Source: The Conversation – France in French (2) – By François Graner, Directeur de recherche CNRS, Université Paris Cité
Les centres de données et de calcul, ou data center, permettent de stocker, traiter et distribuer des volumes considérables de données. Les annonces de construction se multiplient, notamment autour de l’essor de l’IA, mais ils commencent à rencontrer des oppositions, car ils entrent en compétition avec d’autres usages de l’eau et de l’électricité. Des propositions récentes, émanant des big techs (Google, Elon Musk…) et d’autres acteurs, est d’éviter ces conflits d’usage en envoyant des centres de données dans l’espace, ce qui créerait de nouveaux problèmes. Pour évacuer la chaleur qu’ils génèrent, il faudrait des infrastructures spéciales et de très grandes tailles.
La puissance de calcul des centres de données est exprimée en watt : cette unité de mesure de la consommation énergétique instantanée est bien révélatrice de la taille de ces supercalculateurs. Ainsi, le centre de données parisien de Telehouse, qui a été un noyau central pour plus de 80 % du trafic Internet direct en France depuis les années 80, a une puissance de vingt millions de watts (20 mégawatts).
Aujourd’hui, plusieurs projets promettent de changer d’échelle. Le Campus IA, en Seine-et-Marne, qui devait initialement atteindre plus d’un milliard de watts (1 gigawatt), vise désormais trois gigawatts. Le japonais SoftBank annonce de son côté construire cinq gigawatts répartis en trois centres dans les Hauts-de-France.
Comprendre les échelles en jeu pour appréhender les problèmes des centres de données terrestres
Un gigawatt d’électricité correspond à la consommation de deux millions de foyers. Pour le fournir, il faut mobiliser un réacteur nucléaire (environ). Chacun des nouveaux gros projets de centre de données devrait donc voir en miroir émerger une production équivalente d’électricité (nucléaire ou non), ou un changement drastique de la répartition actuelle de la consommation électrique, ce qui peut provoquer des « conflits d’usage » : lorsqu’une certaine quantité d’énergie utilisable est produite, préfère-t-on alimenter un centre de données ou des habitations ?
Par ailleurs, il faut souligner que la puissance électrique qui fait fonctionner les machines finit toujours en chaleur. Pour un centre de données d’un gigawatt, il faut in fine évacuer un gigawatt de chaleur. En pratique, l’évacuation de la chaleur se fait grâce à un fluide qui circule au plus près de la zone à refroidir, capte sa chaleur et l’évacue vers l’atmosphère. Ce fluide peut être de l’eau, avec ici aussi des difficultés liées à l’allocation des ressources, surtout en été. Une alternative est d’utiliser de l’air pour le refroidissement, ce qui nécessite d’énormes ventilateurs et génère des nuisances sonores.
Des projets de centres de données dans l’espace
D’où l’idée d’envoyer ces centres de données dans l’espace : Suncatcher de Google, AI1 d’Elon Musk ou encore Sophia Space.). Mais ce n’est pas si vert, ni si simple.
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Pourrait-on faire fonctionner des data centers dans l’espace ?
Au-delà du problème bien réel de générer suffisamment d’électricité pour alimenter un centre de données, il y a le problème du refroidissement. En effet, dans le vide de l’espace, il n’y a pas d’eau ni d’air à disposition. Le transport de la chaleur au loin ne peut se faire que par le rayonnement, c’est-à-dire grâce à la lumière émise par tout objet. C’est ce que font des braises chaudes : elles rayonnent de la lumière qui réchauffe leur environnement (et finissent par se refroidir). Car selon une loi classique de la physique, le rayonnement croît très fortement avec la température : à la puissance 4 (au carré, et encore au carré) de celle-ci.
Pour évacuer la chaleur produite par les composants internes d’un satellite, il faut capter cette chaleur (de l’air ou de l’eau par exemple), pour l’amener vers des panneaux qui vont la rayonner vers l’espace. Afin d’éviter des déformations mécaniques, ces panneaux ne doivent pas être trop chauds. Or, en fonctionnant à une température « raisonnable », leur efficacité est faible et il faut une grande surface pour évacuer une puissance thermique donnée.
En pratique, comment marche le refroidissement dans l’espace ?
Les entreprises communiquent peu sur le refroidissement de leurs centres de données, sur Terre comme dans l’espace. Pour se faire une idée, nous pouvons nous référer à un cas où les données sont publiques : celui de la Station spatiale internationale (ISS).
Les machines de l’ISS consomment une puissance électrique moyenne de 126 kilowatts. Pour éviter que l’intérieur de l’habitacle ne ressemble à une serre tropicale, il faut évacuer la chaleur produite. Les concepteurs de l’ISS l’ont donc dotée de 645 mètres carrés de panneaux rayonnants, dont la masse totale est d’environ 10 tonnes. Dans chacun circule de l’ammoniac liquide à environ -40 °C (ce fluide a d’excellentes performances pour les installations de réfrigération aussi puissantes) jusqu’aux panneaux de refroidissement qui rayonnent vers l’espace par leurs deux faces.
À titre indicatif, extrapolons la capacité de rayonnement des panneaux de l’ISS (195 watts pour chaque mètre carré de panneau) aux projets de centres de données orbitaux. Pour rayonner un gigawatt de puissance thermique, il faudrait une surface un peu supérieure à cinq kilomètres carrés, soit 730 terrains de foot, ou la superficie du XVIIe arrondissement de Paris. On pourrait éventuellement diminuer cette surface par deux ou trois en augmentant la température du fluide jusqu’à 20 °C en remplaçant l’ammoniac.
Du poids en orbite
Un mètre carré de panneau de refroidissement dans l’ISS pèse 15 kilogrammes, soit 15 000 tonnes par kilomètre carré, soit 75 000 tonnes pour nos cinq kilomètres carrés. C’est supérieur à toute la masse mise en orbite par l’humanité depuis le premier Sputnik !
Avec le plus gros lanceur actuel (le Starship de SpaceX, qui n’est pas encore opérationnel mais devrait pouvoir envoyer environ 100 tonnes en orbite basse à chaque lancement), il faudrait 750 tirs pour mettre en orbite les panneaux de refroidissement. Il resterait ensuite à envoyer l’essentiel : les processeurs informatiques, les panneaux solaires, câbles, tuyaux, caissons…
À la demande de la Commission européenne, l’agence Carbone 4 a déterminé que placer un centre de données dans l’espace multiplie par dix son empreinte carbone, essentiellement à cause du lancement. Cette étude précise bien qu’elle ne considère pas les nombreux effets secondaires ni les impacts écologiques autres que le CO2. Or le pire effet est l’impact des particules fines, émises tant au lancement qu’à la rentrée dans l’atmosphère, à la fois sur le climat et sur la couche d’ozone.
Renouvellement du matériel
Autre sujet de préoccupation : on ne peut pas envoyer des réparateurs dans l’espace à chaque panne. Or le matériel, soumis à des radiations et des contraintes, s’y dégrade plus rapidement que sur Terre.
Indépendamment, comme les différentes caractéristiques des ordinateurs évoluent fortement sur une échelle de deux ans environ, pour garder le centre de données compétitif en termes de capacités, il faut le renouveler fréquemment. Suite à ces remplacements, que deviennent les anciens processeurs ? Il y a deux options : soit on laisse les déchets en orbite, soit on les laisse tomber sur la Terre.
La première option pose le problème des débris spatiaux, démultiplié par l’énorme surface des panneaux de refroidissement, qui rend les centres de données vulnérables aux débris spatiaux. Comme toute collision engendre à son tour de nouveaux débris, ce cercle vicieux est un verrou majeur au déploiement de grandes structures dans l’espace selon la NASA. La seconde option est la désorbitation, une famille de techniques pour provoquer la chute des débris, avec des succès variables, toujours selon la NASA, et des pollutions de la haute atmosphère.
Que faire ?
Compte tenu de ces ordres de grandeur, s’il faut vraiment des centres de données, il semble plus sage de remiser dans le fond d’un tiroir cette idée de les envoyer dans l’espace. D’un point de vue écologique, la moins mauvaise solution serait d’assumer sur Terre leurs nombreux inconvénients : ressources d’eau et d’électricité privatisées de facto, nuisances sonores pour la population locale, et baisse de la biodiversité.
Plus généralement, sur une Terre aux ressources finies, il faut faire des choix. En l’occurrence, entre multiplier les centres de données, ou décroître massivement nos consommations d’énergie et de matériaux pour préserver l’habitabilité de notre planète.
Cet article a bénéficié de discussions avec François Briens (économiste et ingénieur systèmes énergétiques), Aurélien Ficot (formateur et ingénieur sciences environnementales), Jean-Manuel Traimond (auteur et conférencier).
François Graner est membre de l’association « Les amis de la Décroissance »
Carine Douarche, Emmanuelle Rio et Roland Lehoucq ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’ont déclaré aucune autre affiliation que leur poste universitaire.
– ref. Centres de données dans l’espace : ni écologiques, ni économes – https://theconversation.com/centres-de-donnees-dans-lespace-ni-ecologiques-ni-economes-286074