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— El plan de SpaceX de distribuir Internet a través de decenas de miles de satélites es el tema principal en la prensa relacionada con el espacio. Semanalmente se publican artículos sobre los últimos logros. Si en general el esquema es claro, y después de leer , una persona bien motivada (por ejemplo, un servidor) puede desenterrar muchos detalles. Sin embargo, todavía existen muchos conceptos erróneos asociados con esta nueva tecnología, incluso entre observadores ilustrados. No es raro ver artículos que comparan Starlink con OneWeb y Kuiper (entre otros) como si estuvieran compitiendo en igualdad de condiciones. Otros autores, claramente preocupados por el bien del planeta, claman por la basura espacial, el derecho espacial, las normas y la seguridad de la astronomía. Espero que después de leer este artículo bastante largo, el lector comprenda mejor y se sienta inspirado por la idea de Starlink.
Tocó inesperadamente una fibra sensible en el alma de mis pocos lectores. En él, expliqué cómo Starship pondría a SpaceX a la vanguardia durante mucho tiempo y, al mismo tiempo, proporcionaría un vehículo para una nueva exploración espacial. La implicación es que la industria satelital tradicional no puede seguir el ritmo de SpaceX, que ha estado aumentando constantemente la capacidad y reduciendo los costos de su familia de cohetes Falcon, lo que coloca a SpaceX en una posición difícil. Por un lado, formó un mercado que valía, en el mejor de los casos, varios miles de millones al año. Por otro lado, alimentó un apetito insaciable de dinero, para la construcción de un enorme cohete, en el que, sin embargo, casi no hay nadie a quien enviar a Marte, y no se pueden esperar ganancias inmediatas.
La solución a este problema de emparejamiento es Starlink. Al ensamblar y lanzar sus propios satélites, SpaceX podría crear y definir un nuevo mercado para un acceso altamente eficiente y democratizado a las comunicaciones en el espacio, generar financiamiento para construir un cohete antes de que hunda a la compañía y aumentar su valor económico a billones. No subestimes la magnitud de las ambiciones de Elon. Hay un número limitado de industrias de billones de dólares: energía, transporte de alta velocidad, comunicaciones, TI, atención médica, agricultura, gobierno, defensa. A pesar de los conceptos erróneos comunes, , и - el negocio no es viable. Elon ha entrado en el espacio energético con su Tesla, pero sólo las telecomunicaciones proporcionarán un mercado fiable y espacioso para satélites y lanzamientos de cohetes.
Elon Musk centró su atención en el espacio por primera vez cuando quiso invertir 80 millones de dólares gratis en una misión para cultivar plantas en una sonda a Marte. Construir una ciudad en Marte probablemente costaría 100 veces más, por lo que Starlink es la principal apuesta de Musk para proporcionar una avalancha de dinero de patrocinio muy necesario. .
¿Por qué?
He estado planeando este artículo durante mucho tiempo, pero recién la semana pasada obtuve una imagen completa. Luego, la presidenta de SpaceX, Gwynne Shotwell, le concedió a Rob Baron una entrevista impresionante, que luego cubrió para CNBC en un gran Michael Sheetz, y a quien fue dedicado . Esta entrevista mostró una gran diferencia en los enfoques de las comunicaciones por satélite entre SpaceX y todos los demás.
Concepto nació en 2012, cuando SpaceX se dio cuenta de que sus clientes, principalmente proveedores de satélites, tenían enormes reservas de dinero. Los sitios de lanzamiento están aumentando los precios para desplegar satélites y de alguna manera se están perdiendo un paso del trabajo. ¿Cómo puede ser eso? Elon soñaba con crear una constelación de satélites para Internet y, incapaz de resistirse a la tarea casi imposible, inició el proceso. Desarrollo de enlace estrella , pero al final de este artículo usted, mi lector, probablemente se sorprenderá de lo pequeñas que son en realidad estas dificultades, dado el alcance de la idea.
¿Es necesaria una agrupación tan grande para Internet? ¿Y por qué ahora?
Sólo en mi memoria Internet ha pasado de ser un mimo puramente académico a la primera y única infraestructura revolucionaria. Este no es un tema que merezca un artículo completo, pero supongo que a nivel mundial, la necesidad de Internet y los ingresos que genera seguirán creciendo aproximadamente un 25% anual.
Hoy en día, casi todos obtenemos Internet de un pequeño número de monopolios geográficamente aislados. En Estados Unidos, AT&T, Time Warner, Comcast y un puñado de actores más pequeños se han dividido el territorio para evitar la competencia, cobran tres máscaras por los servicios y disfrutan de los rayos de un odio casi universal.
Hay una buena razón para que los proveedores no sean competitivos: más allá de la codicia que todo lo consume. Construir la infraestructura para Internet (torres de telefonía celular de microondas y fibra óptica) es muy, muy costoso. Es fácil olvidar la maravillosa naturaleza de Internet. Mi abuela trabajó por primera vez en la Segunda Guerra Mundial como operadora de comunicaciones, pero luego el telégrafo compitió por el papel estratégico principal con las palomas mensajeras. Para la mayoría de nosotros, la autopista de la información es algo efímero, intangible, pero los bits viajan a través del mundo físico, que tiene fronteras, ríos, montañas, océanos, tormentas, desastres naturales y otros obstáculos. En 1996, cuando se tendió la primera línea de fibra óptica a lo largo del fondo del océano, . Con su característico estilo agudo, describe vívidamente el enorme costo y la complejidad de trazar estas líneas, por las que todavía corren los malditos "kotegs". Durante la mayor parte de la década de 2000, se tiraron tantos cables que el costo de implementación fue asombroso.
Hubo un tiempo en que trabajé en un laboratorio de óptica y (si la memoria no me falla) batimos el récord de ese tiempo, entregando una velocidad de transmisión multiplex de 500 Gb/seg. Las limitaciones electrónicas permitieron cargar cada fibra al 0,1% de su capacidad teórica. Quince años después, estamos dispuestos a superar el umbral: si la transmisión de datos lo supera, la fibra se derretirá, y ya estamos muy cerca de ello.
Pero necesitamos elevar el flujo de datos por encima de la Tierra pecadora, al espacio, donde el satélite gira libremente la "bola" 30 veces en cinco años. Parecería una solución obvia, entonces ¿por qué nadie la ha adoptado antes?
La constelación de satélites Iridium, desarrollada y desplegada a principios de la década de 1990 por Motorola (¿los recuerdas?), se convirtió en la primera red global de comunicaciones en órbita baja (como se describe tentadoramente en ). Cuando se implementó, la capacidad de enrutar pequeños paquetes de datos desde rastreadores de activos resultó ser su único uso: los teléfonos celulares se habían vuelto tan baratos que los teléfonos satelitales nunca despegaron. Iridium tenía 66 satélites (más algunos de repuesto) en 6 órbitas, el mínimo establecido para cubrir todo el planeta.
Si Iridium necesitaba 66 satélites, ¿por qué SpaceX necesita decenas de miles? ¿Cómo es tan diferente?
SpaceX entró en este negocio desde el extremo opuesto: comenzó con lanzamientos. Se convirtió en pionero en el campo de la conservación de vehículos de lanzamiento y así capturó el mercado de plataformas de lanzamiento de bajo coste. Intentar superarlos con un precio más bajo no le reportará mucho dinero, por lo que la única forma de beneficiarse de alguna manera de su exceso de poder es convertirse en su cliente. Los costos de SpaceX para lanzar sus propios satélites - (por 1 kg) de iridio y, por lo tanto, pueden ingresar a un mercado mucho más amplio.
La cobertura mundial de Starlink brindará acceso a Internet de alta calidad en cualquier parte del mundo. Por primera vez, la disponibilidad de Internet no dependerá de la proximidad de un país o ciudad a una línea de fibra óptica, sino de la claridad del cielo. Los usuarios de todo el mundo tendrán acceso a una Internet global sin restricciones, independientemente de sus propios grados de maldad y/o nefastos monopolios gubernamentales. La capacidad de Starlink para romper estos monopolios catalizará un cambio positivo a una escala increíble que finalmente unirá a miles de millones de personas en la comunidad cibernética global del futuro.
Una breve digresión lírica: ¿qué significa esto?
Para las personas que crecen en la era actual de conectividad ubicua, Internet es como el aire que respiramos. Él simplemente lo es. Pero esto, si nos olvidamos de su increíble poder para generar cambios positivos, ya estamos en el centro mismo de ello. Con la ayuda de Internet, las personas pueden responsabilizar a sus líderes, comunicarse con otras personas al otro lado del mundo, compartir pensamientos e inventar algo nuevo. Internet une a la humanidad. La historia de la modernización es la historia del desarrollo de las capacidades de intercambio de datos. Primero, a través de discursos y poesía épica. Luego, por escrito, que da voz a los muertos y ellos se vuelven hacia los vivos; La escritura permite almacenar datos y hace posible la comunicación asincrónica. La prensa escrita puso en marcha la producción de noticias. Comunicación electrónica: ha acelerado la transferencia de datos en todo el mundo. Los dispositivos personales para tomar notas se han vuelto gradualmente más complejos, evolucionando desde computadoras portátiles hasta teléfonos celulares, cada uno de los cuales es una computadora conectada a Internet, repleta de sensores y cada vez mejor a la hora de anticipar nuestras necesidades.
Una persona que utiliza la escritura y una computadora en el proceso de cognición tiene más posibilidades de superar las limitaciones de un cerebro imperfectamente desarrollado. Lo que es aún mejor es que los teléfonos móviles son a la vez potentes dispositivos de almacenamiento y un mecanismo para intercambiar ideas. Mientras que la gente solía confiar en el discurso garabateado en cuadernos para compartir sus pensamientos, hoy la norma es que los cuadernos compartan ideas que las personas han generado. El esquema tradicional ha sufrido una inversión. Una continuación lógica del proceso es una cierta forma de metacognición colectiva, a través de dispositivos personales, y conectados entre sí. Y aunque todavía podemos sentir nostalgia por nuestra conexión perdida con la naturaleza y la soledad, es importante recordar que la tecnología y por sí sola es responsable de la mayor parte de nuestra liberación de los ciclos "naturales" de ignorancia, muerte prematura (que pueden ser evitar), la violencia, el hambre y las caries dentales.
¿Cómo?
Hablemos del modelo de negocio y la arquitectura del proyecto Starlink.
Para que Starlink se convierta en una empresa rentable, la entrada de fondos debe exceder los costos de construcción y operación. Tradicionalmente, la inversión de capital implica costos iniciales más altos, financiación especializada sofisticada y mecanismos de seguro para lanzar un satélite. Un satélite de comunicaciones geoestacionario puede costar 500 millones de dólares y tardar cinco años en montarse y lanzarse. Por lo tanto, las empresas en este campo construyen simultáneamente aviones a reacción o portacontenedores. Gastos enormes, una afluencia de fondos que apenas cubre los costos de financiación y un presupuesto operativo relativamente pequeño. En contraste, la caída del Iridium original fue que Motorola obligó al operador a pagar tarifas de licencia abrumadoras, llevando a la empresa a la quiebra en tan sólo unos meses.
Para hacer este tipo de negocios, las empresas tradicionales de satélites tenían que atender a clientes privados y cobrar altas tarifas de datos. Las aerolíneas, los puestos avanzados remotos, los barcos, las zonas de guerra y la infraestructura clave pagan alrededor de 5 dólares por MB, lo que es 1 veces más caro que el ADSL tradicional, a pesar de la latencia y el rendimiento satelital relativamente bajo.
Starlink planea competir con los proveedores de servicios terrestres, lo que significa que tendrá que entregar datos más baratos e, idealmente, cobrar mucho menos de 1 dólar por 1 MB. es posible? O, dado que esto es posible, deberíamos preguntarnos: ¿cómo es posible?
El primer ingrediente de un plato nuevo es un lanzamiento económico. Hoy en día, Falcon vende una lancha de 24 toneladas por unos 60 millones de dólares, es decir, 2500 dólares por 1 kg. Sin embargo, resulta que hay muchos más costes internos. Los satélites Starlink se lanzarán en vehículos de lanzamiento reutilizables, por lo que el costo marginal de un lanzamiento es el costo de una nueva segunda etapa (alrededor de 4 millones de dólares), carenados (1 millón) y apoyo terrestre (~1 millón). Total: unos 100 mil dólares por satélite, es decir. más de 1000 veces más barato que lanzar un satélite de comunicaciones convencional.
Sin embargo, la mayoría de los satélites Starlink se lanzarán en Starship. De hecho, la evolución de Starlink, como muestran los informes actualizados a la FCC, proporciona algunas Arquitectura interna del proyecto. El número total de satélites de la constelación aumentó de 1 a 584, luego a 2 y finalmente a 825. Si hay que creer en las acumulaciones brutas, la cifra es aún mayor. El número mínimo de satélites para que la primera fase de desarrollo del proyecto sea viable es de 7 en 518 órbitas (30 en total), mientras que la cobertura total dentro de los 000 grados del ecuador requiere 60 órbitas de 6 satélites (360 en total). Son 53 lanzamientos para Falcon por apenas 24 millones de dólares en costos internos. Starship, por otro lado, está diseñado para lanzar hasta 60 satélites a la vez, aproximadamente por el mismo precio. Los satélites Starlink deberán reemplazarse cada 1440 años, por lo que 24 satélites requerirían 150 lanzamientos de Starship por año. Costará unos 400 millones al año, o 5 por satélite. Cada satélite lanzado a bordo del Falcon pesa 6000 kg; Los satélites levantados en Starship podrían pesar 15 kg y llevar instrumentos de terceros, ser algo más grandes y aún así no exceder la carga permitida.
¿En qué consiste el coste de los satélites? Entre sus hermanos, los satélites Starlink son algo inusuales. Se ensamblan, almacenan y lanzan en plano y, por lo tanto, son extremadamente fáciles de producir en masa. La experiencia demuestra que el coste de producción debería ser aproximadamente igual al coste del lanzador. Si la diferencia de precio es grande, significa que los recursos se están asignando incorrectamente, ya que la reducción integral de los costos marginales mientras se reducen los costos no es tan grande. ¿Es realmente posible pagar 100 dólares por satélite por un primer lote de varios centenares? En otras palabras, ¿el satélite Starlink en un dispositivo no es más complejo que una máquina?
Para responder plenamente a esta pregunta, debemos entender por qué el coste de un satélite de comunicaciones en órbita es 1000 veces mayor, aunque no sea 1000 veces más complejo. En pocas palabras, ¿por qué el hardware espacial es tan caro? Hay muchas razones para ello, pero la más convincente en este caso es la siguiente: si poner en órbita un satélite (antes del Falcon) cuesta más de 100 millones, hay que garantizar que funcione durante muchos años para poder poner al menos algo de ganancia. Garantizar tal confiabilidad en el funcionamiento del primer y único producto es un proceso doloroso y puede prolongarse durante años y requerir el esfuerzo de cientos de personas. Agregue los costos y es fácil justificar los procesos adicionales cuando su lanzamiento ya es costoso.
Starlink rompe este paradigma al construir cientos de satélites, corregir rápidamente los primeros defectos de diseño y utilizar técnicas de producción en masa para controlar los costos. Personalmente, puedo imaginar fácilmente una línea de ensamblaje de Starlink donde un técnico integra algo nuevo en el diseño y mantiene todo junto con una brida de plástico (nivel de la NASA, por supuesto) en una o dos horas, manteniendo el nivel de reemplazo requerido de 16 satélites/día. El satélite Starlink consta de muchas piezas complejas, pero no veo ninguna razón por la que el coste de la milésima unidad que sale de la línea de montaje no pueda reducirse a 20 XNUMX. De hecho, en mayo, Elon escribió en Twitter que el coste de producir un satélite es ya es inferior al coste de lanzamiento.
Tomemos el caso promedio y analicemos el tiempo de recuperación, redondeando los números. Un satélite Starlink, cuyo montaje y lanzamiento cuesta 100 mil, dura 5 años. ¿Se amortizará solo y, de ser así, en qué plazo?
En cinco años, el satélite Starlink dará 5 vueltas a la Tierra. En cada una de estas órbitas de una hora y media, pasará la mayor parte del tiempo sobre el océano y quizás 30 segundos sobre una ciudad densamente poblada. Durante este breve período, transmite los datos y se apresura a ganar dinero. Suponiendo que la antena admite 000 haces y cada haz transmite 100 Mbps utilizando un tipo de codificación moderno , entonces el satélite genera 1000 dólares de beneficio por órbita, con un precio de suscripción de 1 dólar por 1 GB. Esto es suficiente para recuperar el costo de implementación de 100 mil en una semana y simplifica enormemente la estructura de capital. Los 29 giros restantes son ganancias menos costos fijos.
Las cifras estimadas pueden variar mucho en ambas direcciones. Pero en cualquier caso, si es posible lanzar una constelación de satélites de alta calidad a órbita baja por 100, o incluso por 000 millón por unidad, se trata de una petición seria. Incluso con su tiempo de uso ridículamente corto, el satélite Starlink es capaz de entregar 1 PB de datos durante su vida útil, a un costo amortizado de $30 por GB. Al mismo tiempo, cuando se transmite a distancias más largas, los costos marginales prácticamente no aumentan.
Para comprender la importancia de este modelo, comparémoslo rápidamente con otros dos modelos para entregar datos a los consumidores: un cable de fibra óptica tradicional y una constelación de satélites ofrecida por una empresa que no se especializa en el lanzamiento de satélites.
, que conecta Francia y Singapur, se puso en funcionamiento en 2005. Ancho de banda: 1,28 Tb/s, coste de implementación: 500 millones de dólares. Si funciona al 10% de su capacidad durante 100 años y los costos generales ascienden al 100% de los costos de capital, entonces el precio de transferencia será de 0,02 dólares por 1 GB. Los cables transatlánticos son más cortos y ligeramente más baratos, pero el cable submarino es sólo una entidad en una larga cadena de personas que quieren dinero a cambio de datos. La estimación media de Starlink resulta 8 veces más barata y, al mismo tiempo, tienen todo incluido.
¿Cómo es esto posible? El satélite Starlink incluye todo el sofisticado hardware de conmutación electrónica necesario para conectar cables de fibra óptica, pero utiliza una aspiradora en lugar de cables costosos y frágiles para transmitir datos. La transmisión a través del espacio reduce la cantidad de monopolios acogedores y moribundos, lo que permite a los usuarios comunicarse a través de incluso menos hardware.
Comparémoslo con el desarrollador de satélites competidor OneWeb. OneWeb planea crear una constelación de 600 satélites, que lanzará a través de proveedores comerciales a un costo de aproximadamente 20 dólares por 000 kg. El peso de un satélite es de 1 kg, es decir, en una situación ideal, el lanzamiento de una unidad costará aproximadamente 150 millones. El costo del hardware satelital se estima en 3 millón por satélite, es decir. El coste de todo el grupo será de 1 millones en 2027. Las pruebas realizadas por OneWeb mostraron un rendimiento de 2,6 Mb/s. en el pico, idealmente, para cada uno de los 50 rayos. Siguiendo el mismo patrón que utilizamos para calcular el coste de Starlink, obtenemos: cada satélite OneWeb genera 16 dólares por órbita, y en sólo 80 años generará 5 millones de dólares, lo que apenas cubre los costes de lanzamiento, si se cuenta también la transmisión de datos a regiones remotas. . En total obtenemos $2,4 por 1,70 GB.
Recientemente se citó a Gwynne Shotwell diciendo que , lo que implica un precio competitivo de 0,10 dólares por 1 GB. Y esto sigue siendo con la configuración original de Starlink: con una producción menos optimizada, lanzamiento en Falcon y limitaciones en la transmisión de datos, y sólo con cobertura del norte de Estados Unidos. Resulta que SpaceX tiene una ventaja innegable: hoy pueden lanzar un satélite mucho más adecuado a un precio (por unidad) 15 veces menor que el de sus competidores. Starship aumentará su ventaja 100 veces, si no más, por lo que no es difícil imaginar que SpaceX lance 2027 satélites para 30 por menos de mil millones de dólares, la mayor parte de los cuales los proporcionará de su propia billetera.
Estoy seguro de que hay análisis más optimistas sobre OneWeb y otros desarrolladores emergentes de constelaciones de satélites, pero todavía no sé cómo funcionan las cosas para ellos.
Recientemente Morgan Stanley que los satélites Starlink costarán 1 millón para el montaje y 830 mil para el lanzamiento. . Curiosamente, las cifras son similares a nuestras estimaciones de costos de OneWeb y son aproximadamente 10 veces más altas que la estimación original de Starlink. El uso de Starship y la producción de satélites comerciales podría reducir el coste del despliegue de satélites a unos 35 por unidad. Y ésta es una cifra sorprendentemente baja.
El último punto que queda es comparar el beneficio por 1 vatio de energía solar generado para Starlink. Según las fotografías de su sitio web, el panel solar de cada satélite tiene un área de aproximadamente 60 metros cuadrados, es decir. En promedio genera aproximadamente 3 kW o 4,5 kWh por revolución. Como estimación aproximada, cada órbita generará 1000 dólares y cada satélite generará aproximadamente 220 dólares por kWh. Esto es 10 veces el coste mayorista de la energía solar, lo que una vez más lo confirma: . Y modular las microondas para la transmisión de datos supone un coste añadido exorbitante.
Arquitectura
En la sección anterior, presenté de manera bastante aproximada una parte no trivialmente significativa de la arquitectura Starlink: cómo funciona con la densidad de población extremadamente desigual del planeta. El satélite Starlink emite rayos enfocados que crean manchas en la superficie del planeta. Los suscriptores dentro de un lugar comparten un ancho de banda. El tamaño del punto está determinado por la física fundamental: inicialmente su ancho es (altura del satélite x longitud del microondas / diámetro de la antena), que para un satélite Starlink es, en el mejor de los casos, un par de kilómetros.
En la mayoría de las ciudades, la densidad de población es de aproximadamente 1000 personas/km100, aunque en algunos lugares es mayor. En algunas zonas de Tokio o Manhattan puede haber más de 000 personas por lugar. Afortunadamente, cualquier ciudad tan densamente poblada tiene un mercado interno competitivo para Internet de banda ancha, sin mencionar una red de telefonía móvil altamente desarrollada. Pero, sea como fuere, si en un momento dado hay muchos satélites de la misma constelación sobre la ciudad, el rendimiento puede aumentar mediante la diversidad espacial de las antenas, así como mediante la distribución de frecuencias. Es decir, decenas de satélites pueden enfocar el haz más potente en un punto, y los usuarios de esa región utilizarán terminales terrestres que distribuyen la solicitud entre los satélites.
Si en las etapas iniciales el mercado más adecuado para vender servicios son las zonas remotas, rurales o suburbanas, entonces los fondos para futuros lanzamientos provendrán de mejores servicios para ciudades densamente pobladas. El escenario es exactamente lo opuesto al patrón estándar de expansión del mercado, en el que los servicios competitivos dirigidos a las ciudades sufren inevitablemente una disminución de sus ganancias a medida que intentan expandirse a áreas más pobres y menos pobladas.
Hace varios años, cuando hice los cálculos, .
Tomé los datos de esta imagen y creé los 3 gráficos a continuación. El primero muestra la frecuencia del área terrestre por densidad de población. Lo más interesante es que la mayor parte de la Tierra no está habitada en absoluto, mientras que prácticamente ninguna región tiene más de 100 habitantes por kilómetro cuadrado.
El segundo gráfico muestra la frecuencia de personas por densidad de población. Y aunque la mayor parte del planeta está deshabitada, la mayor parte de la gente vive en zonas donde hay entre 100 y 1000 personas por kilómetro cuadrado. La naturaleza extendida de este pico (un orden de magnitud mayor) refleja la bimodalidad en los patrones de urbanización. 100 personas/km1000. es una zona rural relativamente escasamente poblada, mientras que la cifra de 10 personas/km000. ya característico de los suburbios. Los centros de las ciudades muestran fácilmente 25 personas/km000, pero la población de Manhattan es de XNUMX personas/kmXNUMX.
El tercer gráfico muestra la densidad de población por latitud. Se puede observar que casi todas las personas se concentran entre los 20 y 40 grados de latitud norte. Esto es, en general, lo que sucedió geográfica e históricamente, ya que una gran parte del hemisferio sur está ocupada por el océano. Y, sin embargo, tal densidad de población es un desafío de enormes proporciones para los arquitectos del grupo, porque... Los satélites pasan la misma cantidad de tiempo en ambos hemisferios. Además, un satélite que orbita la Tierra en un ángulo de, digamos, 50 grados pasará más tiempo más cerca de los límites de latitud especificados. Es por eso que Starlink requiere solo 6 órbitas para servir al norte de EE. UU., en comparación con 24 para cubrir el ecuador.
De hecho, si se combina el gráfico de densidad de población con el gráfico de densidad de la constelación de satélites, la elección de las órbitas se vuelve obvia. Cada gráfico de barras representa una de las cuatro presentaciones ante la FCC de SpaceX. Personalmente, me parece que cada nuevo informe es como una adición al anterior, pero en cualquier caso, no es difícil ver cómo los satélites adicionales aumentan la capacidad en las regiones correspondientes del hemisferio norte. En cambio, en el hemisferio sur sigue habiendo una importante capacidad no utilizada: ¡alégrate, Australia!
¿Qué pasa con los datos del usuario cuando llegan al satélite? En la versión original, el satélite Starlink los transmitió inmediatamente a una estación terrestre dedicada cerca de las áreas de servicio. Esta configuración se denomina "relé directo". En el futuro, los satélites Starlink podrán comunicarse entre sí mediante láser. El intercambio de datos alcanzará su punto máximo en ciudades densamente pobladas, pero los datos se pueden distribuir a través de una red de láseres en dos dimensiones. En la práctica, esto significa que existe una gran oportunidad para una red de retorno de comunicaciones encubierta en una red de satélites, lo que significa que los datos del usuario pueden "retransmitirse a la Tierra" en cualquier lugar adecuado. En la práctica, me parece que las estaciones terrestres de SpaceX se combinarán con fuera de las ciudades.
Resulta que la comunicación entre satélites no es una tarea trivial a menos que los satélites se muevan juntos. Los informes más recientes a la FCC informan sobre 11 constelaciones orbitales distintas de satélites. Dentro de un grupo determinado, los satélites se mueven a la misma altitud, en el mismo ángulo y con la misma excentricidad, lo que significa que los láseres pueden encontrar satélites muy próximos con relativa facilidad. Pero las velocidades de acercamiento entre grupos se miden en km/seg, por lo que la comunicación entre grupos, si es posible, debe realizarse a través de enlaces de microondas cortos y rápidamente controlables.
La topología de grupos orbitales es como la teoría de la luz onda-partícula y no se aplica particularmente a nuestro ejemplo, pero creo que es hermosa, así que la incluí en el artículo. Si no está interesado en esta sección, pase directamente a "Límites de la física fundamental".
Un toroide (o donut) es un objeto matemático definido por dos radios. Es bastante sencillo dibujar círculos en la superficie de un toro: paralelos o perpendiculares a su forma. Quizás te resulte interesante descubrir que hay otras dos familias de círculos que se pueden dibujar en la superficie de un toro, y que ambos pasan a través de un agujero en su centro y alrededor del contorno. Este es el llamado , y utilicé este diseño cuando diseñé el toroide para la bobina Burning Man Tesla en 2015.
Y aunque las órbitas de los satélites son, estrictamente hablando, elipses y no círculos, el mismo diseño se aplica a Starlink. Una constelación de 4500 satélites en múltiples planos orbitales, todos en el mismo ángulo, forman una formación en continuo movimiento sobre la superficie de la Tierra. La formación dirigida hacia el norte por encima de un punto de latitud determinado gira y retrocede hacia el sur. Para evitar colisiones, las órbitas se alargarán ligeramente, de modo que la capa que se mueve hacia el norte estará varios kilómetros por encima (o debajo) de la que se mueve hacia el sur. Juntas, ambas capas forman un toroide expandido, como se muestra a continuación en el diagrama muy exagerado.
Permítanme recordarles que dentro de este toro la comunicación se realiza entre satélites vecinos. En general, no existen conexiones directas y continuas entre satélites en diferentes capas, ya que las velocidades de aproximación para la guía láser son demasiado altas. La ruta de transmisión de datos entre las capas discurre a su vez por encima o por debajo del toroide.
¡Un total de 30 satélites estarán ubicados en 000 toros anidados, muy por detrás de la órbita de la ISS! Este diagrama muestra cómo se empaquetan todas estas capas, sin exagerar la excentricidad.
Finalmente, debes pensar en la altitud óptima de vuelo. Existe un dilema: ¿baja altitud, que proporciona un mayor rendimiento con haces de menor tamaño, o gran altitud, que permite cubrir todo el planeta con menos satélites? Con el tiempo, los informes de SpaceX a la FCC hablaban de altitudes cada vez más bajas porque, a medida que Starship mejora, permite desplegar rápidamente constelaciones más grandes.
La baja altitud tiene otros beneficios, incluido un menor riesgo de colisión con desechos espaciales o las consecuencias negativas de fallas de los equipos. Debido al aumento de la resistencia atmosférica, los satélites Starlink más bajos (330 km) se quemarán a las pocas semanas de perder el control de actitud. De hecho, 300 km es una altitud a la que los satélites apenas vuelan, y para mantener la altitud será necesario un motor de cohete eléctrico Krypton incorporado, así como un diseño aerodinámico. En teoría, un satélite bastante puntiagudo propulsado por un motor de cohete eléctrico puede mantener de manera estable una altitud de 160 km, pero es poco probable que SpaceX lance satélites tan bajo, porque tiene algunos trucos más bajo la manga para aumentar la capacidad.
Limitaciones de la física fundamental
Parece poco probable que el costo de albergar un satélite caiga alguna vez muy por debajo de los 35 mil, incluso si la producción está avanzada y completamente automatizada, y las naves Starship son completamente reutilizables, y aún no se sabe completamente qué restricciones impondrá la física al satélite. . El análisis anterior supone un rendimiento máximo de 80 Gbps. (si redondea hasta 100 haces, cada uno de los cuales es capaz de transmitir 100 Mbps).
El límite máximo de capacidad del canal está establecido en y se proporciona en las estadísticas de ancho de banda (1+SNR). El ancho de banda suele ser limitado , mientras que SNR es la energía disponible del satélite, el ruido de fondo y la interferencia en el canal debido a . Otro obstáculo notable es la velocidad de procesamiento. Los últimos FPGA Xilinx Ultrascale+ tienen , lo cual es bueno dadas las limitaciones actuales de la capacidad de información del canal sin desarrollar ASIC personalizados. Pero incluso entonces 58 Gb/seg. requerirá una distribución de frecuencia impresionante, probablemente en las bandas Ka o V. V (40–75 GHz) tiene ciclos más accesibles, pero está sujeto a una mayor absorción por parte de la atmósfera, especialmente en zonas húmedas.
¿Son prácticos 100 haces? Este problema tiene dos aspectos: el ancho del haz y la densidad de elementos del conjunto en fase. El ancho del haz está determinado por la longitud de onda dividida por el diámetro de la antena. La antena digital en fase sigue siendo una tecnología especializada, pero las dimensiones máximas útiles están determinadas por el ancho. (aproximadamente 1 m), y el uso de comunicaciones por radiofrecuencia es más caro. El ancho de onda en la banda Ka es de aproximadamente 1 cm, mientras que el ancho del haz debe ser de 0,01 radianes, con un ancho de espectro del 50% de la amplitud. Suponiendo un ángulo sólido del haz de 1 estereorradián (similar a la cobertura de una lente de cámara de 50 mm), entonces 2500 haces individuales serían suficientes en esta área. La linealidad implica que 2500 haces requerirían un mínimo de 2500 elementos de antena dentro del conjunto, lo cual es, en principio, posible, aunque difícil de lograr. ¡Y todo esto se pondrá muy caliente!
Hasta 2500 canales, cada uno de los cuales admite 58 Gb/s, es una enorme cantidad de información; en términos generales, 145 Tb/s. A modo de comparación, todo el tráfico de Internet en 2020 . Buenas noticias para quienes están preocupados por el ancho de banda fundamentalmente bajo de Internet por satélite. Si una constelación de 30 satélites entra en funcionamiento para 000, el tráfico global de Internet ascenderá potencialmente a 2026 Tb/s. Si la mitad de esta capacidad fuera entregada por ~800 satélites en áreas densamente pobladas en un momento dado, entonces el rendimiento máximo por satélite sería de aproximadamente 500 Gbps, que es 800 veces mayor que nuestros cálculos básicos originales, es decir, la afluencia de financiación aumenta potencialmente 10 veces.
Para un satélite en una órbita de 330 kilómetros, un haz de 0,01 radianes cubre un área de 10 kilómetros cuadrados. En zonas especialmente densamente pobladas como Manhattan, viven hasta 300 personas. ¿Qué pasa si todos empiezan a ver Netflix a la vez (000 Mbps en calidad HD)? La solicitud de datos total será de 7 GB/seg, que es aproximadamente 2000 veces el límite estricto actual impuesto por la interfaz serie FPGA. Hay dos salidas a esta situación, de las cuales sólo una es físicamente posible.
La primera es poner más satélites en órbita para que en un momento dado haya más de 35 sobrevolando zonas de gran demanda. Si volvemos a tomar 1 estereorradián para un área aceptable del cielo direccionable y una altitud orbital promedio de 400 km, obtenemos una densidad de agrupación de 0,0002 / m100. km, o 000 en total, si se distribuyen uniformemente toda la superficie del globo. Recordemos que las órbitas elegidas por SpaceX aumentan drásticamente la cobertura sobre áreas densamente pobladas dentro de los 20 a 40 grados de latitud norte, y ahora la cantidad de 30 satélites parece mágica.
La segunda idea es mucho más interesante, pero, lamentablemente, irrealizable. Recuerde que el ancho del haz está determinado por el ancho de la antena en fase. ¿Qué pasaría si múltiples conjuntos en múltiples satélites combinaran energía para crear un haz más estrecho, tal como lo hacen los radiotelescopios como este? (sistema de antena muy grande)? Este método presenta una complicación: la base entre los satélites deberá calcularse cuidadosamente (con precisión submilimétrica) para estabilizar la fase del haz. E incluso si esto fuera posible, sería poco probable que el haz resultante contuviera los lóbulos laterales, debido a la baja densidad de la constelación de satélites en el cielo. En tierra, el ancho del haz se reduciría a unos pocos milímetros (suficiente para rastrear la antena de un teléfono celular), pero habría millones de ellos debido a una débil anulación intermedia. Gracias .
Resulta que la separación de canales por diversidad angular (después de todo, los satélites están espaciados a lo largo del cielo) proporciona mejoras adecuadas en el rendimiento sin violar las leyes de la física.
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¿Cuál es el perfil de cliente de Starlink? Por defecto, se trata de cientos de millones de usuarios con antenas del tamaño de cajas de pizza en sus tejados, pero existen otras fuentes de altos ingresos.
En áreas remotas y rurales, las estaciones terrestres no necesitan antenas en fase para maximizar el ancho del haz, por lo que son posibles dispositivos de abonado más pequeños, desde rastreadores de activos de IoT hasta teléfonos satelitales portátiles, balizas de emergencia o instrumentos científicos para el seguimiento de animales.
En entornos urbanos densos, Starlink proporcionará backhaul primario y de respaldo a la red celular. Cada torre de telefonía móvil podría tener una estación terrestre de alto rendimiento en la parte superior, pero utilizar fuentes de alimentación terrestres para la amplificación y la transmisión de última milla.
Por último, incluso en zonas congestionadas durante el despliegue inicial, son posibles aplicaciones para satélites de órbita baja con una latencia excepcionalmente baja. Las propias empresas financieras ponen mucho dinero en sus manos, sólo para obtener datos vitales de todos los rincones del mundo al menos un poco más rápido. Y aunque los datos a través de Starlink tienen un viaje más largo de lo habitual (a través del espacio), la velocidad de propagación de la luz en el vacío es un 50% mayor que en el vidrio de cuarzo, y esto compensa con creces la diferencia cuando se transmite a distancias más largas.
Efectos negativos
La última sección trata de las consecuencias negativas. El propósito del artículo es aclararle cualquier idea errónea sobre el proyecto, y las posibles consecuencias negativas de la controversia son las más preocupantes. Daré alguna información, absteniéndome de interpretaciones innecesarias. Todavía no soy clarividente y no tengo información privilegiada de SpaceX.
En mi opinión, las consecuencias más graves provienen del mayor acceso a Internet. Incluso en mi ciudad natal de Pasadena, una ciudad vibrante y conocedora de la tecnología de más de un millón de habitantes que alberga varios observatorios, una universidad de talla mundial y una importante instalación de la NASA, las opciones en lo que respecta a los servicios de Internet son limitadas. En Estados Unidos y el resto del mundo, Internet se ha convertido en un servicio público rentista, en el que los ISP simplemente intentan ganar sus 50 millones de dólares al mes en un entorno acogedor y no competitivo. Quizás cualquier servicio prestado a apartamentos y edificios residenciales sea un servicio comunitario, pero la calidad de los servicios de Internet es menor que la del agua, la electricidad o el gas.
El problema con el status quo es que, a diferencia del agua, la electricidad o el gas, Internet todavía es joven y está creciendo rápidamente. Constantemente le encontramos nuevos usos. Las cosas más revolucionarias aún están por descubrirse, pero los planes globales sofocan la posibilidad de competencia e innovación. Miles de millones de personas quedan atrás por circunstancias de nacimiento, o porque su país está demasiado lejos de la ruta del cable submarino. Internet todavía llega a grandes regiones del planeta mediante satélites geoestacionarios, a precios exorbitantes.
Starlink, que distribuye continuamente Internet desde el cielo, viola este modelo. Todavía no conozco ninguna forma mejor de conectar a miles de millones de personas a Internet. SpaceX está en camino de convertirse en un proveedor de servicios de Internet y, potencialmente, en una empresa de Internet que rivalice con Google y Facebook. Apuesto a que no has pensado en esto.
No es obvio que Internet por satélite sea la mejor opción. SpaceX y sólo SpaceX está en condiciones de crear rápidamente una extensa constelación de satélites, porque sólo tardó una década en romper el monopolio gubernamental-militar sobre los lanzamientos de naves espaciales. Incluso si Iridium superara diez veces a los teléfonos móviles en el mercado, todavía no lograría una adopción generalizada utilizando las plataformas de lanzamiento tradicionales. Sin SpaceX y su modelo de negocio único, hay muchas posibilidades de que la Internet satelital global simplemente nunca exista.
El segundo gran golpe será para la astronomía. Después del lanzamiento de los primeros 60 satélites Starlink, hubo una ola de críticas por parte de la comunidad astronómica internacional, afirmando que el número cada vez mayor de satélites bloquearía su acceso al cielo nocturno. Hay un dicho: entre los astrónomos, el que tiene el telescopio más grande es el más genial. Sin exagerar, hacer astronomía en la era moderna es una tarea de enormes proporciones, que recuerda a una lucha constante por mejorar la calidad del análisis en un contexto de creciente contaminación lumínica y otras fuentes de ruido.
Lo último que necesita un astrónomo son miles de satélites brillantes centelleando en el foco de un telescopio. De hecho, la primera constelación de Iridium ganó notoriedad por producir "llamaradas" debido a grandes paneles que reflejaban la luz solar en pequeñas áreas de la Tierra. Sucedió que alcanzaron el brillo de un cuarto de la Luna y, a veces, incluso dañaron accidentalmente sensibles sensores astronómicos. Los temores de que Starlink invada las bandas de radio utilizadas en radioastronomía tampoco son infundados.
Si descargas una aplicación de seguimiento por satélite, podrás ver docenas de satélites volando en el cielo en una tarde despejada. Los satélites son visibles después del atardecer y antes del amanecer, pero sólo cuando están iluminados por los rayos del sol. Más tarde, durante la noche, los satélites son invisibles a la sombra de la Tierra. Diminutos, extremadamente distantes, se mueven muy rápidamente. Existe la posibilidad de que oscurezcan una estrella distante durante menos de un milisegundo, pero creo que incluso detectar esto será una hemorroide.
Una gran preocupación por la iluminación del cielo surgió del hecho de que la capa de satélites del primer lanzamiento se construyó cerca del terminador de la Tierra, es decir. Noche tras noche, Europa, y era verano, contemplaba la imagen épica de los satélites que surcaban el cielo en el crepúsculo vespertino. Además, las simulaciones basadas en informes de la FCC mostraron que los satélites en una órbita de 1150 km serían visibles incluso después de que hubiera pasado el crepúsculo astronómico. En general, el crepúsculo pasa por tres etapas: civil, marítima y astronómica, es decir. cuando el sol está a 6, 12 y 18 grados bajo el horizonte, respectivamente. Al final del crepúsculo astronómico, los rayos del sol se encuentran aproximadamente a 650 km de la superficie en el cenit, mucho más allá de la atmósfera y de la mayor parte de la órbita terrestre baja. Basado en datos de Creo que todos los satélites se colocarán a una altitud inferior a 600 km. En este caso, serían visibles al anochecer, pero no después del anochecer, lo que reduciría en gran medida el impacto potencial en la astronomía.
El tercer problema son los desechos en órbita. EN Señalé que los satélites y los desechos por debajo de los 600 km caerán fuera de órbita en unos pocos años, debido a la resistencia atmosférica, lo que reducirá en gran medida la posibilidad del síndrome de Kessler. SpaceX está jugando con la suciedad como si no les importara en absoluto la basura espacial. Aquí estoy viendo los detalles de la implementación de Starlink y me cuesta imaginar una mejor manera de reducir la cantidad de escombros en órbita.
Los satélites se lanzan a una altitud de 350 km y luego, utilizando los motores incorporados, vuelan a la órbita prevista. Cualquier satélite que muera durante el lanzamiento quedará fuera de órbita en unas pocas semanas y no orbitará en ningún otro lugar más alto durante los próximos mil años. Esta ubicación implica estratégicamente realizar pruebas para la entrada gratuita. Además, los satélites Starlink tienen una sección transversal plana, lo que significa que cuando pierden el control de la altitud, entran en las densas capas de la atmósfera.
Pocas personas saben que SpaceX se convirtió en pionera en astronáutica al utilizar tipos de montaje alternativos en lugar de petardos. Casi todos los sitios de lanzamiento utilizan petardos al desplegar etapas, satélites, carenados, etc., etc., lo que aumenta la cantidad potencial de escombros. SpaceX también retira deliberadamente las etapas superiores de la órbita, evitando que queden colgando en el espacio para siempre, para que no se deterioren ni se desintegren en el duro entorno espacial.
Finalmente, la última cuestión que me gustaría mencionar es la posibilidad de que SpaceX desplace el monopolio existente de Internet creando el suyo propio. En su nicho, SpaceX ya monopoliza los lanzamientos. Sólo el deseo de los gobiernos rivales de obtener acceso garantizado al espacio impide que se desechen misiles costosos y obsoletos, que a menudo son ensamblados por grandes contratistas monopólicos de defensa.
No es tan difícil imaginar que SpaceX lance 2030 de sus satélites anualmente en 6000, además de algunos satélites espías, para recordar los viejos tiempos. Satélites baratos y fiables SpaceX venderá "espacio en rack" para dispositivos de terceros. Cualquier universidad que pueda crear una cámara utilizable en el espacio podrá ponerla en órbita sin tener que asumir el costo de construir una plataforma espacial completa. Con un acceso tan avanzado y sin restricciones al espacio, Starlink ya está asociado a los satélites, mientras que los fabricantes históricos se están convirtiendo en cosa del pasado.
La historia contiene ejemplos de empresas con visión de futuro que ocuparon un nicho de mercado tan grande que sus nombres se convirtieron en nombres muy conocidos: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
El problema puede surgir cuando una empresa pionera incurre en prácticas anticompetitivas para mantener su cuota de mercado, aunque esto se ha permitido a menudo desde el presidente Reagan. SpaceX podría mantener su monopolio Starlink, lo que obligaría a otros desarrolladores de constelaciones de satélites a lanzar satélites en cohetes soviéticos antiguos. Acciones similares tomadas , junto con la fijación de precios para el transporte de correo, lo llevaron al colapso en 1934. Afortunadamente, es poco probable que SpaceX mantenga para siempre un monopolio absoluto sobre los cohetes reutilizables.
Aún más preocupante es que el despliegue de decenas de miles de satélites de órbita baja por parte de SpaceX podría diseñarse como una cooptación de los bienes comunes. Una empresa privada, que persigue su beneficio personal, está asumiendo la propiedad permanente de posiciones orbitales que alguna vez estuvieron desocupadas y accesibles al público. Y si bien las innovaciones de SpaceX hicieron posible ganar dinero en el vacío, gran parte del capital intelectual de SpaceX se construyó con miles de millones de dólares en presupuestos de investigación.
Por un lado, necesitamos leyes que protejan la inversión privada y los fondos de investigación y desarrollo. Sin esta protección, los innovadores no podrán financiar proyectos ambiciosos o trasladarán sus empresas a lugares donde se les brinde dicha protección. En cualquier caso, el público sufre porque no se generan beneficios. Por otro lado, necesitamos leyes que protejan a las personas, los propietarios nominales de los bienes comunes, incluido el cielo, de entidades privadas rentistas que anexan bienes públicos. En sí mismos, ni lo uno ni lo otro son verdaderos o siquiera posibles. Los desarrollos de SpaceX ofrecen la oportunidad de encontrar un punto medio en este nuevo mercado. Entenderemos que se ha encontrado cuando maximicemos la frecuencia de la innovación y la creación de bienestar social.
Pensamientos finales
Escribí este artículo inmediatamente después de terminar otro. . Ha sido una semana calurosa. Tanto Starship como Starlink son tecnologías revolucionarias que se están creando ante nuestros ojos, durante nuestras vidas. Si veo crecer a mis nietos, se sorprenderán más de que yo sea mayor que Starlink, que del hecho de que cuando era niño no había teléfonos móviles (exposiciones en museos) ni la propia Internet pública.
Los ricos y los militares han estado utilizando Internet satelital durante mucho tiempo, pero Starlink, omnipresente, común y barato, sin Starship es simplemente imposible.
Llevan mucho tiempo hablando del lanzamiento, pero Starship, una plataforma muy barata y por tanto interesante, es imposible sin Starlink.
Desde hace mucho tiempo se habla de la exploración espacial tripulada, y si... , entonces tienes luz verde. Con Starship y Starlink, la exploración espacial humana es un futuro cercano alcanzable, a solo un tiro de piedra de un puesto orbital de ciudades industrializadas en el espacio profundo.
Fuente: habr.com