Este artículo forma parte de una serie dedicada a .
— el plan de SpaceX para ofrecer internet a través de decenas de miles de satélites — es el tema principal en la prensa dedicada al espacio. Semanalmente se publican artículos sobre los últimos avances. Aunque en general el esquema es claro, al revisar los , una persona bien motivada (digamos, su humilde servidor) puede encontrar muchos detalles. Sin embargo, todavía persisten muchos malentendidos relacionados con esta nueva tecnología, incluso entre los comentaristas informados. Frecuentemente aparecen artículos que comparan Starlink con OneWeb y Kuiper (entre otros) como si compitieran en igualdad de condiciones. Otros autores, claramente preocupados por el bienestar del planeta, claman sobre la basura espacial, el derecho espacial, los estándares y la seguridad de la astronomía. Espero que, al leer este artículo, que es bastante largo, el lector comprenda mejor y se sumerja en la idea de Starlink.
sorprendentemente tocó una fibra sensible en las almas de mis pocos lectores. En él explicaba cómo Starship llevará a SpaceX a la cima y, al mismo tiempo, proporcionará un mecanismo para nuevas investigaciones espaciales. La implicación es que la industria de satélites tradicional no puede seguir el ritmo de SpaceX, que continúa aumentando su capacidad y reduciendo costos con la familia de cohetes Falcon, poniendo a SpaceX en una situación difícil. Por un lado, estaba creando un mercado valorado, en el mejor de los casos, en varios miles de millones al año. Por otro lado, alimentaba en sí misma un insaciable apetito por el dinero—para construir un enorme cohete, en el que, sin embargo, casi no hay a quién enviar a Marte, y tampoco se espera un beneficio inmediato.
La solución a este par de problemas es Starlink. Al reunir y lanzar sus propios satélites, SpaceX podría crear y definir un nuevo mercado para un acceso a las comunicaciones a través del espacio que sea altamente eficiente y democratizado, asegurar un flujo de financiamiento para la construcción de cohetes antes de que estos hundan a la empresa, y aumentar su valor económico a billones. No se debe subestimar la magnitud de las ambiciones de Elon. Hay muy pocas industrias donde se manejan billones de dólares: energía, transporte de alta velocidad, comunicaciones, TI, salud, agricultura, gobierno, defensa. A pesar de las creencias comunes, , y — el negocio no es viable. Elon entró en el sector de la energía con su Tesla, pero solo las telecomunicaciones proporcionarán un mercado confiable y sustancial para satélites y lanzamientos de cohetes.
Por primera vez, Elon Musk miró hacia el espacio cuando quiso contribuir sin costo alguno con 80 millones de dólares a una misión para cultivar plantas en un módulo marciano. Construir una ciudad en Marte probablemente costará 100,000 veces más, así que Starlink es la principal apuesta de Musk para asegurar un mar de dinero, tan necesario para el patrocinio .
¿Para qué?
Ya había planeado este artículo desde hace tiempo, pero solo la semana pasada se formó una imagen completa para mí. Entonces, la presidenta de SpaceX, Gwynne Shotwell, le dio a Rob Berthon una impresionante entrevista, que luego fue cubierta para CNBC en una magnífica Michael Schitz, que le dedicaron . Esta entrevista mostró la enorme diferencia en los enfoques sobre comunicaciones satelitales entre SpaceX y los demás.
Concepto nació en 2012, cuando en SpaceX se dieron cuenta de que sus clientes, en su mayoría proveedores de comunicaciones satelitales, tenían enormes reservas de dinero. Las plataformas de lanzamiento inflan los precios por el despliegue de satélites y, de alguna manera, omiten una etapa del trabajo: ¿cómo es posible? Elon soñaba con crear una constelación de satélites para internet y, incapaz de resistir una tarea prácticamente imposible, puso en marcha el proceso. El desarrollo de Starlink , pero al final de este artículo, querido lector, seguramente te sorprenderás de cuán pequeñas son realmente estas dificultades, considerando la magnitud de la idea.
¿Es realmente necesaria una agrupación tan grande para internet? ¿Y por qué ahora?
Solo en mi memoria, internet ha pasado de ser una mera diversión académica a convertirse en la primera y única infraestructura revolucionaria. Este no es el tema para un artículo extenso, pero supongo que la necesidad global de internet y los ingresos que genera seguirán creciendo aproximadamente un 25% al año.
Hoy en día, casi todos obtenemos internet de un pequeño número de monopolios geográficamente aislados. En los Estados Unidos, AT&T, Time Warner, Comcast y un puñado de jugadores más pequeños han dividido el territorio para evitar la competencia, cobrando precios exorbitantes por sus servicios bajo la luz de un odio casi universal.
Los proveedores tienen una razón de peso para su comportamiento no competitivo, además de la avaricia abrumadora. Construir la infraestructura para internet —torres celulares de microondas y fibra óptica— es extremadamente costoso. Es fácil olvidar la maravillosa naturaleza de internet. Mi abuela comenzó a trabajar como operadora durante la Segunda Guerra Mundial, en un tiempo cuando el telégrafo competía por un papel estratégico principal con las palomas mensajeras. Para la mayoría de nosotros, la supercarretera de la información es algo etéreo e inmaterial, pero los bits viajan por un mundo físico lleno de límites, ríos, montañas, océanos, tormentas, desastres naturales y otros obstáculos. Ya en 1996, cuando se tendió la primera línea de fibra óptica por el fondo del océano, . Con su característico estilo mordaz, describe vívidamente el costo desnudo y la complejidad de la tendido de estas líneas, por las que luego se lanzan los malditos 'cables'. Durante gran parte de la década de 2000, los cables se tendieron tanto que el costo de su despliegue era asombroso.
En su momento, trabajé en un laboratorio óptico y (si mi memoria no me falla) rompimos el récord de ese tiempo, logrando una velocidad de transmisión multiplexada de 500 Gb/s. Las limitaciones electrónicas permitían utilizar cada fibra al 0,1% de su capacidad de transmisión teórica. Quince años después, estamos listos para superar ese umbral: si la transmisión de datos lo sobrepasa, la fibra se fundirá, y estamos muy cerca de eso.
Y lo que hay que hacer es elevar el flujo de datos sobre esta tierra pecadora — al espacio, donde un satélite orbita la "bola" 30,000 veces en cinco años. Una solución que parece obvia, ¿por qué nadie se había atrevido a intentarlo antes?
El grupo de satélites Iridium, desarrollado e implementado a principios de la década de 1990 por Motorola (¿los recuerdas aún?), se convirtió en la primera red de comunicación global de baja órbita (como se cuenta tentadoramente en ). Para cuando se implementó, la capacidad de enrutar pequeños paquetes de datos desde localizadores de activos resultó ser su único uso: los teléfonos celulares se abarataron tanto que los teléfonos satelitales no lograron despegar. Iridium contaba con 66 satélites (más algunos de reserva) en 6 órbitas: el conjunto mínimo para cubrir todo el planeta.
Si a Iridium le bastaban 66 satélites, ¿por qué SpaceX necesita decenas de miles? ¿Qué la hace tan diferente?
SpaceX entró en este negocio desde el lado opuesto — comenzó con lanzamientos. Se convirtió en pionera en la recuperación del cohete portador y así tomó el mercado de plataformas de lanzamiento económicas. Intentar superarlos con precios más bajos no generará grandes ganancias, por lo que la única forma de aprovechar su capacidad excesiva es convertirse en su cliente. Los costos de SpaceX para lanzar sus propios satélites son (por 1 kg) de Iridium, lo que les permite acceder a un mercado significativamente más amplio.
La cobertura mundial de Starlink proporcionará acceso a internet de alta calidad en cualquier rincón del mundo. Por primera vez, la disponibilidad de internet no dependerá de la proximidad del país o ciudad a una línea de fibra óptica, sino de la claridad del cielo sobre nuestras cabezas. Los usuarios de todo el mundo tendrán acceso a un internet global libre de cadenas, independientemente de la ineficiencia y/o la corrupción de sus propios gobiernos. La capacidad de Starlink para romper estos monopolios cataliza cambios positivos de increíble magnitud, que finalmente unirán a miles de millones de personas en una comunidad cibernética global del futuro.
Un pequeño desvío lírico: ¿qué significa esto en realidad?
Para las personas que están creciendo hoy, en la era de la conectividad omnipresente, Internet es como el aire que respiramos. Simplemente está. Pero esto — si se olvida su increíble poder para traer cambios positivos — y ya estamos en el centro de ellos. Con la ayuda de Internet, las personas pueden llamar a cuentas a sus líderes, comunicarse con otros en el otro lado del mundo, compartir ideas, inventar algo nuevo. Internet une a la humanidad. La historia de las modernizaciones es la historia del desarrollo de las posibilidades para el intercambio de datos. Primero — a través de discursos y poesía épica. Luego — por medio de la escritura, que da voz a los muertos y les habla a los vivos; la escritura permite almacenar datos y hace posible la comunicación asincrónica. La imprenta estableció la producción de noticias en serie. La comunicación electrónica ha acelerado la transmisión de datos a través del mundo. Los dispositivos personales para tomar notas se volvieron gradualmente más complejos, evolucionando de cuadernos a teléfonos móviles, cada uno de los cuales es una computadora conectada a Internet, llena de sensores y cada día mejor anticipando nuestras necesidades.
Una persona que utiliza la escritura y la computadora en el proceso de aprendizaje tiene más probabilidades de superar las limitaciones de un cerebro imperfectamente desarrollado. Aún más alentador es que los teléfonos móviles son tanto potentes dispositivos de almacenamiento de datos como mecanismos para intercambiar ideas. Si antes las personas, al compartir pensamientos, confiaban en el habla que anotaban en cuadernos, hoy la norma es que los cuadernos mismos compartan ideas generadas por las personas. El esquema tradicional ha sufrido una inversión. La continuación lógica del proceso es alguna forma de metaconocimiento colectivo, a través de dispositivos personales, y conectados entre sí. Y aunque aún nostalgiamos por la conexión perdida con la naturaleza y la soledad, es importante recordar que la tecnología y solo la tecnología es responsable de la mayor parte de nuestra liberación de los ciclos 'naturales' de ignorancia, muerte prematura (que se puede evitar), violencia, hambre y deterioro dental.
¿Cómo?
Hablemos sobre el modelo de negocio y la arquitectura del proyecto Starlink.
Para que Starlink se convierta en un negocio rentable, los ingresos deben superar los costos de construcción y operación. Tradicionalmente, la inversión de capital implica costos iniciales elevados, el uso de financiamiento especializado elaborado y mecanismos de seguro, todo para lanzar un satélite. Un satélite de comunicación geoestacionario puede costar hasta 500 millones de dólares, y ensamblarlo y lanzarlo puede tomar 5 años. Por lo tanto, las empresas en este sector al mismo tiempo construyen aeronaves o barcos portacontenedores. Gastos gigantescos, ingresos que apenas cubren los costos de financiación y un presupuesto operativo relativamente pequeño. Por otro lado, el colapso del Iridium original se debió a que Motorola obligó al operador a pagar tarifas de licencia devastadoras, lo que llevó a la quiebra de la empresa en solo unos meses.
Para operar este tipo de negocio, las empresas tradicionales de satélites tenían que servir a clientes privados y cobrar tarifas altas por la transmisión de datos. Las aerolíneas, los puestos avanzados remotos, los barcos, las zonas de conflicto y las infraestructuras clave pagan alrededor de 5 dólares por 1 MB, lo que es 5000 veces más caro que el costo tradicional de conexión ADSL, a pesar de la latencia en la transmisión de datos y la relativamente baja capacidad de ancho de banda de la conexión satelital.
Starlink planea competir con los proveedores de servicios terrestres, lo que significa que deberá entregar datos a un costo inferior y, en ideal, cobrar mucho menos de 1 dólar por 1 MB. ¿Es eso posible? O, si es posible, la pregunta es: ¿cómo es posible?
El primer ingrediente del nuevo plato es un lanzamiento barato. Actualmente, Falcon vende un lanzamiento de 24 toneladas por aproximadamente 60 millones de dólares, lo que equivale a 2500 dólares por 1 kg. Sin embargo, hay mucho más costos internos asociados. Los satélites de Starlink se lanzarán en cohetes reutilizables, así que los costos marginales de un lanzamiento son el costo de una nueva segunda etapa (alrededor de 4 millones de dólares), carenados (1 millón) y mantenimiento en tierra (~1 millón). En total: alrededor de 100 mil dólares por satélite, es decir, más de 1000 veces más barato que lanzar un satélite de comunicación convencional.
Sin embargo, la mayoría de los satélites de Starlink se lanzarán en el Starship. De hecho, la evolución de Starlink, como muestran los informes actualizados en la FCC, ofrece cierta la arquitectura interna del proyecto. El número total de satélites en la constelación ha aumentado de 1,584 a 2,825, luego a 7,518 y, finalmente, a 30,000. Si se cree en las acumulaciones brutas, la cifra es aún mayor. El número mínimo de satélites para la primera etapa de desarrollo, para que el proyecto sea viable, es de 60 unidades en 6 órbitas (un total de 360), mientras que para una cobertura completa dentro de 53 grados del ecuador se requieren 24 órbitas de 60 satélites (un total de 1,440). Esto significa 24 lanzamientos para Falcon por unos 150 millones de dólares en gastos internos. Starship, en cambio, está diseñado para lanzar hasta 400 satélites a la vez, aproximadamente por el mismo precio. Los satélites Starlink deben ser reemplazados cada 5 años, por lo que 6,000 satélites requerirán 15 lanzamientos de Starship por año. Esto costaría alrededor de 100 millones de dólares al año, o 15,000 dólares por satélite. Cada satélite lanzado en Falcon pesa 227 kg; los satélites lanzados en Starship podrían pesar hasta 320 kg y llevar instrumentos de terceros, ser un poco más grandes y aún así no superar la carga máxima permitida.
¿De qué se compone el costo de los satélites? Entre sus pares, los satélites Starlink son algo inusuales. Se ensamblan, almacenan y lanzan en forma plana, lo que los hace excepcionalmente simples de producir en masa. La experiencia muestra que el costo de producción debería ser aproximadamente igual al costo del lanzamiento. Si hay una gran diferencia de precio, significa que no se están distribuyendo los recursos correctamente, ya que la reducción integral de los costos marginales al disminuir los gastos no es tan significativa. ¿Es realmente posible tener un costo de 100,000 dólares por satélite en el primer lote de varios cientos? En otras palabras, ¿es posible que un satélite Starlink sea menos complejo en su diseño que un automóvil?
Para responder completamente a esta pregunta, es necesario entender por qué el costo de un satélite de comunicación en órbita es 1000 veces más alto, a pesar de que no es 1000 veces más complejo. Si hablamos de forma sencilla, ¿por qué el "hardware" espacial es tan caro? Hay muchas razones para esto, pero la más convincente en este caso es la siguiente: si el lanzamiento de un satélite al espacio (antes de Falcon) cuesta más de 100 millones, debe funcionar garantizado durante muchos años para generar alguna ganancia. Asegurar tal fiabilidad en la operación del primer y único producto es un proceso doloroso que puede prolongarse durante años, requiriendo el esfuerzo de cientos de personas. Suma a esto los costos, y ya es fácil justificar los procesos adicionales, dado que el lanzamiento ya es costoso por sí mismo.
Starlink rompe este paradigma al crear cientos de satélites, corrigiendo rápidamente los errores iniciales en el diseño y utilizando técnicas de producción en masa para controlar los costos. Personalmente, me es fácil imaginar la línea de producción de Starlink, donde un técnico integra algo nuevo en la estructura y lo asegura con una brida plástica (del nivel de la NASA, por supuesto) en una o dos horas, manteniendo el nivel necesario de reemplazo de 16 satélites/día. El satélite Starlink consta de numerosos componentes complicados, pero no veo razones por las que el costo del milésimo unitario que sale de la línea de producción no pueda reducirse a 20 mil. De hecho, en mayo, Elon escribió en Twitter que el costo de producción de un satélite ya es inferior al costo de lanzamiento.
Tomemos un caso promedio y analicemos el tiempo de recuperación, redondeando las cifras. Un satélite Starlink, cuyo ensamblaje y lanzamiento cuesta 100 mil, opera durante 5 años. ¿Se recuperará, y si es así, qué tan pronto?
En 5 años, un satélite Starlink dará la vuelta a la Tierra 30,000 veces. En cada uno de estos giros de una hora y media, pasará la mayor parte del tiempo sobre el océano y, probablemente, 100 segundos sobre una ciudad densamente poblada. En esta breve ventana, es cuando transmite datos, ansioso por generar ganancias. Si asumimos que la antena soporta 100 haces, y cada haz transmite 100 Mb/s, utilizando un tipo de codificación moderna como , el satélite genera 1000 dólares de ganancia por vuelta — con un precio de suscripción de 1 dólar por 1 Gb. Esto es suficiente para recuperar el costo de despliegue de 100 mil en una semana y simplifica considerablemente la estructura de capital. Los restantes 29,900 giros son ganancia, después de deducir los costos fijos.
Las cifras estimadas pueden variar en gran medida, en ambas direcciones. Pero en cualquier caso, si puedes lanzar una agrupación de satélites de calidad a una baja órbita por 100,000 — o incluso por 1 millón por unidad — eso es una propuesta seria. Aún considerando el tiempo de uso ridículamente corto, el satélite Starlink puede entregar 30 Pb de datos durante su vida útil — con un costo amortizado de 0,003 dólares por 1 Gb. Además, al transmitir a mayores distancias, los costos marginales prácticamente no aumentan.
Para entender la importancia de este modelo, comparemos rápidamente con otros dos modelos de entrega de datos a consumidores: el tradicional — cable de fibra óptica, y la agrupación de satélites ofrecida por una empresa que no se especializa en lanzamientos de satélites.
, que conecta Francia y Singapur, se puso en funcionamiento en 2005. La capacidad es de 1.28 Tb/s, y el costo de despliegue es de 500 millones de dólares. Si opera al 100% de capacidad durante 10 años, y los gastos generales son del 100% de los costos de capital, el precio de transmisión será de 0,02 dólares por 1 Gb. Los cables transatlánticos son más cortos y un poco más baratos, sin embargo, un cable submarino es solo una entidad en una larga cadena de personas que buscan dinero por la transmisión de datos. La estimación promedio para Starlink resulta ser 8 veces más barata, y además tienen 'todo incluido'.
¿Cómo es posible? El satélite Starlink incorpora toda la complicada tecnología de conmutación electrónica necesaria para la conexión de cables de fibra óptica, solo que para la transmisión de datos se utiliza un vacío en lugar de un cable caro y frágil. La transmisión a través del espacio reduce la cantidad de monopolios cómodos y obsoletos, permitiendo a los usuarios conectarse a través de un menor número de 'hardware'.
Comparémoslo con el competidor desarrollador de satélites OneWeb. OneWeb planea crear una constelación de 600 satélites, que lanzará a través de proveedores comerciales a un costo de aproximadamente 20,000 dólares por 1 kg. El peso de un satélite es de 150 kg, es decir, en un escenario ideal, el lanzamiento de una unidad costará aproximadamente 3 millones. El costo del "hardware" satelital se estima en 1 millón por satélite, lo que significa que para 2027 el costo total de la constelación será de 2.6 mil millones. Las pruebas realizadas por OneWeb mostraron un ancho de banda de 50 Mb/s en su pico, idealmente, en cada uno de los 16 haces. Siguiendo el mismo esquema que usamos para calcular el costo de Starlink, obtenemos: cada satélite de OneWeb genera 80 dólares por órbita, y en total en 5 años generará 2.4 millones, apenas cubriendo los gastos de lanzamiento, si contamos también la transmisión de datos a las regiones remotas. En total, obtenemos 1.70 dólares por 1 GB.
Recientemente citaron las palabras de Gwynne Shotwell sobre que , lo que implica un precio competitivo de 0.10 dólares por 1 GB. Y esto aún se aplica a la configuración inicial de Starlink: con una producción menos optimizada, lanzamiento en Falcon y limitaciones en la transmisión de datos, y solo con cobertura en el norte de EE. UU. Resulta que SpaceX tiene una ventaja indiscutible: ya hoy pueden lanzar un satélite mucho más adecuado a un precio (por unidad) 15 veces más bajo que el de sus competidores. Starship ampliará esa ventaja 100 veces, si no más, por lo que no es difícil imaginar que para 2027 SpaceX lance 30,000 satélites por menos de 1 mil millones de dólares, gran parte de los cuales financiará de su propio bolsillo.
Estoy seguro de que hay análisis más optimistas sobre OneWeb y otros desarrolladores prometedores de constelaciones de satélites, pero aún no sé cómo han organizado sus proyectos.
Recientemente, Morgan Stanley , que los satélites de Starlink costarán 1 millón por ensamblaje y 830 mil por lanzamiento. . Curiosamente, las cifras son similares a nuestros cálculos sobre los costos de OneWeb, y, groseramente, 10 veces más altas que la estimación inicial de Starlink. El uso de Starship y la producción industrial de satélites podría reducir el costo de despliegue de los satélites a aproximadamente 35 mil por unidad. Y esto es una cifra sorprendentemente baja.
El último punto queda por resolver: comparar las ganancias por cada vatios de energía solar generada para Starlink. Según las fotografías en su sitio web, cada panel solar de los satélites tiene un área de aproximadamente 60 m², es decir, genera en promedio unos 3 kW o 4,5 kWh por órbita. Según estimaciones aproximadas, cada órbita generará 1000 dólares y cada satélite genera alrededor de 220 dólares por kWh. Esto es 10,000 veces más que el costo mayorista de la energía solar, lo que confirma una vez más: . Y la modulación de microondas para la transmisión de datos implica un costo adicional exorbitante.
Arquitectura
En la sección anterior, presenté de manera bastante sencilla una parte no trivial de la arquitectura de Starlink: cómo opera con la densidad de población extremadamente desigual del planeta. El satélite Starlink emite haces enfocados que forman puntos en la superficie del planeta. Los suscriptores dentro de un punto comparten un ancho de banda. Las dimensiones del punto están determinadas por la física fundamental: su ancho inicial es (altura del satélite × longitud de la microonda / diámetro de la antena), lo que para un satélite Starlink, en el mejor de los casos, equivale a un par de kilómetros.
En la mayoría de las ciudades, la densidad de población es de aproximadamente 1000 personas/km², aunque en algunos lugares puede ser mayor. En ciertas áreas de Tokio o en Manhattan, un punto puede llegar a incluir más de 100,000 personas. Afortunadamente, en cualquier ciudad densa como esta existe un mercado interno competitivo de internet de banda ancha, sin mencionar una red móvil altamente desarrollada. Pero, de todos modos, si en un momento dado hay múltiples satélites de una misma constelación sobre la ciudad, se puede aumentar la capacidad a través de la separación espacial de las antenas, así como la distribución de frecuencias. En otras palabras, decenas de satélites pueden enfocar el haz más potente en un solo punto, y los usuarios en esa región utilizarán terminales terrestres que distribuirán las solicitudes entre los satélites.
Si en las etapas iniciales el mercado más adecuado para los servicios se encuentra en áreas remotas, rurales o suburbanas, los fondos para futuras implementaciones provendrán de servicios de mejor calidad enfocándose en ciudades densamente pobladas. El escenario es precisamente lo opuesto al esquema estándar de expansión de mercado, donde los servicios competitivos dirigidos a las ciudades inevitablemente sufren una disminución en las ganancias a medida que intentan expandirse hacia áreas más pobres y débilmente pobladas.
Hace varios años, cuando realicé los cálculos, .
Tomé los datos de esta imagen y elaboré 3 gráficos que se detallan a continuación. El primero muestra la frecuencia del área terrestre según la densidad de población. Lo más interesante es que gran parte de la Tierra no está poblada en absoluto, mientras que prácticamente en ninguna región hay más de 100 personas/km².
El segundo gráfico muestra la frecuencia de personas según la densidad de población. Y aunque la mayor parte del planeta no está poblada, la mayoría de la gente vive en áreas donde hay entre 100 y 1000 personas por km². La naturaleza ampliada de este pico (por orden de magnitud mayor) refleja la bimodalidad en los patrones de urbanización. 100 personas/km² son áreas rurales relativamente poco pobladas, mientras que la cifra de 1000 personas/km² es característica de los suburbios. Los centros urbanos fácilmente muestran 10,000 personas/km², mientras que la población de Manhattan es de 25,000 personas/km².
El tercer gráfico muestra la densidad de población según la latitud. Es evidente que casi toda la población está concentrada entre los 20 y 40 grados de latitud norte. Así se ha estructurado geográficamente e históricamente, ya que una gran parte del hemisferio sur está ocupada por el océano. Aun así, tal densidad de población representa un desafío alarmante para los arquitectos de la agrupación, ya que en ambos hemisferios los satélites pasan la misma cantidad de tiempo. Además, un satélite que orbita la Tierra a un ángulo, digamos, de 50 grados, pasará más tiempo más cerca de los límites indicados en latitud. Por eso, Starlink necesita solo 6 órbitas para dar servicio al norte de EE. UU., mientras que para cubrir el ecuador se requieren 24.
De hecho, si se combina el gráfico de densidad de población con el gráfico de densidad de la constelación de satélites, la elección de órbitas se vuelve obvia. Cada histograma representa uno de los cuatro informes de SpaceX en la FCC. Personalmente, creo que cada nuevo informe es como una versión ampliada del anterior, pero de todos modos, no es difícil notar cómo los satélites adicionales aumentan la capacidad sobre las regiones correspondientes en el hemisferio norte. En contraposición, una impresionante capacidad no utilizada se mantiene sobre el hemisferio sur — ¡alégrate, querida Australia!
¿Qué sucede con los datos de los usuarios cuando llegan al satélite? En la versión inicial, el satélite Starlink los transmitía de inmediato de regreso a una estación terrestre dedicada cercana a las zonas de servicio. Esta configuración se denomina 'retransmisión directa'. En el futuro, los satélites Starlink tendrán la capacidad de comunicarse entre sí mediante láser. En su punto máximo, el intercambio de datos alcanzará su punto máximo sobre las ciudades densamente pobladas, pero los datos podrán distribuirse a través de una red de láseres en dos dimensiones. En la práctica, esto significa que hay una enorme posibilidad de una red de transporte de comunicación encubierta en la red de satélites, es decir, los datos de los usuarios pueden 'retransmitirse a la Tierra' en cualquier lugar adecuado. En la práctica, creo que las estaciones terrestres de SpaceX se combinarán con fuera de las ciudades.
Resulta que la comunicación satélite-satélite es una tarea no trivial, si los satélites no se mueven juntos. En los informes más recientes de la FCC se informa de 11 grupos orbitales de satélites bien definidos. Dentro de un grupo específico, los satélites se mueven a la misma altura, bajo el mismo ángulo, con la misma excentricidad, lo que significa que los láseres pueden localizar a los satélites con bastante facilidad. Pero las velocidades de acercamiento entre los grupos se miden en km/s, por lo que la comunicación entre los grupos, si es que es posible, debe llevarse a cabo a través de conexiones de microondas cortas y de rápida gestión.
La topología de grupos orbitales es como la teoría corpuscular-ondulatoria de la luz y no se relaciona especialmente con nuestro ejemplo, pero, en mi opinión, es hermosa, por lo que la incluí en el artículo. Si este apartado no te interesa, puedes pasar directamente a "Las limitaciones de la física fundamental".
El torus —o rosquilla— es un objeto matemático definido por dos radios. Es bastante sencillo dibujar círculos en la superficie del torus: paralelos o perpendiculares a su forma. Es posible que te sorprenda descubrir que hay otros dos conjuntos de círculos que se pueden dibujar en la superficie del torus, y ambos pasan a través del agujero en su centro y alrededor de su contorno. Se trata de las , y utilicé esta construcción cuando diseñé el toroide para la bobina de Tesla "Hombre en Llamas" en 2015.
Y aunque las órbitas de los satélites son, estrictamente hablando, elipsoides y no círculos, la misma construcción se aplica en el caso de Starlink. Un grupo de 4500 satélites en varios planos orbitales, todos bajo un mismo ángulo, forman una capa que se mueve continuamente sobre la superficie de la Tierra. La capa dirigida hacia el norte se despliega sobre un punto de latitud específico y se mueve de regreso hacia el sur. Para evitar colisiones, las órbitas se alargarán ligeramente, de modo que la capa que se mueve hacia el norte estará unos kilómetros más arriba (o abajo) que la que se mueve hacia el sur. Juntas, estas dos capas forman un torus de forma inflada, como se muestra a continuación en un esquema muy simplificado.
Recuerda que dentro de este torus la comunicación se lleva a cabo entre satélites vecinos. En términos generales, no hay conexiones directas y prolongadas entre satélites en diferentes capas, ya que las velocidades de acercamiento para la guía láser son demasiado altas. La trayectoria de transmisión de datos entre las capas, a su vez, pasa por encima o por debajo del torus.
En total, 30,000 satélites estarán posicionados en 11 toros anidados, ¡muy alejados de la órbita de la ISS! En este esquema se muestra cómo están empaquetadas todas estas capas, sin un excesivo excentricidad.
Y, por último, es necesario reflexionar sobre la altura óptima de vuelo. Existe un dilema: ¿una altura baja que ofrece una mayor capacidad de transmisión con rayos más pequeños, o una mayor que permite cubrir todo el planeta con menos satélites? Con el tiempo, en los informes de la FCC de SpaceX se ha hablado de alturas cada vez más bajas, ya que, perfeccionándose, Starship hace posible el despliegue rápido de configuraciones más grandes.
La baja altura también tiene otras ventajas, incluyendo un menor riesgo de colisión con basura espacial o consecuencias negativas por fallos en el equipo. Debido a la mayor resistencia atmosférica, los satélites Starlink situados más abajo (330 km) se desintegrarán dentro de unas pocas semanas tras perder el control de orientación. De hecho, los 300 km es una altura a la que los satélites casi no vuelan, y mantener esa altura requerirá un motor eléctrico de propulsión Krypton, así como un diseño aerodinámico. Teóricamente, un satélite con forma suficientemente afilada, impulsado por un motor eléctrico, podría mantenerse de manera estable a 160 km, pero difícilmente SpaceX lanzará satélites tan bajo, ya que todavía tiene algunos trucos bajo la manga para aumentar la capacidad de transmisión.
Restricciones de la física fundamental
Parece poco probable que los precios de colocación de satélites alguna vez caigan por debajo de 35,000, incluso si la producción es avanzada y completamente automatizada, y los barcos Starship son completamente reutilizables; además, no está del todo claro qué restricciones impondrá la física al satélite. El análisis anterior supone una capacidad máxima de 80 Gb/s (redondeando a 100 rayos, cada uno capaz de transmitir 100 Mb/s).
El límite extremo de capacidad del canal está establecido en y se expresa en estadísticas de ancho de banda (1 + SNR). El ancho de banda suele estar limitado por , mientras que el SNR es la energía disponible del satélite, el ruido de fondo y las interferencias en el canal debido a . Otro obstáculo notable es la velocidad de procesamiento. Los últimos FPGA Xilinx Ultrascale+ tienen , que es adecuado dadas las actuales limitaciones de capacidad informativa del canal sin desarrollar ASIC personalizados. Pero incluso así, 58 Gb/s requerirán una distribución considerable de frecuencias, probablemente en bandas Ka o V. La banda V (40–75 GHz) tiene ciclos más accesibles, pero es más susceptible a la absorción atmosférica, especialmente en áreas de alta humedad.
¿Son prácticos 100 haces? Este problema tiene dos aspectos: el ancho del haz y la densidad de elementos de la matriz de antenas en fase. El ancho del haz se determina mediante la longitud de onda dividida por el diámetro de la antena. La matriz de antenas digitales en fase sigue siendo una tecnología especializada, pero las dimensiones útiles máximas están determinadas por el ancho (aprox. 1m), y utilizar comunicaciones de radiofrecuencia podría resultar costoso. La longitud de onda en la banda Ka es de aproximadamente 1 cm, y el ancho del haz debe ser de 0,01 radianes, con un ancho de espectro al nivel del 50% de la amplitud. Supongamos que el ángulo sólido del haz es de 1 estereorradián (similar al campo de visión de un objetivo de cámara de 50 milímetros), entonces en este área, 2500 haces separados serían suficientes. La linealidad implica que 2500 haces requerirán al menos 2500 elementos de antena dentro de la matriz, lo cual es factible en principio, aunque difícil de ejecutar. ¡Y todo esto se calentará bastante!
En total, 2500 canales, cada uno soportando 58 Gb/s, son una enorme cantidad de información; en términos simples, sería 145 Tb/s. Para comparar, todo el tráfico de Internet en 2020 . Buenas noticias para aquellos preocupados por el fundamentalmente bajo ancho de banda del internet satelital. Si la constelación de 30,000 satélites se activa para 2026, el tráfico de Internet global podría alcanzar potencialmente 800 Tb/s. Si la mitad de este volumen es proporcionado por ~500 satélites sobre áreas densamente pobladas en cualquier momento dado, la capacidad de pico por satélite sería aproximadamente 800 Gb/s, lo que es 10 veces más alto que nuestros cálculos iniciales, es decir, los ingresos potenciales podrían aumentar 10 veces.
Para un satélite en una órbita de 330 kilómetros, un haz de 0,01 radianes cubre un área de 10 km². En áreas especialmente pobladas como Manhattan, esa área puede albergar hasta 300,000 personas. ¿Y si todos se sientan a ver Netflix (7 Mb/s en calidad HD) al mismo tiempo? La demanda total de datos sería de 2000 GB/s, que es aproximadamente 35 veces mayor que la actual restricción estricta impuesta por la interfaz FPGA de salida secuencial. De esta situación hay dos soluciones, de las cuales solo una es físicamente posible.
La primera es lanzar más satélites al espacio para que en cualquier momento dado haya más de 35 sobre las áreas de alta demanda. Si tomamos nuevamente 1 estereorradian como un segmento del cielo dirigible y una altura orbital media de 400 km, obtenemos una densidad de agrupación de 0,0002/km², o un total de 100,000 — si se distribuyen uniformemente sobre toda la superficie de la Tierra. Recordemos que las órbitas elegidas por SpaceX aumentan drásticamente la densidad de cobertura sobre las áreas densamente pobladas dentro de los 20-40 grados de latitud norte, y ya el número de 30,000 satélites parece mágico.
La segunda idea es mucho más genial, pero, lamentablemente, irrealizable. Recordemos que el ancho del haz está definido por la anchura de la antena de fase. ¿Qué pasaría si múltiples matrices en varios satélites combinaran sus potencias, creando un haz más estrecho — al igual que los radiotelescopios como el mismo ¿(Very Large Array)? Este método conlleva una complejidad: la base entre los satélites necesitaría calcularse con precisión — hasta el submilímetro — para estabilizar la fase del haz. E incluso si eso fuera posible, el haz resultante apenas podría contener lóbulos laterales, dada la baja densidad de la agrupación de satélites en el cielo. En la tierra, el ancho del haz se reduciría a unos pocos milímetros (suficiente para rastrear una antena de teléfono celular), pero habría millones de ellas — debido a la débil cancelación intermedia. Gracias a .
Resulta que la separación de canales mediante dispersión angular — dado que los satélites están separados por el cielo — proporciona mejoras adecuadas en la capacidad sin violar las leyes de la física.
Aplicación
¿Cuál es el perfil del cliente de Starlink? Por defecto, son cientos de millones de usuarios con antenas del tamaño de una caja de pizza en los techos de sus casas, pero también hay otras fuentes de altos ingresos.
En áreas remotas y rurales, las estaciones terrestres no necesitan rejillas de antenas en fase para maximizar el ancho del haz, por lo que es posible el uso de dispositivos de cliente más pequeños: desde rastreadores de activos IoT hasta teléfonos satelitales portátiles, balizas de emergencia o instrumentos científicos para rastrear animales.
En entornos urbanos densamente poblados, Starlink proporcionará una red de transporte primaria y de respaldo para la red celular. Se podrá instalar una estación terrestre de alto rendimiento en la parte superior de cada torre celular, utilizando fuentes de alimentación terrestres para reforzar y transmitir a través de la 'última milla'.
Y por último, incluso en áreas superpobladas, durante el lanzamiento inicial existen posibilidades para satélites de órbita baja con una latencia excepcionalmente mínima. Las empresas financieras están dispuestas a ofrecerte grandes sumas de dinero, solo para obtener datos vitales de todo el mundo un poco más rápido. Y aunque los datos a través de Starlink tendrán un camino más largo de lo habitual - a través del espacio - la velocidad de la luz en el vacío es un 50% más rápida que en el vidrio de cuarzo, lo que compensa con creces la diferencia al transmitir a distancias mayores.
Consecuencias negativas
La última sección se dedica a las consecuencias negativas. El objetivo del artículo es liberarte de malentendidos sobre el proyecto, y las posibles consecuencias negativas de las controversias son las que más preocupan. Proporcionaré algunos datos, absteniéndome de excesivas interpretaciones. Aún no tengo dotes de adivinación, y tampoco tengo información privilegiada de SpaceX.
Las consecuencias más graves, en mi opinión, son el aumento del acceso a Internet. Incluso en mi ciudad natal de Pasadena, un vibrante y tecnológicamente avanzado municipio de un millón de habitantes, que alberga varios observatorios, una universidad de clase mundial y el mayor centro de la NASA, la elección, cuando se trata de servicios de Internet, es bastante limitada. En todo Estados Unidos y el resto del mundo, Internet se ha convertido en un servicio público orientado a la renta, donde los proveedores solo buscan obtener sus 50 millones de dólares al mes en un entorno cómodo y sin competencia. Cualquier servicio que se proporciona a apartamentos y viviendas es un servicio público, pero la calidad de los servicios de Internet es menos uniforme que la del agua, la electricidad o el gas.
El problema del statu quo es que, a diferencia del agua, la electricidad o el gas, Internet es aún joven y está en rápida evolución. Constantemente encontramos nuevas aplicaciones para él. Lo más revolucionario aún no se ha descubierto, pero los planes de paquetes asfixian la posibilidad de competencia e innovación. Miles de millones de personas quedan excluidas de la ya sea por circunstancias de nacimiento, o porque su país está demasiado lejos de la carretera del cable submarino. En las grandes regiones del planeta, Internet aún se entrega mediante satélites geoestacionarios, a precios exorbitantes.
Starlink, que proporciona Internet continuamente desde el cielo, interrumpe este modelo. Hasta ahora, no conozco una mejor manera de conectar a miles de millones de personas a Internet. SpaceX está en camino de convertirse en un proveedor de Internet y, potencialmente, en una compañía de Internet que compita con Google y Facebook. Apuesto a que no habías pensado en eso.
Que el Internet satelital sea la mejor opción no es obvio. SpaceX y solo SpaceX están en la posición de crear rápidamente una extensa constelación de satélites, ya que solo ella ha invertido una década en romper el monopolio gubernamental-militar sobre el lanzamiento de naves espaciales. Incluso si Iridium hubiera superado diez veces al mercado de teléfonos celulares, aún no habría logrado una adopción generalizada usando plataformas de lanzamiento tradicionales. Sin SpaceX y su modelo de negocio único, es probable que el Internet satelital global simplemente nunca exista.
El segundo gran golpe será para la astronomía. Después del lanzamiento de los primeros 60 satélites de Starlink, surgió una ola de críticas de la comunidad astronómica internacional, que argumentó que la cantidad significativamente aumentada de satélites bloquearía su acceso al cielo nocturno. Existe un dicho: entre los astrónomos, el que tiene el telescopio más grande es el mejor. Sin exagerar, hacer astronomía en la época moderna es una tarea extremadamente difícil, que se asemeja a una lucha constante por mejorar la calidad del análisis en medio de la creciente contaminación lumínica y otras fuentes de ruido.
Lo que menos necesita un astrónomo son miles de brillantes satélites parpadeando en el foco del telescopio. De hecho, el primer grupo de Iridium ganó mala fama por provocar "destellos" debido a grandes paneles que reflejaban la luz solar sobre pequeñas áreas de la Tierra. Hubo ocasiones en que alcanzaban el brillo de un cuarto de luna y a veces incluso dañaban accidentalmente los sensibles detectores astronómicos. No son infundados los temores de que Starlink invada las bandas de radio utilizadas en radioastronomía.
Si se descarga una aplicación para rastrear satélites, se pueden ver decenas de satélites volando en el cielo en una noche clara. Los satélites son visibles después del atardecer y antes del amanecer, pero solo cuando son iluminados por los rayos del sol. Más tarde, durante la noche, los satélites son invisibles en la sombra de la Tierra. Pequeños, extremadamente lejanos, se mueven muy rápido. Existe la posibilidad de que oscurezcan una estrella lejana por menos de milisegundos, pero creo que incluso detectar eso es todo un dolor de cabeza.
Una fuerte preocupación por la contaminación lumínica del cielo surgió porque la constelación de satélites del primer lanzamiento se organizó cerca del terminador de la Tierra, es decir, noche tras noche Europa — y era verano — observó una épica escena de cómo los satélites cruzaban el cielo durante el crepúsculo de la tarde. Además, las simulaciones basadas en informes del FCC mostraron que los satélites en órbita a 1150 km aún serán visibles después de que haya pasado el crepúsculo astronómico. En general, el crepúsculo tiene tres etapas: civil, náutico y astronómico, es decir, cuando el sol está a 6, 12 y 18 grados por debajo de la línea del horizonte, respectivamente. Al final del crepúsculo astronómico, los rayos solares se encuentran a aproximadamente 650 km de la superficie en el cenit, muy lejos de la atmósfera y de la mayor parte de la órbita baja terrestre. , creo que todos los satélites se ubicarán a una altura inferior a 600 km. En este caso, serán visibles durante el crepúsculo, pero no después de que caiga la noche, lo que reducirá significativamente las posibles consecuencias para la astronomía.
El tercer problema es la basura en órbita. En señalé que los satélites y la basura por debajo de 600 km caerán de la órbita en unos pocos años — debido a la resistencia de la atmósfera, lo que disminuye considerablemente la posibilidad del síndrome de Kessler. SpaceX parece ignorar el problema de la basura espacial, como si no estuvieran pensando en ello en absoluto. Aquí estoy revisando los detalles de la implementación de Starlink, y me resulta difícil imaginar una mejor manera de reducir la cantidad de desechos en órbita.
Los satélites son llevados a una altura de 350 km, luego se desplazan a su órbita designada con motores incorporados. Cualquier satélite que falle en el lanzamiento caerá de la órbita en unas pocas semanas, y no vagará en otra parte durante miles de años. Esta ubicación se planea estratégicamente para permitir pruebas de entrada libre. Además, los satélites Starlink tienen una sección plana, lo que significa que, al perder control de la altitud, ingresan a las capas densas de la atmósfera.
Pocos saben que SpaceX se convirtió en pionera en la astronáutica al comenzar a utilizar métodos alternativos de sujeción en lugar de pirotécnicos. Prácticamente todas las plataformas de lanzamiento utilizan pirotécnicos al desplegar etapas, satélites, carenados, etc., aumentando así la cantidad potencial de desechos. Además, SpaceX intencionalmente desorbita las etapas superiores, evitando que floten eternamente en el espacio, para que no se deterioren y se descompongan en el duro entorno espacial.
Y finalmente, el último problema que me gustaría mencionar es la posibilidad de que SpaceX desplace el monopolio existente en internet al crear el suyo propio. En su nicho, SpaceX ya ha monopolizado los lanzamientos. Solo el deseo de los gobiernos competidores de tener acceso garantizado al espacio impide que deshechen costosos y obsoletos cohetes, que a menudo son fabricados por grandes contratistas monopolistas del sector defensa.
No es tan difícil imaginar que en 2030 SpaceX lance 6000 de sus propios satélites anualmente, además de algunos satélites espías —por antiguos recuerdos. Los satélites baratos y fiables de SpaceX comenzarán a vender 'espacio disponible' para instrumentos externos. Cualquier universidad que cree una cámara utilizable en el espacio podrá ponerla en órbita, sin necesidad de cubrir los costos de construir toda una plataforma espacial. Con este acceso avanzado y casi ilimitado al espacio, Starlink ya se asocia con satélites, mientras que los productores históricos quedan en el pasado.
En la historia hay ejemplos de empresas previsivas que ocuparon un nicho tan grande en el mercado que sus nombres se convirtieron en sustantivos: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
El problema puede surgir cuando una empresa pionera recurre a prácticas anticompetitivas para mantener su cuota de mercado, aunque desde la época del presidente Reagan esto a menudo no está prohibido. SpaceX podría mantener el monopolio de Starlink, obligando a otros desarrolladores de constelaciones satelitales a lanzar satélites en antiguos cohetes soviéticos. Acciones similares fueron emprendidas por , junto con la fijación de precios para el transporte de correo, llevó a su colapso en 1934. Afortunadamente, SpaceX probablemente no mantendrá para siempre un monopolio absoluto sobre cohetes reutilizables.
Aún más preocupante es que el despliegue por parte de SpaceX de decenas de miles de satélites en órbita baja puede diseñarse como una apropiación del patrimonio común. Una empresa privada, persiguiendo beneficios personales, se adueñará de posiciones orbitales que antes eran de acceso público y no estaban ocupadas por nadie. Y aunque las innovaciones de SpaceX han permitido obtener ganancias reales en el vacío, gran parte del capital intelectual de SpaceX se ha construido sobre miles de millones de dólares asignados a la investigación.
Por un lado, se necesitan leyes que protejan los fondos de inversiones privadas, investigación y desarrollo. Sin esta protección, los innovadores no podrán financiar proyectos ambiciosos o trasladarán sus empresas a lugares que les brinden tal protección. De cualquier modo, el público sufre porque no se genera rentabilidad. Por otro lado, se requieren leyes que protejan a las personas, los propietarios nominales del patrimonio común, incluido el cielo, de entidades privadas orientadas al alquiler que anexionan bienes públicos. Ni una cosa ni la otra es correcta ni siquiera posible por sí sola. Los desarrollos de SpaceX ofrecen la oportunidad de encontrar un término medio en este nuevo mercado. Comprenderemos que se ha encontrado cuando maximicemos la frecuencia de innovaciones y la creación de bienestar público.
Reflexiones finales
Escribí este artículo justo después de terminar otro — . Ha sido una semana agitada. Tanto Starship como Starlink son tecnologías revolucionarias que se están creando ante nuestros ojos, en nuestras vidas. Si llego a ver a mis nietos crecer, se asombrarán más de que yo sea más viejo que Starlink, en lugar de que en mi infancia no había teléfonos celulares (exhibiciones de museos) o internet accesible en general.
Los ricos y los militares han estado utilizando internet satelital desde hace tiempo, pero un Starlink generalizado, común y económico es simplemente imposible sin Starship.
Se ha estado hablando sobre el lanzamiento desde hace mucho tiempo, sin embargo, Starship, un sistema de bajo costo y por lo tanto interesante, no es posible sin Starlink.
Ha habido conversaciones sobre la cosmonáutica tripulada durante mucho tiempo, y si tú eres un , entonces tienes luz verde. Con Starship y Starlink, la exploración espacial por parte del ser humano es un futuro alcanzable y cercano, donde está a un paso de una base orbital a ciudades industrializadas en el espacio lejano.
Fuente: habr.com
