках получим слишком нерепрезентативные значения (цифры с огромным количеством нолей после запятой)
240 кВт * 365 дней = 240 000 Вт * 365 дней * 24 часа * 60 минут * 60 секунд =
240000×365*24×60*60 = 7 568 640 000 000 Дж.
Получили количество теплоты, которое вырабатывает наша вундервафля за один год.
Теперь посмотрим, сколько теплоты нужно, чтобы нагреть море на 1 градус. Формула тут тоже относительно простая: Q=c*m*t, где где Q — количество теплоты, m — масса тела, t — разность между начальной и конечной температурами тела (в нашем случае — 1 градус), c — удельная теплоемкость вещества.
Масса моря у нас есть. Удельную теплоемкость возьмем из справочника, она составляет 3,898 Дж/(г·°C). Тут очень важно не запутаться в размерностях, массу берем именно в граммах.
50 225 000 000 000 000 г. * 3,898 Дж/(г·°C) * 1 = 195 777 050 000 000 000 Дж.
Вот такое количество теплоты нужно, чтобы нагреть Северное море на 1 градус, если не учитывать, что оно вообще-то часть океана.
Найдем отношение количества теплоты от сервера к тому, которое нужно для нагрева моря на 1 градус.
7 568 640 000 000 / 195 777 050 000 000 000 = 0,000038
Таким образом, за 1 год дата-центр Microsoft нагреет наше вакуумное море даже не на 1 градус, а на 0,000038 градуса. А если теперь вспомнить, что в море есть конвекция, течения, теплообмен с дном, потери при преобразовании энергии, непостоянную нагрузку на дата-центр, то, что это море на самом деле часть океана, и прочие, и прочие… Получается, что никакого значимого эффекта на температуру воды дата-центр не окажет. Так что решение опустить сервер в море для пассивного охлаждения — верное, а сельдь может спокойно плавать. Спасибо, что дочитали.
P.S. Если вы нашли какие-то неточности в расчётах или знаете, как правильно прикинуть конвекцию на глубине 37,5 метров, пишите в комментариях.
