Tento článek je součástí série věnované .
– plán SpaceX poskytovat internet prostřednictvím desítek tisíc satelitů – je hlavním tématem v kosmické žurnalistice. Každý týden vycházejí články o nejnovějších pokrocích. I když je obecný koncept jasný, po prostudování , může dobře motivovaný člověk (řekněme, váš skromný sluha) zjistit spoustu detailů. Nicméně, s touto novou technologií je stále spojeno mnoho nedorozumění, i u vzdělaných komentátorů. Často se objevují články, v nichž je Starlink srovnáván s OneWeb a Kuiper (mezi jinými), jako by si konkurence byla rovna. Další autoři, kteří jsou zjevně znepokojeni dobrem planety, křičí o vesmírném odpadu, vesmírném právu, normách a bezpečnosti astronomie. Doufám, že po přečtení tohoto – poměrně dlouhého – článku čtenář lépe pochopí a pronikne do myšlenky Starlink.
nečekaně zasáhla citlivou strunu v duších mých málo čtenářů. V něm jsem vysvětloval, jak Starship dlouhodobě postaví SpaceX do čela a zároveň poskytne mechanismus pro nové výzkumy vesmíru. Podtext je, že tradiční satelitní průmysl nedokáže držet krok se SpaceX, která stabilně zvyšuje kapacity a snižuje náklady na rodinu raket Falcon, což SpaceX staví do obtížné situace. Na jedné straně utváří trh v hodnotě, v lepším případě, několika miliard ročně. Na druhé straně vzbuzuje v sobě neukojitelnou touhu po penězích – na stavbu obrovské rakety, na které však téměř není koho posílat na Mars, a navíc nelze očekávat okamžitý zisk.
Řešením tohoto dvojího problému je Starlink. Sběrem a vysláním vlastních satelitů by SpaceX mohla vytvořit a určit nový trh pro vysoce efektivní a demokratizovaný přístup k komunikaci prostřednictvím vesmíru, zajistit příliv financí na stavbu rakety, dokud ji ještě nepotopila společnost, a zvýšit svou ekonomickou hodnotu na triliony. Nelze podceňovat rozsah ambicí Ilona. Existuje jen několik odvětví, ve kterých se točí triliony dolarů: energetika, vysokorychlostní transport, komunikace, IT, zdravotnictví, zemědělství, vláda, obrana. I přes běžná nedorozumění, , a – podnikání, které není životaschopné. Ilon vtrhnul do oblasti energetiky se svým vozem Tesla, ale spolehlivý a výnosný trh pro satelity a raketové starty zajistí pouze telekomunikace.
Poprvé Ilon Musk obrátil svůj pohled k vesmíru, když chtěl bezvýznamně investovat 80 milionů dolarů do mise na pěstování rostlin na marsovském landeru. Stavba města na Marsu bude pravděpodobně stát 100 000krát více, takže Starlink je hlavní sázkou Muska na to, aby zajistil moře peněz, tolik potřebných pro sponsorování .
Proč?
Už nějakou dobu jsem plánoval tento článek, ale až minulý týden se mi vytvořil celistvý obraz. Tehdy presidentka SpaceX Gwynne Shotwell poskytla Robu Baronovi úžasný rozhovor, který pak osvětlil pro CNBC v nádherné Michael Shitz, a kterému se věnovali . Tento rozhovor ukázal obrovský rozdíl v přístupu k satelitní komunikaci mezi SpaceX a ostatními.
Koncept se zrodila v roce 2012, když si v SpaceX uvědomili, že jejich klienti – převážně poskytovatelé satelitní komunikace – mají obrovské zásoby peněz. Vypouštěcí platformy vyžadují vysoké ceny za rozmístění satelitů a přitom, jakým způsobem, opomíjejí jednu etapu práce – jak to? Ilon snil o vytvoření satelitní sítě pro internet a, neschopen odolat prakticky neuskutečnitelné úloze, zahájil proces. Vývoj Starlink , ale na konci tohoto článku, můj čtenáři, vás jistě překvapí, jak vlastně tyto obtíže jsou malé – s ohledem na rozmach myšlenky.
Je takové obrovské uskupení pro internet vůbec potřeba? A proč právě teď?
Jen co si pamatuji, internet se z čistě akademického rozmaru proměnil v první a jedinou revoluční infrastrukturu. Není to téma, které by stálo za obsáhlý článek, ale předpokládám, že globálně poptávka po internetu a příjmy, které přináší, budou i nadále růst zhruba o 25 % ročně.
Dnes téměř všichni dostáváme internet od malého počtu geograficky izolovaných monopolů. Ve Spojených státech AT&T, Time Warner, Comcast a hrstka menších hráčů rozdělili území, aby se vyhnuli konkurenci, a účtují si za služby přemrštěné ceny, čímž se těší téměř univerzální nenávisti.
Pro nekompetitivní chování mají poskytovatelé dobrý důvod — kromě všehroucích choutek. Vytvoření infrastruktury pro internet — mikrovlnné mobilní věže a optické vlákno — je velmi a velmi nákladné. Snadno se zapomíná na zázračnou podstatu internetu. Moje babička poprvé začala pracovat v druhé světové válce jako operátorka, přitom tehdy soutěžil telegraf o hlavní strategickou roli s holuby! Pro většinu z nás informační superdálnice představuje cosi efemérního, nemateriálního, přesto ale bity cestují fyzickým světem, v němž existují hranice, řeky, hory, oceány, bouře, přírodní katastrofy a další překážky. Již v roce 1996, kdy byla položena první optická linka po oceánském dně, . Svým typickým ostrým stylem živě popisuje holé náklady a složitosti pokládání těchto linií, po nichž se pak stejně řítili proklaté "katery". Většinu 2000. let byly kabely pokládány tak masivně, že náklady na nasazení byly ohromující.
V určitém období jsem pracoval v optické laboratoři a (pokud se nemýlím) my jsme překonali tehdejší rekord, když jsme dosáhli multiplexerové přenosové rychlosti 500 Gb/s. Elektronické omezení nám umožnilo zatěžovat každé vlákno na 0,1 % od teoretické propustnosti. Opatnáct let poté jsme připraveni překročit prahovou hodnotu: pokud data překročí tuto hranici, vlákno se roztaví, a jsme už velmi blízko tomuto bodu.
A stačí jen vztyčit datový tok nad hříšnou zemí – do vesmíru, kde satelit bez překážek oběhne "koulí" 30 000krát za pět let. Zřejmě zřejmé řešení – proč se tím nikdo dříve nezabýval?
Skupina satelitů Iridium, navržená a nasazená na počátku 90. let společností Motorola (pamatujete si je ještě?), byla první globální nízkoroční komunikační sítí (jak lákavě je popisováno v ). Když byla nasazena, její niche schopnost směrování malých datových paketů od sledovacích zařízení se ukázala jako její jediné využití: mobilní telefony se tak zlevnily, že satelitní telefony se nikdy neprosadily. Iridium mělo 66 satelitů (plus několik rezervních) na 6 orbitách – minimální set pro pokrytí celé planety.
Pokud Iridium stačilo 66 satelitů, proč SpaceX potřebuje desítky tisíc? Čím se tak liší?
SpaceX vstoupila do tohoto oboru z opačného konce – začala s vypouštěním. Stala se průkopníkem v oblasti zachování nosné rakety a tím ovládla trh s levnými startovacími plochami. Pokusy podbízet jejich nabídku nižší cenou nevydělají mnoho peněz, takže jediný způsob, jak na jejich nadbytečné kapacitě něco vydělat, je stát se jejich klientem. Náklady SpaceX na vypuštění vlastních satelitů jsou (za 1 kg) Iridium, a proto jsou schopni vstoupit na mnohem širší trh.
Globální pokrytí Starlink zajistí přístup k vysoce kvalitnímu internetu kdekoli na světě. Poprvé bude dostupnost internetu záviset nikoli na blízkosti země nebo města k optickému vláknu, ale na čistotě nebe nad hlavou. Uživatelé po celém světě získají přístup k globálnímu internetu bez okovů bez ohledu na míru korupce a/nebo nepoctivosti svých vládních monopolů. Schopnost Starlink narušit tyto monopoly katalyzuje neuvěřitelné pozitivní změny, které konečně spojí miliardy lidí do globální kybernetické komunity budoucnosti.
Malé lyrické odbočení: co to vlastně znamená?
Pro lidi, kteří dnes vyrůstají v éře všudypřítomného spojení, je internet jako vzduch, který dýcháme. Je prostě přítomen. Ale to je — pokud zapomeneme na jeho neuvěřitelnou sílu přinášet pozitivní změny — a už jsme v jejich středu. Díky internetu mohou lidé učinit své vůdce odpovědnými, komunikovat s jinými lidmi na druhém konci světa, sdílet myšlenky a vynalézat něco nového. Internet spojuje lidstvo. Historie modernizací je příběhem o vývoji možností pro výměnu dat. Nejprve — prostřednictvím řečí a epické poezie. Pak — písmem, které dává hlas mrtvým, a oni se obracejí k živým; písmo umožňuje uchovávat data a dělá asynchronní komunikaci možnou. Tisková média uvedla výrobu zpráv do pohybu. Elektronická komunikace urychlila převod dat po světě. Osobní zařízení pro uchovávání poznámek se postupně stávala složitější, vyvíjející se od zápisníků po mobilní telefony, z nichž každý je připojeným počítačem na internetu, nabitým senzory a s každým dnem stále lépe předpovídající naše potřeby.
Člověk, který používá psaní a počítač v procesu poznávání, má větší šanci překonat omezení nedokonale vyvinutého mozku. Eště potěšující je, že mobilní telefony jsou jak mocná zařízení pro uchovávání dat, tak mechanismy pro výměnu nápadů. Pokud dříve lidé při sdílení myšlenek spolehli na řeč, kterou napsali do bloknotes, dnes je normou, že pokud si zápisníky samy sdílejí myšlenky, které vytvořili lidé. Tradiční schéma prodělalo inverzi. Logickým pokračováním procesu je určitá forma kolektivního metakognice prostřednictvím osobních zařízení, a propojených mezi sebou. A přestože ještě nostalgicky vzpomínáme na ztracené spojení s přírodou a osamění, je důležité si uvědomit, že technologii a pouze technologii vděčíme za velkou část našeho osvobození od „přírodních“ cyklů nevědomosti, předčasné smrti (které se dá vyhnout), násilí, hladu a zničení zubů.
Jak?
Pojďme si promluvit o obchodním modelu a architektuře projektu Starlink.
Aby se Starlink stal ziskovým podnikem, měl by příliv prostředků překonávat náklady na výstavbu a provoz. Tradičně zahrnuje kapitálová investice zvýšené počáteční náklady, použití sofistikovaného specializovaného financování a pojistných mechanismů — to vše kvůli vypuštění satelitu. Geostacionární komunikační satelit může stát 500 milionů dolarů a jeho sestavení a vypuštění trvá 5 let. Proto společnosti v tomto odvětví současně budují také proudové letouny nebo kontejnerové lodě. Obrovské výdaje, příliv prostředků, který pokrývá sotva náklady na financování, a poměrně malý provozní rozpočet. Na druhou stranu, pád původního Iridia spočíval v tom, že Motorola donutila operátora zaplatit likvidační licenční poplatky, což firmu dostalo do bankrotu během několika měsíců.
Aby mohly tradiční satelitní společnosti vést podobný byznys, musely obsluhovat soukromé klienty a účtovat vysoké poplatky za přenos dat. Letecké společnosti, odlehlé stanice, lodě, válečné zóny a klíčové infrastrukturní objekty platí zhruba 5 dolarů za 1 MB, což je 5000krát dražší než náklady na tradiční ADSL spojení, a to i přes zpoždění v přenosu dat a relativně nízkou propustnost satelitního spojení.
Starlink plánuje konkurovat pozemním poskytovatelům služeb, což znamená, že by měl dodávat data levněji a ideálně účtovat mnohem méně než 1 dolar za 1 MB. Je to možné? Nebo bychom se měli zeptat: jak je to možné?
První ingrediencí nového receptu je levné vypuštění. V současnosti Falcon prodává vypuštění na 24 tun přibližně za 60 milionů dolarů, což znamená 2500 dolarů za 1 kg. Výsledkem však jsou mnohem vyšší vnitřní náklady. Satelity Starlink budou vypouštěny na raketách s opakovaným použitím, takže marginální náklady na jedno vypuštění jsou náklady na novou druhou stupeň (někde kolem 4 milionů dolarů), aerodynamické kryty (1 milion) a pozemní obsluhu (~1 milion). Celkem: nějakých 100 tisíc dolarů za satelit, tedy více než 1000krát levnější než vypuštění běžného komunikačního satelitu.
Většina satelitů Starlink však bude vypouštěna na Starship. A opravdu, evoluce Starlinku, jak ukazují aktualizované zprávy ve FCC, přináší jisté vnitřní architektura projektu. Celkový počet satelitů ve skupině vzrostl z 1 584 na 2 825, poté na 7 518 a nakonec na 30 000. Podle hrubých akumulací je číslo ještě vyšší. Minimální počet satelitů pro první fázi vývoje, aby byl projekt životaschopný, je 60 kusů na 6 orbitách (celkem 360), zatímco pro úplné pokrytí v rámci 53 stupňů od rovníku je potřeba 24 orbitů po 60 satelitech (celkem 1 440). To znamená 24 startů pro Falcon za nějakých 150 milionů dolarů interních nákladů. Starship je navržen tak, aby mohl vynést až 400 satelitů jednou, přibližně za stejnou cenu. Satelity Starlink musí být vyměňovány každých 5 let, což znamená, že 6 000 satelitů si vyžádá 15 startů Starship za rok. To vyjde na nějakých 100 milionů dolarů za rok, nebo 15 000 dolarů za satelit. Každý satelit vynášený na Falcon váží 227 kg; satelity vynášené na Starship by mohly vážit až 320 kg a nést na sobě externí přístroje, být o něco větší a přitom nepřekračovat povolenou zátěž.
Z čeho se skládá cena satelitů? Mezi svými vrstevníky jsou satelity Starlink poněkud neobvyklé. Jsou sestavovány, skladovány a vypouštěny v plochém tvaru, což je činí výjimečně jednoduchými pro hromadnou výrobu. Jak ukazuje praxe, výrobní náklady by měly orientačně odpovídat nákladům na startovací zařízení. Pokud je rozdíl v ceně velký, znamená to, že zdroje jsou špatně rozděleny, protože komplexní snížení maržových nákladů při poklesu výdajů není až tak výrazné. Je opravdu možné mít satelit za 100 tisíc dolarů při první sérii několika stovek? Jinými slovy, je satelit Starlink v konstrukci opravdu jednodušší než auto?
Aby plně odpovědět na tuto otázku, je třeba pochopit, proč cena orbitálního komunikačního satelitu je 1000krát vyšší, ačkoliv není 1000krát složitější. Pokud to řekneme zcela jednoduše, proč má kosmické „železo“ tak vysokou cenu? Důvodů je spousta, ale ten nejzásadnější v tomto případě je následující: pokud vynesení satelitu na orbit u (před Falcon) stojí více než 100 milionů, musí garantovaně fungovat mnoho let — aby přinesl alespoň nějaký zisk. Zajistit takovou spolehlivost při provozu prvního a jediného kusu — to je bolestivý proces, který může trvat roky a vyžaduje úsilí stovek lidí. Přidejte k tomu náklady a už snadno obhájíte další procesy, když už samotný start je tak drahý.
Starlink rozbíjí tuto paradigmu, vytvářejíc stovky satelitů, rychle opravujíc počáteční nedostatky v designu a přitahujíc techniky masové výroby pro řízení nákladů. Osobně si snadno dokážu představit výrobní linku Starlink, na které technik integruje do konstrukce něco nového a sestraňuje vše plastovým pásem (na úrovni NASA, samozřejmě) za hodinu nebo dvě, přičemž udržuje potřebnou úroveň výměny 16 satelitů/den. Satelit Starlink se skládá z mnoha složitých dílů, ale nevidím důvod, proč by cena tisícího kusu, který sjíždí z výrobní linky, nemohla klesnout na 20 tisíc. A opravdu, v květnu Ilon psal na Twitteru, že náklady na výrobu satelitu jsou již pod náklady na start.
Vezměme průměrný případ a analyzujme dobu návratnosti, zaokrouhlujíc čísla. Jeden satelit Starlink, jehož výroba a start stojí 100 tisíc, funguje 5 let. Zplatí se, a pokud ano, za jak dlouho?
Během 5 let obletí satelit Starlink Zemi 30 000krát. V každém z těchto jedno a půl hodinových obletů stráví většinu času nad oceánem a pravděpodobně 100 sekund nad hustě osídleným městem. V tomto krátkém okně transcebuje data a snaží se vydělat peníze. Pokud předpokládáme, že anténa podporuje 100 svazků a každý svazek přenáší 100 Mb/s, používající moderní kódování typu , satelit generuje 1000 dolarů zisku za jeden oběh — při ceně předplatného 1 dolar za 1 GB. To stačí k tomu, aby se náklady na nasazení ve výši 100 tisíc během jednoho týdne vrátily a výrazně zjednodušuje strukturu kapitálu. Zbývajících 29 900 oběhů je zisk po odečtení fixních nákladů.
Odhadované čísla se mohou výrazně lišit, a to jak směrem nahoru, tak dolů. Ale v každém případě, pokud dokážeš dostat kvalitní skupinu satelitů na nízkou orbitu za 100 000 — nebo klidně i za 1 milion/jednotku, — to je vážná nabídka. I s absurdně malým časem používání může satelit Starlink během své životnosti zprostředkovat 30 PB dat — při amortizované ceně 0,003 dolaru za 1 GB. Při přenosu na větší vzdálenosti však marži nákladů téměř nevzroste.
Abychom pochopili význam tohoto modelu, podívejme se letmo na srovnání s dvěma dalšími modely dodávky dat koncovým uživatelům: tradičním — optickým kabelem, a satelitní skupinou, kterou nabízí společnost, jež se na vypouštění satelitů nespecializuje.
, spojující Francii a Singapur, byl uveden do provozu v roce 2005. Propustnost je 1,28 Tb/s, náklady na nasazení činí 500 milionů dolarů. Pokud by fungoval 10 let na 100 % kapacity a provozní náklady by činily 100 % kapitálových výdajů, cena přenosu by činila 0,02 dolaru za 1 GB. Transatlantické kabely jsou kratší a mírně levnější, nicméně podmořský kabel je pouze jedním článkem v dlouhém řetězci lidí, kteří chtějí peníze za přenos dat. Průměrná cena pro Starlink se ukazuje být 8krát levnější a navíc mají „vše zahrnuto“.
Jak je to možné? Satelit Starlink zahrnuje veškerou složitou výbavu pro elektronické přepínání, která je potřebná pro spojení optických kabelů, pouze pro přenos dat místo drahého a křehkého drátu se používá vakuum. Přenos přes vesmír snižuje počet útulných a zastaralých monopolů, čímž uživatelům umožňuje spojení skrze ještě menší množství „železa“.
Srovnejme to s konkurujícím poskytovatelem satelitů OneWeb. OneWeb plánuje vytvořit soustavu 600 satelitů, které budou vypuštěny prostřednictvím komerčních dodavatelů za cenu přibližně 20 000 dolarů za 1 kg. Hmotnost jednoho satelitu je 150 kg, tj. za ideálních podmínek bude vypuštění jednoho zařízení stát přibližně 3 miliony. Cena satelitního "železa" je odhadována na 1 milion za satelit, tj. do roku 2027 bude celková cena celé soustavy činit 2,6 miliardy. Testy provedené společností OneWeb ukázaly propustnost 50 Mb/s na vrcholu, v ideálním případě, na každém z 16 paprsků. Následováním stejného vzorce, jakým jsme vypočítali náklady Starlink, dostáváme: každý satelit OneWeb generuje 80 dolarů na obrat, což za 5 let přinese 2,4 milionu — sotva pokryje náklady na vypuštění, pokud počítáme i přenos dat do odlehlých oblastí. Celkem tedy dostáváme 1,70 dolarů za 1 GB.
Nedávno citovali slova Gwynne Shotwellové o tom, že , což naznačuje konkurenceschopnou cenu 0,10 dolarů za 1 GB. A to ještě při počáteční konfiguraci Starlink: s méně optimalizovanou výrobou, vypuštěním na Falconu a omezeními v přenosu dat — a pouze s pokrytím severu USA. Z toho vyplývá, že SpaceX má nepopiratelné výhody: už dnes mohou vypustit mnohem kvalitnější satelit za cenu (za zařízení) 15krát nižší než u konkurence. Starship výrazně zvětší náskok, až 100krát, pokud ne více, takže si lze snadno představit, jak v roce 2027 SpaceX vypustí 30 000 satelitů za méně než 1 miliardu dolarů, přičemž většinu financí si zajistí z vlastního rozpočtu.
Jsem si jistý, že existují i optimističtější analýzy ohledně OneWeb a dalších slibných poskytovatelů satelitních soustav, ale zatím nevím, jak to u nich funguje.
Nedávno Morgan Stanley , že satelity Starlink budou stát 1 milion za sestavení a 830 tisíc za vypuštění. . Zajímavé je, že čísla jsou podobná našim výpočtům ohledně nákladů OneWeb a zhruba 10krát vyšší než odhad počáteční verze Starlink. Využití Starship a průmyslové výroby satelitů může snížit náklady na rozmístění satelitů na přibližně 35 tisíc za jednotku. A to je překvapivě nízké číslo.
Zůstal poslední bod — porovnat zisk na 1 W vytvořené solární energie pro Starlink. Podle fotografií na jejich webových stránkách má sluneční baterie každého satelitu plochu přibližně 60 m², tedy průměrně generuje zhruba 3 kW nebo 4,5 kWh za oběh. Podle hrubého odhadu každý oběh přinese 1000 dolarů, zatímco každý satelit vygeneruje přibližně 220 dolarů na kWh. To je 10 000krát víc, než je velkoobchodní cena solární energie, což opět potvrzuje: . A modulace mikrovln pro přenos dat — nepřiměřeně vysoké náklady.
Architektura
V předchozí části jsem poměrně hrubě představil netriviálně významnou část architektury Starlink — jak funguje při velmi nerovnoměrné hustotě obyvatelstva na planetě. Satelit Starlink vysílá zaostřené paprsky, které vytvářejí skvrny na povrchu planety. Předplatitelé v oblasti skvrny sdílejí jednu šířku pásma. Rozměry skvrny jsou určeny základní fyzikou: původně je její šířka (výška satelitu × délka mikrovlny / průměr antény), což pro satelit Starlink v nejlepším případě činí pár kilometrů.
Ve většině měst je hustota obyvatelstva přibližně 1000 osob/km², ačkoliv se místy dostává i výše. V některých oblastech Tokia nebo na Manhattanu může na skvrnu připadat více než 100 000 lidí. Naštěstí v jakémkoliv hustě osídleném městě existuje konkurenční vnitřní trh s širokopásmovým internetem, nemluvě o vysoce rozvinuté mobilní telefonní síti. Ale, bez ohledu na to, jestli je v jakémkoli jednotlivém okamžiku nad městem přítomná řada satelitů jedné skupiny, lze kapacitu zvýšit prostorovým rozložením antén, stejně jako rozdělením frekvencí. Jinými slovy, desítky satelitů mohou zaměřit nejsilnější paprsek na jednom bodě, zatímco uživatelé v tomto regionu využijí pozemní terminály, které rozdělí požadavek mezi satelity.
Pokud je na počátku nejvhodnějším trhem pro služby venkovské nebo předměstské oblasti, pak prostředky na další spuštění přicházejí z kvalitnějších služeb pro hustě osídlená města. Tento scénář je přesně opačný k standardnímu modelu expanze trhu, kde konkurenční služby zaměřené na města nutně docházejí k poklesu zisků při pokusu o expanze do chudších a méně zalidněných oblastí.
Před několika lety, když jsem provedl výpočty, .
Na základě těchto dat jsem vytvořil 3 grafy níže. První ukazuje frekvenci pozemních ploch podle hustoty osídlení. Nejzajímavější je, že většina Země není osídlena, zatímco v žádném regionu není více než 100 lidí na km².
Druhý graf ukazuje frekvenci lidí podle hustoty osídlení. Ačkoliv většina planety není osídlena, většina lidí žije v oblastech s hustotou 100–1000 lidí na km². Rozšířená povaha tohoto vrcholu (o pořádek větší) odráží bimodalitu v schématech urbanizace. 100 lidí na km² je relativně slabě osídlený venkov, zatímco číslo 1000 lidí na km² je již charakteristické pro předměstí. Městská centra snadno ukazují 10 000 lidí na km², zatímco populace Manhattanu dosahuje 25 000 lidí na km².
Třetí graf ukazuje hustotu osídlení podle šířky. Je vidět, že téměř všichni lidé jsou soustředěni v rozmezí 20–40 stupňů severní šířky. Takto se geografie a historie vyvinuly, protože obrovská část jižní polokoule je pokryta oceánem. Tato hustota osídlení je hrozivou výzvou pro architekty skupin, protože na obou polokoulích satelity tráví stejné množství času. Navíc, satelit obíhající kolem Země pod úhlem, řekněme, 50 stupňů, bude trávit více času blíže těmto šířkovým hranicím. Proto Starlink potřebuje pro obsluhu severu USA pouze 6 orbít, zatímco pro pokrytí rovníku 24.
Opravdu, pokud spojíme graf hustoty populace s grafem hustoty satelitní konstelace, volba orbit se stává zřejmou. Každý histogram představuje jednu ze čtyř zpráv SpaceX v FCC. Osobně se domnívám, že každá nová zpráva je jako doplnění té předchozí, ale v každém případě není těžké si povšimnout, jak další satelity zvyšují propustnost nad odpovídajícími regiony v severní polokouli. Naopak, podstatná nevyužitá propustnost zůstává nad jižní polokoulí — raduj se, matko Austrálie!
Co se děje s uživatelskými daty, když dorazí k satelitu? V původní verzi satelit Starlink okamžitě přenášel data zpět na dedikovanou pozemní stanici poblíž oblastí pokrytí. Taková konfigurace se nazývá „přímá retransmise“. V budoucnu získají satelity Starlink schopnost komunikovat mezi sebou pomocí laseru. Množství datových výměn dosáhne maxima nad hustě osídlenými městy, ale data lze distribuovat prostřednictvím laserové sítě ve dvou dimenzích. V praxi to znamená, že existuje obrovská možnost pro skrytou komunikační síť satelitní sítě, to znamená, že uživatelská data mohou být „předávána zpět na Zemi“ na jakémkoli vhodném místě. V praxi se domnívám, že pozemní stanice SpaceX budou sladěny s mimo města.
Ukazuje se, že komunikace mezi satelity není triviální úkol, pokud se satelity nehýbou společně. V nejnovějších zprávách v FCC se uvádí 11 jasně vymezených orbitálních skupin satelitů. V rámci konkrétní skupiny se satelity pohybují ve stejné výšce, pod stejným sklonem, s rovnoměrným excentricitou, což znamená, že lasery mohou relativně snadno nalézt satelity v těsné blízkosti. Avšak rychlosti přiblížení mezi skupinami se měří na km/s, takže komunikace mezi skupinami, pokud je možná, musí probíhat prostřednictvím krátkých, rychle řízených mikrovlnných spojení.
Topologie orbitálních skupin je jako korpuskulárně-vlnová teorie světla a příliš se netýká našeho příkladu, ale, jak se domnívám, je krásná, a proto jsem ji zahrnul do článku. Pokud vás tato část nezajímá, přejděte rovnou k „Omezením fundamentální fyziky“.
Tor — nebo donut — je matematický objekt definovaný dvěma poloměry. Na povrchu toru je poměrně snadné nakreslit kružnice: rovnoběžně nebo kolmo k jeho tvaru. Možná vás překvapí, že existují také dvě další rodiny kruhů, které lze zobrazit na povrchu toru, a oba procházejí otvorem ve svém středu a kolem jeho obvodu. To jsou. , a tuto konstrukci jsem použil, když jsem v roce 2015 navrhoval toroid pro Teslovu cívku „Hořící muž“.
A i když oběžné dráhy satelitů jsou přísně vzato elipsy, nikoli kruhy, stejná konstrukce se uplatňuje i v případě Starlinku. Skupina 4500 satelitů na několika orbitálních rovinách, všechny pod jedním úhlem, tvoří nad povrchem Země kontinuálně se pohybující plochu. Plocha směřující na sever se nad zadaným bodem šířky rozprostírá a vrací se zpět na jih. Aby se zabránilo kolizím, budou oběžné dráhy mírně protáhlé, takže plocha pohybující se na sever bude o několik kilometrů výše (nebo níže) než ta, která se pohybuje na jih. Tyto dvě plochy dohromady vytvářejí toru vylisovaného tvaru, jak je znázorněno níže na silně zjednodušeném schématu.
Připomínám, že uvnitř tohoto toru probíhá komunikace mezi sousedními satelity. Obecně platí, že mezi satelity v různých plochách neexistují přímá a dlouhá spojení, protože rychlosti přiblížení pro laserové zaměřování jsou příliš vysoké. Trajektorie přenosu dat mezi plochami, na druhé straně, prochází nad nebo pod toru.
Celkem 30 000 satelitů bude rozmístěno ve 11 vnořených torech, daleko za oběžnou dráhou ISS! Na tomto schématu je znázorněno, jak jsou všechny tyto plochy zabaleny, bez přehnaného excentričnosti.
A nakonec je třeba zvážit optimální výšku letu. Existuje dilema: nízká výška, která poskytuje větší propustnost při menších rozměrech paprsků, nebo vysoká — která umožňuje pokrýt celou planetu s menším počtem satelitů? V průběhu času se v dokumentech v FCC od SpaceX hovořilo o stále nižších výškách, neboť s vylepšováním Starship je možné rychlé nasazení větších konstelací.
Nízká výška má i další výhody, včetně sníženého rizika kolize s kosmickým odpadem nebo negativních důsledků selhání zařízení. Vzhledem k zesílenému atmosférickému odporu budou nižší satelity Starlink (330 km) zhořet během několika týdnů po ztrátě orientace. A opravdu, 300 km je výška, ve které satelity téměř nelétají, a udržení výšky bude vyžadovat vestavěný elektromotor na krypton, stejně jako aerodynamický tvar. Teoreticky by satelit dostatečně zaostřeného tvaru mohl stabilně udržovat výšku 160 km na elektromotoru, ale SpaceX pravděpodobně neplánuje vysílat satelity tak nízko, neboť má ještě několik triků pro zvýšení propustnosti.
Omezení základní fyziky
Je nepravděpodobné, že by ceny za umístění satelitu někdy klesly výrazně pod 35 tisíc, i když výroba bude pokročilá a plně automatizovaná, a lodě Starship budou zcela znovupoužitelné, navíc není zcela jasné, jaká omezení na satelit fyzika uvalí. Výše uvedená analýza předpokládá maximální propustnost 80 Gb/s. (pokud zaokroulíme na 100 paprsků, z nichž každý je schopen přenášet 100 Mb/s).
Krajní limit propustnosti kanálu je stanoven v a je dán statistikou šířky pásma (1+SNR). Šířka pásma je často omezena , zatímco SNR — je dostupná energie satelitu, pozadí šumu a interference na kanálu v důsledku . Další významnou překážkou je rychlost zpracování. Nejnovější FPGA Xilinx Ultrascale+ mají , což je dobré při současných omezeních informační kapacity kanálu bez vývoje vlastních ASIC. Ale i tak 58 Gb/s vyžaduje značné rozdělení frekvencí, pravděpodobně v pásmech Ka- nebo V. V (40–75 GHz) má dostupnější cykly, ale je více náchylné k atmosférickému pohlcování, zejména v oblastech s vysokou vlhkostí.
Jsou praktické 100 paprsky? Tento problém má dva aspekty: šířku paprsku a hustotu prvku fázované anténní matice. Šířka paprsku je určena vlnovou délkou dělenou průměrem antény. Digitální fázovaná anténní matice je stále specializovaná technologie, ale maximální použitelné rozměry jsou určeny šířkou. ( cca 1 m), a využívat rádiové frekvenční komunikace je velmi nákladné. Šířka vlny v pásmu Ka je přibližně 1 cm, přičemž šířka paprsku by měla být 0,01 radiánu — při šířce spektra na úrovni 50 % amplitudy. Předpokládejme, že prostorový úhel paprsku je 1 steradián (analogicky k pokrytí objektivu 50mm fotoaparátu), takže v této oblasti by bylo dostatečných 2500 jednotlivých paprsků. Lineární charakteristiky znamenají, že 2500 paprsků vyžaduje alespoň 2500 anténních prvků v oblasti, což je v zásadě realizovatelné, byť obtížné. A to vše se ještě výrazně ohřeje!
Celkem 2500 kanálů, z nichž každý podporuje 58 Gb/s, představuje obrovské množství informací — pokud to hrubě zaokroulíme, tak 145 Tb/s. Pro srovnání, celkový internetový provoz v roce 2020 . Dobré zprávy pro ty, kteří se obávají zásadně nízké šířky pásma satelitního internetu. Pokud konstelace 30 000 satelitů začne fungovat do roku 2026, globální internetový provoz by potenciálně mohl dosáhnout 800 Tb/s. Pokud polovina tohoto objemu bude dodávána ~500 satelity nad hustě osídlenými oblastmi v jakémkoliv daném okamžiku, pak by špičková propustnost na každý satelit činila přibližně 800 Gb/s, což je 10krát více, než podle našich původních základních výpočtů, tzn. finanční příliv se potenciálně zvýší 10krát.
Pro satelit na 330kilometrové orbite pokrývá paprsek o úhlu 0,01 radiánu plochu 10 km². V obzvlášť hustě osídlených oblastech, jako je Manhattan, na takové ploše žije až 300 000 obyvatel. A co kdyby se všichni najednou usadili sledovat Netflix (7 Mb/s v HD kvalitě)? Celkový požadavek na data by činil 2000 GB/s, což je přibližně 35krát více než aktuální přísné omezení uložené FPGA rozhraním pro sekvenční výstup. Z této situace existují dvě východiska, z nichž fyzicky možné je pouze jedno.
První možností je vypustit na orbitu více satelitů, aby v jakémkoli daném okamžiku nad oblastmi s vysokým požadavkem viselo více než 35 z nich. Pokud si opět vezmeme 1 steradián pro přijatelnou adresovatelnou část nebe a průměrnou orbitální výšku 400 km, dostaneme hustotu seskupení 0,0002/km², neboli 100 000 celkem – pokud by byly rovnoměrně rozloženy po celé zeměkouli. Připomeňme, že preferované orbity SpaceX výrazně zvyšují hustotu pokrytí nad hustě osídlenými oblastmi v rozmezí 20–40 stupňů severní šířky, a už číslo 30 000 satelitů se zdá magické.
Druhý nápad je mnohem zajímavější, ale bohužel nerealizovatelný. Připomeňme, že šířka paprsku je určena šířkou fázované anténní mřížky. Co kdyby více mřížek na několika satelitech spojilo svoji energii, čímž by vytvořilo užší paprsek – obdobně jako radioteleskopy jako je (velmi velký anténní systém)? Tato metoda je spojena s jedním problémem: základna mezi satelity musí být pečlivě vypočítána – s přesností na submilimetr – aby se stabilizovala fáze paprsku. A i kdyby to bylo možné, vzniklý paprsek by sotva udržel boční laloky kvůli malé hustotě satelitního seskupení na obloze. Na Zemi by se šířka paprsku zužila na několik milimetrů (dostatečně pro sledování antény mobilního telefonu), ale těch by byla miliony – kvůli slabému mezidimenzionálnímu nulování. Děkujeme za .
Ukazuje se, že rozdělení kanálů úhlovým rozestupem – protože jsou satelity rozptýleny po nebi – poskytuje adekvátní zlepšení v propustnosti bez porušení fyzikálních zákonů.
Použití
Jaký profil má klient Starlink? Standardně se jedná o stovky milionů uživatelů, kteří mají na střechách domů antény velikosti krabice od pizzy, ale existují i další zdroje vysokých příjmů.
V odlehlých a venkovských oblastech nepotřebují pozemní stanice fázované anténní mřížky pro maximalizaci šířky paprsku, což umožňuje použití menších uživatelských zařízení: od IoT sledovacích zařízení po kapslové satelitní telefony, nouzové majáky nebo vědecké přístroje pro sledování zvířat.
V hustě osídlených městských oblastech poskytne Starlink primární a záložní transportní síť pro mobilní sítě. Na každou mobilní věž bude možné umístit vysoce výkonnou pozemní stanici, ale bude použito pozemní napájení pro zesílení a přenos přes "poslední míli".
A nakonec, i v přeplněných oblastech existuje během primárního nasazení možnost využití pro nízkoorbitalní satelity s mimořádně minimální latencí. Finanční společnosti vám ochotně poskytují značné částky — jen aby získaly životně důležitá data z celého světa o něco rychleji. A i když data přes Starlink musí urazit delší cestu — přes vesmír — rychlost šíření světla ve vakuu je o 50 % vyšší než v křemenném skle, což více než kompenzuje rozdíl při přenosu na větší vzdálenosti.
Negativní důsledky
Poslední část se věnuje negativním důsledkům. Cílem článku je zbavit vás omylů ohledně projektu, a potenciální negativní důsledky debat vyvolávají nejvíce obav. Přinesu vám určité informace, přičemž se zdržím nadměrného vykládání. Nejsem jasnovidec, a navíc nemám žádné insider informace od SpaceX.
Nejzávažnější důsledky, jak to vidím, přináší zvýšený přístup k internetu. I v mém rodném Pasadeně, rušném a technicky vyspělém městě s milionem obyvatel, kde se nachází několik observatoří, světová univerzita a největší centrum NASA, je výběr internetových služeb značně omezený. Po celých USA a na zbytku světa se internet stal nájemně orientovanou veřejnou službou, a poskytovatelé se snaží vytáhnout své 50 milionů dolarů měsíčně v pohodlném a nekonkurenčním prostředí. Snad jakákoli služba dodávaná do bytů a obytných domů je veřejná služba, ale kvalita internetových služeb je méně stabilní než kvalita vody, elektřiny nebo plynu.
Problém se stavem věcí tak, jak jsou, je v tom, že na rozdíl od vody, elektřiny nebo plynu je internet stále mladý a rychle se vyvíjí. Neustále mu nacházíme nové využití. Nejvíce revoluční je stále ještě neobjeveno, ale balíčkové plány dusí možnost konkurence a inovací. Miliardy lidí zůstávají mimo v důsledku narození, nebo protože jejich země je příliš daleko od podmořských kabelů. Do velkých regionů planety je internet stále dodáván geostacionárními satelity, a to za lupičské ceny.
Starlink, který neustále poskytuje internet z nebe, však tuto modelu narušuje. Zatím neznám žádný lepší způsob, jak připojit miliardy lidí k internetu. SpaceX se snaží stát internetovým poskytovatelem a potenciálně internetovou společností, která se může rovnat Googlu a Facebooku. Vsadím se, že jste o tom ani nepřemýšleli.
To, že satelitní internet je nejlepší volbou, není zřejmé. SpaceX a pouze SpaceX jsou v pozici rychle vytvořit rozsáhlou síť satelitů, neboť jen ona zabila desetiletí, aby narušila vládně-vojenskou monopol na start raket. I kdyby Iridium na trhu s mobilními telefony předstihlo konkurenci desetkrát, stejně by nedosáhlo širokého uplatnění, využívajíc tradiční startovací plochy. Bez SpaceX a její unikátní obchodní model, je velmi pravděpodobné, že globální satelitní internet se jednoduše nikdy neuskuteční.
Druhý velký zásah se zaměří na astronomii. Po vypuštění prvních 60 satelitů Starlink se objevila vlna kritiky od mezinárodní astronomické komunity, že výrazně zvýšený počet satelitů uzavře jejich přístup k noční obloze. Existuje takové přísloví: mezi astronomy je ten, kdo má větší teleskop, tím lepší. Bez nadsázky, věnovat se astronomii v moderní éře je velmi složité, připomíná to neustálý boj za zlepšení kvality analýzy na pozadí rostoucího světelného znečištění a dalších zdrojů šumu.
Astronomovi se nejméně hodí tisíce jasných satelitů, které se mihotají v ohnisku teleskopu. Opravdu, první skupina Iridium získala špatnou pověst za to, že způsobila "záření" z důvodu velkých panelů, které odrážely sluneční světlo na malé části Země. Někdy dosahovaly jasnosti čtvrtiny Měsíce a občas dokonce náhodně poškozovaly citlivé astronomické senzory. A nejsou bezdůvodné obavy, že Starlink vstoupí do rádiového spektra používaného v rádiové astronomii.
Pokud si stáhnete aplikaci pro sledování satelitů, můžete vidět desítky satelitů létajících na obloze jasným večerem. Satelity jsou viditelné po západu slunce a před svítáním, ale pouze když je osvětlují sluneční paprsky. Později, během noci, jsou satelity neviditelné ve stínu Země. Jsou malé, extrémně vzdálené a pohybují se velmi rychle. Je šance, že zakryjí vzdálenou hvězdu na méně než milisekundu, ale myslím, že i to zachytit je pořádný problém.
Silná obava z oslnění oblohy vznikla z toho, že první vlna satelitů byla vyslána blízko terminátoru Země, tj. noc co noc pozorovala Evropa epickou scénu, jak satelity prolétají oblohou ve večerním soumraku. Dále simulace založené na zprávách v FKS ukázaly, že satelity na orbitě ve výšce 1150 km budou viditelné i po skončení astronomických soumraků. Obecně soumrak probíhá ve třech fázích: občanský, námořní a astronomický, tj. když slunce je 6, 12 a 18 stupňů pod horizontem. Na konci astronomických soumraků jsou sluneční paprsky přibližně 650 km nad povrchem v zenitu, daleko mimo hranice atmosféry a většiny nízké orbitální dráhy. Na základě údajů z , si myslím, že všechny satelity budou umístěny ve výšce pod 600 km. V tomto případě je bude možné vidět v soumraku, ale ne po setmění, což výrazně sníží potenciální dopady na astronomii.
Třetí problém - odpad na orbitě. V jsem poukázal na to, že satelity a odpad pod 600 km opustí orbitu během několika let - kvůli atmosférickému odporu, což výrazně snižuje možnost Kesslerova syndromu. SpaceX se stará o nepořádek, jako by si vůbec nedělali starosti s kosmickým odpadem. Zatímco procházím detaily realizace Starlink, těžko si mohu představit lepší způsob, jak snížit množství odpadu na orbitě.
Satelity jsou vypouštěny do výšky 350 km, poté se na vestavěných motorech přesouvají na svou určenou orbitu. Každý satelit, který se při startu zničí, opustí orbitu během několika týdnů a nebude se motat někde výše po následující tisíce let. Toto umístění strategicky předpokládá testování na volný vstup. Dále jsou satelity Starlink ploché v průřezu, což znamená, že při ztrátě kontroly nad výškou vcházejí do hustých vrstev atmosféry.
Málokdo ví, že SpaceX se stala průkopníkem v astronautice, když začala používat alternativní metody upevnění místo pyrotechnických zpoplatnění. Prakticky všechny startovací plochy používají pyrotechnické zpoplatnění při uvedení do provozu stupňů, satelitů, obalů a dalších zařízení, čímž se zvyšuje potenciální množství odpadu. SpaceX navíc úmyslně snižuje horní stupně z oběhu, což brání jejich nežádoucímu věšení v kosmu, aby se nepodrobily zkáze v drsném kosmickém prostředí.
A nakonec, poslední problém, o kterém bych chtěl zmínit, je možnost, že SpaceX vytlačí stávající monopol na internet, čímž vytvoří svůj vlastní. Ve svém segmentu SpaceX již monopolizovala starty. Pouze touha soupeřících vlád po zajištěném přístupu do vesmíru brání tomu, aby byly vyřazeny drahé a zastaralé rakety, které často vyrábějí velcí monopolní dodavatelé obranného průmyslu.
Není těžké si představit, jak v roce 2030 SpaceX bude vypouštět 6000 svých satelitů ročně, plus několik špionážních satelitů - ze staré paměti. Levní a spolehliví satelity SpaceX začnou prodávat „stabilní místo“ pro cizí zařízení. Jakákoli univerzita, která vytvoří kameru vhodnou pro vesmír, ji bude moci vypustit na oběžnou dráhu, aniž by musela pokrýt náklady na vybudování celé vesmírné platformy. S tak pokročilým a neomezeným přístupem do vesmíru se Starlink již spojuje se satelity, zatímco historické výrobce ustupují do minulosti.
V historii existují příklady dalekozrakých společností, které obsadily tak obrovský segment na trhu, že se jejich názvy staly obecným pojmem: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problém může nastat, když se průkopnická společnost uchýlí k praktikám proti konkurenci, aby si udržela svůj podíl na trhu, i když od dob prezidenta Reagana to často není zakázáno. SpaceX může udržet monopol Starlink tím, že donutí ostatní vývojáře satelitních konstelací vypouštět satelity na zastaralých sovětských raketách. Podobné kroky učinily , spolu s fixací cen za přepravu pošty, v roce 1934 ji přivedla k bankrotu. Naštěstí SpaceX pravděpodobně na věky nezachová absolutní monopol na rakety s opakovaným použitím.
Ještě větší obavy vzbuzuje to, že rozmístění desítek tisíc satelitů SpaceX na nízké orbitální dráze může být navrženo jako kooptace veřejného majetku. Soukromá společnost, usilující o osobní zisk, si přisvojuje do trvalého vlastnictví dříve veřejně dostupné a nikým neobsazené orbitální pozice. Ačkoli inovace SpaceX umožnily skutečně vydělávat peníze ve vakuu, většina duševního kapitálu SpaceX byla postavena na miliardách dolarů přidělených z rozpočtu na výzkum.
Na jedné straně potřebujeme zákony, které chrání prostředky soukromých investic a výzkumu a vývoje. Bez této ochrany nebudou inovátori schopni financovat ambiciózní projekty, nebo přesunou své společnosti tam, kde jim tuto ochranu zajistí. V každém případě veřejnost trpí, protože nevytváří zisk. Na druhé straně potřebujeme zákony, které chrání lidi, nominální vlastníky veřejného majetku, včetně nebe — před soukromými subjekty orientovanými na zisk, které anektují veřejné statky. Ani jedno samo o sobě není správné ani možné. Vývoj SpaceX dává šanci najít zlatou střední cestu na tomto novém trhu. Pochopíme, že byla nalezena, když maximalizujeme frekvenci inovací a vytváření veřejného bohatství.
Myšlenky na závěr
Tento článek jsem napsal hned poté, co jsem dokončil jiný — . Bylo to horké týdne. Jak Starship, tak Starlink — revoluční technologie, které se vytvářejí přímo před našima očima, během našich životů. Pokud uvidím, jak stárnou mé vnoučata, více je překvapí, že jsem starší než Starlink, než že v mé mládí nebyly mobilní telefony (muzejní exponáty) nebo vůbec internet.
Bohatí a vojáci už dávno používají satelitní internet, ale všeobecný, veřejný a levný Starlink bez Starship je prostě nemožný.
O startu se už dlouho mluví, avšak Starship, relativně levná a tedy zajímavá platforma, není možná bez Starlink.
O pilotované kosmonautice se mluví už dlouho, a pokud jste — , máte zelenou. Se Starship a Starlink je dobývání vesmíru lidmi — dosažitelná, blízká budoucnost, ve které je na dosah ruky přechod z orbitálního předvoje do průmyslově rozvinutých měst v hlubokém vesmíru.
Zdroj: habr.com
