Cet article fait partie d'une série dédiée à .
— le plan de SpaceX pour fournir Internet via des dizaines de milliers de satellites — est le sujet principal dans la presse spécialisée sur l'espace. Des articles sur les dernières avancées sont publiés chaque semaine. Bien que le principe soit assez clair, en examinant les , une personne bien motivée (disons, votre humble serviteur) peut découvrir de nombreux détails. Néanmoins, cette nouvelle technologie est encore entourée de nombreuses idées reçues, même parmi les commentateurs éclairés. Souvent, on trouve des articles qui comparent Starlink à OneWeb et Kuiper (parmi d'autres), comme s'ils étaient en compétition sur un pied d'égalité. D'autres auteurs, visiblement préoccupés par le bien-être de la planète, crient au sujet des débris spatiaux, du droit spatial, des normes et de la sécurité en astronomie. J'espère qu'après avoir lu cet article — plutôt long — le lecteur comprendra mieux et s'identifiera à l'idée de Starlink.
touche soudainement une corde sensible dans l'âme de mes rares lecteurs. Dans cet article, j'expliquais comment Starship propulsera SpaceX en tête pendant longtemps tout en fournissant un mécanisme pour de nouvelles recherches spatiales. Le sous-texte indique que l'industrie traditionnelle des satellites ne peut pas rivaliser avec SpaceX, qui augmente de manière constante ses capacités et réduit les coûts de la famille de fusées Falcon, mettant SpaceX dans une position difficile. D'une part, elle a créé un marché d'une valeur de plusieurs milliards par an, au mieux. D'autre part, elle a alimenté un appétit insatiable pour l'argent — pour construire une énorme fusée, sur laquelle il n'y a pourtant presque personne à envoyer sur Mars, et il n'y a pas de bénéfice immédiat en vue.
La solution à ce double problème est Starlink. En construisant et en lançant ses propres satellites, SpaceX pourrait créer et définir un nouveau marché pour un accès à la communication efficace et démocratisé via l'espace, assurer un flux financier pour construire des fusées avant qu'elles ne coulent l'entreprise, et augmenter sa valeur économique à des trillions. Il ne faut pas sous-estimer l'ampleur des ambitions d'Elon. Il existe peu de secteurs où des trillions de dollars circulent : l'énergie, le transport à grande vitesse, les télécommunications, l'IT, la santé, l'agriculture, le gouvernement, la défense. Malgré les idées reçues, , et — ce business n'est pas viable. Elon s'est immiscé dans le secteur de l'énergie avec sa Tesla, mais seul les télécommunications garantiront un marché fiable et lucratif pour les satellites et les lancements de fusées.
Elon Musk a tourné son regard vers l'espace pour la première fois lorsqu'il a voulu investir 80 millions de dollars dans une mission visant à cultiver des plantes sur un engin spatial martien. La construction d'une ville sur Mars coûtera probablement 100 000 fois plus cher, donc Starlink est le pari principal de Musk pour générer l'océan d'argent nécessaire pour le parrainage .
Pourquoi ?
J'avais prévu cet article depuis un certain temps, mais c'est seulement la semaine dernière que j'ai eu un tableau d'ensemble. À ce moment-là, la présidente de SpaceX, Gwynne Shotwell, a donné à Rob Beron une interview incroyable, qui a ensuite été couverte pour CNBC dans une superbe de Michael Schitz, et qui a été consacrée . Cette interview a montré l'énorme différence entre les approches de SpaceX et des autres en matière de communication par satellite.
Concept est née en 2012, lorsque SpaceX a réalisé que ses clients, principalement des fournisseurs de services de satellites, avaient d'énormes réserves d'argent. Les lanceurs font grimper les prix pour le déploiement de satellites et, d'une certaine manière, négligent une étape dans le processus - comment est-ce possible ? Elon rêvait de créer une constellation de satellites pour Internet et, incapable de résister à un défi pratiquement impossible, a lancé le processus. Le développement de Starlink , mais à la fin de cet article, vous, cher lecteur, serez sûrement étonné de voir à quel point ces difficultés sont en réalité mineures - considérant l'ampleur de l'idée.
Est-il vraiment nécessaire d'avoir un tel groupe pour Internet ? Et pourquoi maintenant ?
De mon temps, Internet est passé d'un simple passe-temps académique à devenir l'infrastructure révolutionnaire par excellence. Ce n'est pas un sujet dont il vaut la peine d'écrire un long article, mais je suppose que la demande mondiale pour Internet et les revenus qu'il génère vont continuer à croître d'environ 25 % par an.
Aujourd'hui, presque tous nous obtenons Internet par un petit nombre de monopoles géographiquement isolés. Aux États-Unis, AT&T, Time Warner, Comcast et quelques petits acteurs se partagent le territoire pour éviter la concurrence, facturent des prix exorbitants pour leurs services et font face à une haine presque universelle.
Les fournisseurs ont une raison impérieuse de se comporter de manière non concurrentielle, au-delà de leur avidité insatiable. Construire une infrastructure pour Internet — des tours cellulaires à micro-ondes et de la fibre optique — est extrêmement coûteux. On oublie facilement la nature merveilleuse d'Internet. Ma grand-mère a commencé à travailler comme opératrice durant la Seconde Guerre mondiale, à une époque où le télégramme rivalisait avec les pigeons voyageurs pour un rôle stratégique de premier plan ! Pour la plupart d'entre nous, l'autoroute de l'information est quelque chose d'éphémère et d'immatériel, cependant, les données voyagent dans un monde physique plein de frontières, de rivières, de montagnes, d'océans, de tempêtes, de catastrophes naturelles et d'autres obstacles. Déjà en 1996, lorsque la première ligne de fibre optique a été posée au fond de l'océan, . Avec son style aiguisé caractéristique, il décrit vivement le coût brut et la complexité de la pose de ces lignes, à travers lesquelles passent ensuite les maudits « câbles ». Pendant la majeure partie des années 2000, on a tiré des câbles à tel point que le coût de déploiement était stupéfiant.
À une époque, je travaillais dans un laboratoire optique et (si ma mémoire est bonne) nous avions battu le record de l'époque en atteignant une vitesse de transmission multiplexée de 500 Gb/s. Les limitations électroniques permettaient de charger chaque fibre à 0,1 % de la capacité théorique. Quinze ans plus tard, nous sommes prêts à dépasser ce seuil : si la transmission de données l'excède, la fibre fondra, et nous en sommes déjà très proches.
Il suffit d'élever le flux de données au-dessus de la terre pécheresse — dans l'espace, où un satellite orbite autour de la « boule » 30 000 fois en cinq ans. Une solution apparemment évidente — alors pourquoi personne ne s'y est-il attaqué auparavant ?
La constellation de satellites Iridium, développée et déployée au début des années 1990 par Motorola (vous vous en souvenez ?), a été le premier réseau de communication global en orbite basse (comme il est séduisant de le raconter dans ). Lorsque cela a été déployé, la capacité de niche de router de petits paquets de données provenant de traqueurs d'actifs s'est avérée sa seule utilisation : les téléphones mobiles étaient devenus si bon marché que les téléphones satellites n'ont jamais vraiment décollé. Iridium comptait 66 satellites (plus quelques-uns de secours) sur 6 orbites — le minimum pour couvrir toute la planète.
Si Iridium pouvait se contenter de 66 satellites, pourquoi SpaceX en veut-elle des dizaines de milliers ? Qu'est-ce qui la rend si différente ?
SpaceX est entrée dans ce secteur par l'autre bout — elle a commencé par des lancements. Elle est devenue pionnière dans la conservation des fusées et a ainsi pris le marché des plateformes de lancement bon marché. Les tentatives pour les concurrencer avec des prix plus bas ne rapporteront pas beaucoup d'argent, donc la seule façon de tirer profit de leur capacité excédentaire est de devenir leur client. Les coûts de SpaceX pour lancer ses propres satellites — (par kg) d'Iridium, ce qui leur permet de se tourner vers un marché beaucoup plus large.
La couverture mondiale de Starlink offrira un accès à internet de haute qualité dans n'importe quel coin du monde. Pour la première fois, la disponibilité de l'internet ne dépendra pas de la proximité d'un pays ou d'une ville avec une ligne de fibre optique, mais de la clarté du ciel au-dessus de la tête. Les utilisateurs du monde entier auront accès à un internet global libéré des chaînes, indépendamment de leurs propres gouvernements, souvent corrompus et / ou peu scrupuleux. La capacité de Starlink à perturber ces monopoles catalyse des changements positifs d'une ampleur incroyable, qui uniront enfin des milliards de personnes en une communauté cybernétique mondiale du futur.
Une petite digression lyrique : que cela signifie-t-il vraiment ?
Pour les personnes qui grandissent aujourd'hui, à l'ère de la connectivité omniprésente, Internet est comme l'air que nous respirons. Il est simplement là. Mais c'est — si l'on fait abstraction de son incroyable capacité à apporter des changements positifs — et nous sommes déjà en plein dans ces changements. Grâce à Internet, les gens peuvent tenir leurs dirigeants pour responsables, communiquer avec d'autres personnes à l'autre bout du monde et partager des idées, tout en inventant quelque chose de nouveau. Internet unit l'humanité. L'histoire des modernisations est une histoire de développement des possibilités d'échange de données. D'abord — à travers des discours et de la poésie épique. Ensuite — par écrit, donnant voix aux morts qui s'adressent aux vivants ; l'écriture permet de stocker des données et rend possible la communication asynchrone. L'imprimerie a industrialisé la production de nouvelles. La communication électronique a accéléré le transfert de données dans le monde. Les appareils personnels de prise de notes sont devenus de plus en plus sophistiqués, évoluant des carnets de notes aux téléphones portables, chacun étant un ordinateur connecté à Internet, rempli de capteurs et devenant chaque jour meilleur pour anticiper nos besoins.
L'homme qui utilise l'écriture et l'ordinateur dans son processus d'apprentissage a plus de chances de surmonter les limites de son cerveau imparfaitement développé. Ce qui est encore plus réjouissant, c'est que les téléphones portables sont à la fois des dispositifs de stockage puissants et des mécanismes d'échange d'idées. Autrefois, les gens, en partageant leurs pensées, comptaient sur la parole, qu'ils griffonnaient dans des carnets, mais aujourd'hui, il est courant que les carnets partagent eux-mêmes les idées générées par les individus. Le schéma traditionnel a subi une inversion. La suite logique de ce processus est une forme de métacognition collective, grâce aux appareils personnels. et connectés les uns aux autres. Et même si nous ressentons encore de la nostalgie pour notre lien perdu avec la nature et l'isolement, il est important de se rappeler que la technologie et seulement la technologie est responsable de la majeure partie de notre libération des cycles « naturels » d'ignorance, de mort prématurée (qui peut être évitée), de violence, de famine et de détérioration dentaire.
Comment ?
Parlons du modèle économique et de l'architecture du projet Starlink.
Pour que Starlink devienne une entreprise rentable, les revenus doivent dépasser les coûts de construction et d'exploitation. Traditionnellement, l'investissement en capital implique des dépenses initiales élevées, le recours à un financement spécialisé sophistiqué et des mécanismes d'assurance, tout cela pour lancer un satellite. Un satellite de communication géostationnaire peut coûter 500 millions de dollars, et l'assemblage et le lancement peuvent prendre jusqu'à 5 ans. C'est pourquoi les entreprises de ce secteur construisent simultanément des avions à réaction ou des porte-conteneurs. Des dépenses gigantesques, des revenus qui à peine couvrent les coûts de financement, et un budget opérationnel relativement faible. En revanche, l'échec initial d'Iridium est dû au fait que Motorola a contraint l'opérateur à payer des redevances exorbitantes, provoquant la faillite de l'entreprise en quelques mois.
Pour mener un tel business, les entreprises satellites traditionnelles devaient servir des clients privés et facturer des tarifs élevés pour la transmission de données. Les compagnies aériennes, les postes reculés, les navires, les zones de conflit et les infrastructures clés paient environ 5 dollars par Mo, soit 5000 fois le coût d'une connexion ADSL traditionnelle, malgré des délais de transmission de données et une bande passante relativement faible des connexions par satellite.
Starlink prévoit de rivaliser avec les fournisseurs de services terrestres, ce qui signifie qu'elle devra fournir des données à un coût inférieur et, idéalement, à moins de 1 dollar par Mo. Est-ce possible ? Ou, si c'est possible, il faut se demander : comment cela peut-il être réalisé ?
Le premier ingrédient du nouveau plat est un lancement bon marché. À ce jour, Falcon vend un lancement de 24 tonnes pour environ 60 millions de dollars, soit 2500 dollars par kg. Cependant, il en découle des coûts internes bien plus élevés. Les satellites Starlink seront lancés sur des fusées réutilisables, donc les coûts marginaux d'un lancement se limitent au coût d'un nouveau deuxième étage (environ 4 millions de dollars), des coques (1 million) et des opérations au sol (~1 million). En tout, cela représente environ 100 000 dollars par satellite, soit plus de 1000 fois moins cher que le lancement d'un satellite de communication classique.
Cependant, la plupart des satellites Starlink seront lancés sur Starship. En effet, l'évolution de Starlink, comme le montrent les rapports mis à jour de la FCC, offre certaines perspectives. l'architecture interne du projet. Le nombre total de satellites dans la constellation est passé de 1 584 à 2 825, puis à 7 518 et enfin à 30 000. Si l'on se fie aux accumulations brutes, le chiffre est encore plus élevé. Le nombre minimal de satellites pour la première phase de développement, afin que le projet soit viable, est de 60 sur 6 orbites (au total 360), tandis que pour une couverture complète dans un rayon de 53 degrés de l'équateur, 24 orbites de 60 satellites (au total 1 440) sont nécessaires. Cela représente 24 lancements pour Falcon pour environ 150 millions de dollars de frais internes. Starship, quant à lui, est conçu pour lancer jusqu'à 400 satellites à la fois, à peu près au même coût. Les satellites Starlink devront être remplacés tous les 5 ans, donc 6 000 satellites nécessiteront 15 lancements de Starship par an. Cela coûtera environ 100 millions de dollars par an, soit 15 000 dollars par satellite. Chaque satellite lancé par Falcon pèse 227 kg ; les satellites capables d'être portés par Starship pourraient peser 320 kg et transporter des instruments externes, être légèrement plus grands tout en restant dans la limite de poids autorisée.
Comment est déterminé le coût des satellites ? Parmi leurs homologues, les satellites Starlink sont quelque peu atypiques. Ils sont assemblés, stockés et lancés à plat, ce qui les rend exceptionnellement simples à produire en masse. L'expérience montre que le coût de production doit être approximativement équivalent au coût du lancement. Si la différence de prix est importante, cela signifie que les ressources ne sont pas correctement réparties, car la réduction globale des coûts marginaux lors de l'abaissement des coûts n'est pas si significative. Est-il vraiment possible que le coût soit de 100 000 dollars par satellite lors de la première série de plusieurs centaines ? En d'autres termes, le satellite Starlink est-il en réalité moins complexe qu'une voiture ?
Pour répondre pleinement à cette question, il faut comprendre pourquoi le coût d'un satellite de communication est mille fois plus élevé, même s'il n'est pas mille fois plus complexe. En termes simples, pourquoi le 'matériel' spatial coûte-t-il si cher ? Il y a de nombreuses raisons, mais la plus importante ici est la suivante : si le lancement d'un satellite en orbite (avant Falcon) coûte plus de 100 millions, il doit fonctionner de manière fiable pendant de nombreuses années pour générer un minimum de bénéfices. Garantir une telle fiabilité pour le premier et unique produit est un processus douloureux qui peut s'étendre sur des années, nécessitant les efforts de centaines de personnes. Ajoutez à cela les coûts, et il devient facile de justifier des processus supplémentaires, étant donné qu'un lancement coûte déjà cher.
Starlink remet en question cette paradigme en créant des centaines de satellites, en corrigeant rapidement les défauts de conception initiaux et en utilisant des techniques de production de masse pour contrôler les coûts. Personnellement, il m'est facile d'imaginer une chaîne de montage Starlink, où un technicien intègre quelque chose de nouveau dans le design et fixe le tout avec un lien en plastique (de niveau NASA, bien sûr) en une ou deux heures, maintenant le niveau de remplacement requis de 16 satellites par jour. Un satellite Starlink se compose de nombreuses pièces complexes, mais je ne vois aucune raison pour laquelle le coût du millième unité qui sort de la chaîne ne pourrait pas être réduit à 20 000. En effet, en mai, Elon écrivait sur Twitter que le coût de production d'un satellite est déjà inférieur au coût de lancement.
Prenons un cas moyen et analysons le temps de retour sur investissement, en arrondissant les chiffres. Un satellite Starlink, dont le coût d'assemblage et de lancement est de 100 000, fonctionne pendant 5 ans. S'amortit-il, et si oui, dans quel délai ?
Au cours de 5 ans, un satellite Starlink orbitera autour de la Terre 30 000 fois. À chacune de ces orbites d'une heure et demie, il passera la majeure partie du temps au-dessus de l'océan et, probablement, 100 secondes au-dessus d'une ville densément peuplée. C'est dans cette courte fenêtre qu'il transmet des données, s'efforçant de générer des bénéfices. Si l'on suppose que l'antenne prend en charge 100 faisceaux, et que chaque faisceau transmet 100 Mb/s, en utilisant un codage moderne comme , alors le satellite génère 1000 dollars de bénéfices par rotation — avec un prix d'abonnement de 1 dollar pour 1 Go. Cela suffit pour amortir en une semaine le coût de déploiement de 100 000 et simplifie considérablement la structure capitalistique. Les 29 900 rotations restantes représentent le bénéfice, déduction faite des coûts fixes.
Les chiffres estimés peuvent varier considérablement, dans les deux sens. Mais de toute façon, si vous êtes capable de placer en orbite basse un groupe de satellites de qualité pour 100 000 — ou même pour 1 million par unité — c'est une sérieuse déclaration. Même en tenant compte du temps d'utilisation ridiculement court, un satellite Starlink peut livrer 30 Po de données sur sa durée de vie — à un coût amorti de 0,003 dollar par Go. De plus, pour les transmissions sur de plus longues distances, les coûts marginaux n'augmentent pratiquement pas.
Pour comprendre l'importance de ce modèle, comparons-le brièvement à deux autres modèles de livraison de données aux consommateurs : le traditionnel — câble en fibre optique, et la constellation de satellites proposée par une entreprise qui ne se spécialise pas dans le lancement de satellites.
, reliant la France à Singapour, a été mis en service en 2005. Sa capacité de transfert est de 1,28 To/s, et le coût de déploiement s'éleve à 500 millions de dollars. S'il fonctionne à 100 % de sa capacité pendant 10 ans et que les frais généraux représentent 100 % des coûts d'investissement, le prix de transmission sera de 0,02 dollar par Go. Les câbles transatlantiques sont plus courts et légèrement moins chers, cependant, un câble sous-marin n'est qu'une entité dans une longue chaîne de personnes qui souhaitent être rémunérées pour le transfert de données. L'estimation moyenne pour Starlink est 8 fois moins chère, tout en étant "tout compris".
Comment est-ce possible ? Le satellite Starlink intègre toute la complexité nécessaire pour le commutateur électronique, ce qui est requis pour la communication des câbles en fibre optique, mais au lieu d'utiliser un fil coûteux et fragile, il utilise le vide pour la transmission de données. La transmission à travers l'espace réduit le nombre de monopoles confortables et vieillissants, permettant aux utilisateurs de se connecter en utilisant encore moins de "matériel".
Comparons avec le développeur concurrent de satellites OneWeb. OneWeb prévoit de créer une constellation de 600 satellites, qui seront lancés via des fournisseurs commerciaux à un prix d'environ 20 000 dollars par kilo. Le poids d'un satellite est de 150 kg, c'est-à-dire qu'en théorie, le lancement d'une unité coûtera environ 3 millions. Le coût des satellites est estimé à 1 million par satellite, donc d'ici 2027, le prix total de la constellation sera de 2,6 milliards. Les tests réalisés par OneWeb ont montré une capacité allant jusqu'à 50 Mo/s en pointe, idéalement pour chacun des 16 faisceaux. En suivant le même schéma que celui utilisé pour calculer le coût de Starlink, nous constatons que chaque satellite OneWeb génère 80 dollars par orbite, et au total, au bout de 5 ans, rapportera 2,4 millions — à peine de quoi couvrir les coûts de lancement, sans compter le transfert de données vers des régions éloignées. En somme, nous arrivons à 1,70 dollar par Go.
Récemment, on a cité les propos de Gwynne Shotwell qui ont dit que , ce qui implique un prix concurrentiel de 0,10 dollar par Go. Et cela même avec la configuration initiale de Starlink : avec une production moins optimisée, des lancements sur Falcon et des limitations dans le transfert de données — et seulement avec une couverture dans le nord des États-Unis. Il apparaît donc que SpaceX a un avantage incontesté : dès aujourd'hui, ils peuvent lancer un satellite beaucoup plus compétent à un prix (par unité) 15 fois inférieur à celui de leurs concurrents. Starship va multiplier cet écart par 100, si ce n'est plus, il n'est donc pas difficile d'imaginer qu'en 2027, SpaceX lancera 30 000 satellites pour moins d'un milliard de dollars, dont la plupart sera couverte par ses propres fonds.
Je suis sûr qu'il existe des analyses encore plus optimistes concernant OneWeb et d'autres développeurs prometteurs de constellations de satellites, mais je ne sais pas encore comment ils s'organisent.
Récemment, Morgan Stanley , a mentionné que les satellites Starlink coûteront 1 million pour l'assemblage et 830 000 pour le lancement. . Il est intéressant de noter que les chiffres sont similaires à nos calculs concernant les dépenses de OneWeb, et, en gros, 10 fois supérieurs à l'estimation de la version initiale de Starlink. L'utilisation de Starship et la production industrielle de satellites pourraient réduire le coût de déploiement des satellites à environ 35 000 par unité. C'est un chiffre extrêmement bas.
Il ne reste qu'un dernier point à aborder : comparer les bénéfices par watt de l'énergie solaire générée pour Starlink. Selon les images sur leur site, chaque satellite est équipé d'un panneau solaire d'environ 60 m², ce qui génère en moyenne environ 3 kW ou 4,5 kWh par orbite. Selon des estimations approximatives, chaque orbite rapportera 1000 dollars, et chaque satellite génère environ 220 dollars par kWh. C'est 10 000 fois le prix de gros de l'énergie solaire, ce qui confirme une fois de plus que : . Quant à la modulation des micro-ondes pour transmettre des données, c'est un coût supplémentaire démesuré.
Architecture
Dans la section précédente, j'ai présenté assez sommairement une partie non triviale de l'architecture de Starlink — comment elle fonctionne avec la densité de population extrêmement inégale de la planète. Un satellite Starlink émet des faisceaux concentrés qui forment des taches sur la surface de la planète. Les abonnés situés dans une tache partagent une même bande passante. La taille de la tache est déterminée par la physique fondamentale : sa largeur d'origine est (hauteur du satellite × longueur de l'onde micro-ondes / diamètre de l'antenne), ce qui, pour un satellite Starlink, est au mieux de quelques kilomètres.
Dans la plupart des villes, la densité de population est d'environ 1000 personnes/km², bien que cela soit parfois plus élevé. Dans certaines zones de Tokyo ou à Manhattan, une tache peut concerner plus de 100 000 personnes. Heureusement, dans toute ville densément peuplée, il existe un marché intérieur concurrentiel pour l'Internet haut débit, sans parler d'un réseau de téléphones mobiles hautement développé. Quoi qu'il en soit, si à un moment donné, il y a plusieurs satellites d'un même groupe au-dessus de la ville, la capacité peut être augmentée grâce à une répartition spatiale des antennes, ainsi qu'une distribution des fréquences. En d'autres termes, des dizaines de satellites peuvent concentrer le faisceau le plus puissant à un endroit donné, et les utilisateurs dans cette région utiliseront des terminaux terrestres qui répartiront les demandes entre les satellites.
Si, au début, le marché le plus approprié pour la vente de services est constitué de zones éloignées, rurales ou suburbaines, les ressources pour de futurs lancements proviendront de services de meilleure qualité offerts dans les grandes villes. Le scénario est complètement opposé au schéma standard d'expansion du marché, où les services concurrentiels, axés sur les villes, subissent inévitablement une diminution des bénéfices en essayant de s'étendre vers des zones plus pauvres et moins densément peuplées.
Il y a quelques années, lorsque j'ai réalisé les calculs, .
J'ai pris les données de cette image et j'ai établi les 3 graphiques ci-dessous. Le premier montre la fréquence des surfaces terrestres en fonction de la densité de peuplement. Ce qui est intéressant, c'est que la majeure partie de la Terre n'est pas peuplée, alors qu'il n'y a pratiquement aucune région avec plus de 100 hab./km².
Le deuxième graphique démontre la fréquence des personnes selon la densité de population. Bien que la majeure partie de la planète ne soit pas peuplée, la plupart des gens vivent dans des zones où la densité est de 100 à 1000 hab./km². La nature étendue de ce pic (deux ordres de grandeur plus importante) reflète la bimodalité dans les schémas d'urbanisation. 100 hab./km² représente une zone rurale relativement peu peuplée, tandis qu'un chiffre de 1000 hab./km² est déjà caractéristique des banlieues. Les centres-villes affichent facilement 10 000 hab./km², tandis que la population de Manhattan atteint 25 000 hab./km².
Le troisième graphique montre la densité de peuplement en fonction de la latitude. On peut voir que presque toutes les personnes sont concentrées entre 20 et 40 degrés de latitude nord. De manière générale, cela s'est façonné géographiquement et historiquement, car une grande partie de l'hémisphère sud est occupée par l'océan. Pourtant, une telle densité de population représente un défi redoutable pour les architectes de groupes, car dans les deux hémisphères, les satellites passent le même temps. De plus, un satellite en orbite autour de la Terre à un angle, disons de 50 degrés, passera plus de temps plus près des limites indiquées en latitude. C'est pourquoi Starlink nécessite seulement 6 orbites pour couvrir le nord des États-Unis, tandis que 24 sont nécessaires pour couvrir l'équateur.
C'est vrai, si l'on superpose le graphique de densité de population avec celui de densité des satellites, le choix des orbites devient évident. Chaque histogramme représente l'un des quatre rapports de SpaceX dans le FC. Personnellement, je trouve que chaque nouveau rapport est une version enrichie du précédent, mais dans tous les cas, il n'est pas difficile de voir comment des satellites supplémentaires augmentent la bande passante au-dessus des régions correspondantes dans l'hémisphère nord. En revanche, une bande passante inutilisée considérable reste au-dessus de l'hémisphère sud — réjouis-toi, chère Australie !
Que se passe-t-il avec les données utilisateur lorsque celles-ci atteignent le satellite ? Dans la version initiale, le satellite Starlink les renvoyait immédiatement à une station terrestre dédiée près des zones de service. Cette configuration est appelée « retransmission directe ». À l'avenir, les satellites Starlink auront la capacité de communiquer entre eux par laser. Le pic d'échange des données se produira au-dessus des villes densément peuplées, mais les données pourront être réparties sur le réseau de lasers en deux dimensions. En pratique, cela signifie qu'il existe une énorme possibilité pour un réseau de transport de communication caché au sein du réseau de satellites, c'est-à-dire que les données utilisateur peuvent être « retransmises vers la Terre » n'importe où où cela est approprié. En pratique, je pense que les stations terrestres de SpaceX se combineront avec en dehors des villes.
Il s'avère que la communication satellite-satellite est une tâche non triviale si les satellites ne se déplacent pas ensemble. Dans les rapports les plus récents du FC, il est fait état de 11 groupes orbitaux de satellites distincts. Au sein d'un groupe spécifique, les satellites se déplacent à la même altitude, sous le même angle, avec une excentricité égale, ce qui signifie que les lasers peuvent localiser les satellites à proximité relativement facilement. Mais les vitesses de rapprochement entre les groupes sont mesurées en km/sec., donc la communication entre les groupes, si elle est possible, doit s'effectuer par des connexions micro-ondes courtes et rapidement gérées.
La topologie des groupes orbitaux est comparable à la théorie corpusculaire et ondulatoire de la lumière et n'est pas particulièrement pertinente pour notre exemple, mais à mon avis, elle est magnifique, c'est pourquoi je l'ai incluse dans l'article. Si cette section ne vous intéresse pas, passez directement aux « Limitations de la physique fondamentale ».
Le tore – ou beignet – est un objet mathématique défini par deux rayons. Il est assez simple de dessiner des cercles sur la surface d'un tore : soit en parallèle, soit perpendiculairement à sa forme. Il pourrait être intéressant pour vous de découvrir qu'il existe deux autres familles de cercles qui peuvent être représentées sur la surface du tore, et les deux passent par le trou central et autour du contour. Ce sont les , et j'ai utilisé cette construction lorsque j'ai conçu le tore pour la bobine de Tesla « L'Homme en feu » en 2015.
Et bien que les orbites des satellites soient techniquement des ellipses plutôt que des cercles, la même construction s'applique dans le cas de Starlink. Le regroupement de 4500 satellites sur plusieurs plans orbitaux, tous sous un même angle, forme une couche en mouvement continu au-dessus de la surface de la Terre. La couche orientée vers le nord au-dessus d'un point de latitude donné pivote et se déplace vers le sud. Afin d'éviter les collisions, les orbites seront légèrement étendues, de sorte que la couche en mouvement vers le nord sera à quelques kilomètres plus haut (ou plus bas) que celle en mouvement vers le sud. Ensemble, ces deux couches forment un tore de forme soufflée, comme montré ci-dessous dans un schéma fortement exagéré.
Je rappelle que, à l'intérieur de ce tore, la communication se fait entre les satellites voisins. En gros, il n'y a pas de connexions directes et continues entre les satellites de différents plans, car les vitesses de rapprochement pour le guidage laser sont trop élevées. Le chemin de transmission de données entre les plans passe, quant à lui, au-dessus ou en dessous du tore.
Au total, 30 000 satellites seront disposés dans 11 tores imbriqués, bien en retard par rapport à l'orbite de la Station spatiale internationale ! Ce schéma montre comment toutes ces couches sont empaquetées, sans exagération d'excentricité.
Enfin, il convient de réfléchir à la hauteur optimale de vol. Il existe un dilemme : une faible altitude, qui offre une plus grande capacité avec des faisceaux de plus petite taille, ou une grande, qui permet de couvrir la planète avec moins de satellites ? Au fil du temps, dans les rapports de l'FCC de SpaceX, il a été mentionné des altitudes de plus en plus basses, car avec l'avancement de la technologie, le Starship rend possible le déploiement rapide de plus grandes constellations.
Une faible altitude présente d'autres avantages, notamment un risque réduit de collision avec des débris spatiaux ou des conséquences négatives d'une défaillance technique. En raison de la résistance atmosphérique accrue, les satellites Starlink se trouvant à une altitude inférieure (330 km) brûleront en quelques semaines après une perte de contrôle d'orientation. En effet, 300 km est une altitude à laquelle les satellites ne volent presque jamais, et le maintien de cette altitude nécessitera un moteur électrique à hydrazine Krypton, ainsi qu'une conception aérodynamique. Théoriquement, un satellite en forme de pointe, avec un moteur électrique, peut maintenir une altitude stable à 160 km, mais il est peu probable que SpaceX lance des satellites aussi bas, car il y a encore quelques astuces disponibles pour augmenter la capacité.
Les limites de la physique fondamentale
Il semble peu probable que les prix pour le déploiement d'un satellite descendent un jour bien en dessous de 35 000 $, même si la production devient avancée et entièrement automatisée, et si les vaisseaux Starship deviennent totalement réutilisables. De plus, il n'est pas encore clair quelles limitations la physique imposera au satellite. L'analyse ci-dessus suppose une capacité maximale de 80 Gbit/s (si l'on arrondit à 100 faisceaux, chacun capable de transmettre 100 Mbit/s).
La limite extrême de la capacité du canal est fixée par et est exprimée en statistiques de largeur de bande (1+SNR). La largeur de bande est souvent limitée par , tandis que le SNR représente l'énergie disponible du satellite, le bruit de fond et les interférences dans le canal dues à . Un autre obstacle majeur est la vitesse de traitement. Les derniers FPGA Xilinx Ultrascale+ ont , ce qui est bon compte tenu des limitations actuelles de capacité d'information du canal sans développement d'ASIC personnalisés. Mais même dans ce cas, 58 Go/s nécessiteront une distribution des fréquences considérable, probablement dans les bandes Ka ou V. La bande V (40–75 GHz) a des cycles plus accessibles, mais est sujette à une absorption atmosphérique plus importante, surtout dans les zones à forte humidité.
Les 100 faisceaux sont-ils pratiques ? Ce problème a deux aspects : la largeur du faisceau et la densité des éléments de la grille d'antennes phasées. La largeur du faisceau est déterminée par la longueur d'onde divisée par le diamètre de l'antenne. La grille d'antennes phasées numériques reste une technologie spécialisée, mais les dimensions maximales utiles sont déterminées par la largeur. (environ 1 m), et utiliser des communications radiofréquences serait encore plus coûteux. La largeur d'onde dans la bande Ka est d'environ 1 cm, tout en ayant une largeur de faisceau de 0,01 radian — avec une largeur de spectre à 50 % de l'amplitude. Supposons que l'angle solide du faisceau soit de 1 stéradian (similaire à la couverture de l'objectif d'un appareil photo de 50 mm), alors dans cette zone, 2500 faisceaux distincts seraient suffisants. La linéarité implique que 2500 faisceaux nécessiteront au moins 2500 éléments d'antenne dans la grille, ce qui est en principe réalisable, bien que difficile. Et tout cela va aussi beaucoup chauffer !
Au total, 2500 canaux, chacun supportant 58 Go/s, représentent un volume énorme d'informations — pour donner une idée, c'est 145 To/s. Pour comparaison, tout le trafic Internet en 2020 . De bonnes nouvelles pour ceux qui sont préoccupés par la bande passante fondamentalement basse de l'internet par satellite. Si un groupe de 30 000 satellites opère d'ici 2026, le trafic Internet mondial pourrait potentiellement atteindre 800 To/s. Si la moitié de ce volume est fournie par ~500 satellites au-dessus des zones densément peuplées à tout moment, la capacité de pointe pour chaque satellite sera d'environ 800 Go/s, soit 10 fois plus que nos premières estimations principales, c'est-à-dire que le flux de fonds pourrait potentiellement croître de 10 fois.
Pour un satellite en orbite à 330 kilomètres, un faisceau de 0,01 radian couvre une superficie de 10 km². Dans des zones particulièrement densément peuplées comme Manhattan, cette superficie abrite jusqu'à 300 000 personnes. Que se passerait-il si elles décidaient toutes de regarder Netflix en même temps (7 Mo/s en HD) ? La demande totale de données atteindrait 2000 Go/s, ce qui est environ 35 fois supérieur à la limite stricte actuelle imposée par l'interface FPGA de sortie série. Il n'y a que deux solutions à cette situation, dont une seule est physiquement réalisable.
La première consiste à lancer davantage de satellites en orbite, afin qu'à tout moment donné, plus de 35 se trouvent au-dessus des zones de forte demande. Si nous prenons à nouveau 1 stéradian pour une zone de ciel adressable acceptable et une altitude orbitale moyenne de 400 km, nous obtenons une densité de regroupement de 0,0002/km², soit 100 000 au total — si nous les répartissons uniformément sur l'ensemble de la surface de la Terre. Rappelons que les orbites choisies par SpaceX augmentent considérablement la densité de couverture au-dessus des zones densément peuplées situées entre 20 et 40 degrés de latitude nord, et il semblerait que le nombre de 30 000 satellites soit presque magique.
La deuxième idée est beaucoup plus intéressante, mais, hélas, irréalisable. Rappelons que la largeur du faisceau est déterminée par la largeur de la grille d'antennes phasées. Et si plusieurs grilles sur plusieurs satellites unissaient leurs forces pour créer un faisceau plus étroit — exactement comme le font les radiotélescopes tels que le (Very Large Array) ? Cette méthode est associée à une complexité : le baselining entre les satellites devrait être calculé avec soin — avec une précision à submillimètre — afin de stabiliser la phase du faisceau. Même si cela était possible, le faisceau résultant aurait du mal à contenir des lobes latéraux en raison de la faible densité de la constellation de satellites dans le ciel. Sur terre, la largeur du faisceau serait réduite à quelques millimètres (suffisamment pour suivre une antenne de téléphone portable), mais il y en aurait des millions — en raison d'une attenuation intermédiaire faible. Merci au .
Il s'avère que la séparation des canaux par décalage angulaire — puisque les satellites sont dispersés dans le ciel — fournit des améliorations adéquates de la bande passante sans enfreindre les lois de la physique.
Application
Quel est le profil des clients de Starlink ? Par défaut, ce sont des centaines de millions d'utilisateurs ayant des antennes de la taille d'une boîte à pizza sur le toit de leur maison, mais il existe également d'autres sources de revenus élevés.
Dans les zones éloignées et rurales, les stations terrestres n'ont pas besoin de réseaux d'antennes phasées pour maximiser la largeur du faisceau, ce qui permet l'utilisation d'appareils clients plus petits : des traqueurs IoT aux téléphones satellites portables, balises de détresse ou instruments scientifiques pour le suivi des animaux.
Dans les environnements urbains densément peuplés, Starlink fournira un réseau de transport principal et de secours pour les réseaux mobiles. Une station terrestre haute performance pourra être installée sur chaque antenne de téléphonie mobile, mais des sources d'alimentation terrestres seront utilisées pour amplifier et transmettre à travers le "dernier kilomètre".
Et enfin, même dans les zones surpeuplées, lors du déploiement initial, il est possible d'utiliser des satellites en orbite basse avec une latence extrêmement minimale. Les entreprises financières mettent à votre disposition d'importantes sommes d'argent — tant que vous pouvez obtenir des données vitales plus rapidement depuis tous les coins du monde. Même si les données passent par Starlink, elles doivent parcourir un chemin plus long que d'habitude — à travers l'espace — la vitesse de la lumière dans le vide étant 50 % plus rapide que dans le verre de quartz, cela compense largement la différence lors de la transmission sur de plus grandes distances.
Conséquences négatives
La dernière section est consacrée aux conséquences négatives. L'objectif de cet article est de vous débarrasser des idées reçues concernant le projet, et les conséquences négatives potentielles des controverses sont souvent celles qui inquiètent le plus. Je vais fournir quelques informations, tout en me gardant de tout excès d'interprétation. Je ne suis pas voyant, et je n'ai pas d'informations de l'intérieur de SpaceX.
À mon avis, les conséquences les plus graves sont dues à l'accès accru à Internet. Même dans ma ville natale de Pasadena, une ville animée et techniquement avancée, où se trouvent plusieurs observatoires, une université de renommée mondiale et le plus grand centre de la NASA, le choix en matière de services Internet est très limité. Partout aux États-Unis et dans le reste du monde, Internet est devenu un service public orienté vers le profit, et les fournisseurs cherchent simplement à extorquer leurs 50 millions de dollars par mois dans un environnement confortable et non concurrentiel. Après tout, tout service fourni aux appartements et aux maisons est un service public, mais la qualité des services Internet est moins constante que celle de l'eau, de l'électricité ou du gaz.
Le problème du statu quo est que, contrairement à l'eau, à l'électricité ou au gaz, Internet est encore jeune et évolue rapidement. Nous trouvons constamment de nouvelles applications pour lui. La découverte la plus révolutionnaire reste à faire, mais les forfaits packagés étouffent la possibilité de concurrence et d'innovation. Des milliards de personnes restent à l'écart en raison des circonstances de leur naissance, ou parce que leur pays est trop éloigné des câbles sous-marins. Dans de grandes régions du monde, Internet est encore fourni par des satellites géostationnaires, à des prix exorbitants.
Starlink, qui diffuse Internet depuis le ciel, rompt ce modèle. Je ne connais pas de meilleur moyen pour connecter des milliards de personnes à Internet. SpaceX est en passe de devenir un fournisseur d'accès Internet et, potentiellement, une entreprise capable de rivaliser avec Google et Facebook. Je parie que vous n'y aviez même pas pensé.
Que l'Internet par satellite soit la meilleure option n'est pas évident. SpaceX est la seule entreprise en mesure de rapidement créer un vaste réseau de satellites, car elle a passé une décennie à rompre le monopole gouvernemental et militaire sur le lancement de fusées. Même si Iridium avait devancé le marché des téléphones cellulaires de dix ans, elle n'aurait pas réussi à s'imposer en utilisant des sites de lancement traditionnels. Sans SpaceX et son modèle commercial unique, il y a de fortes chances que l'Internet par satellite à l'échelle mondiale ne se concrétise jamais.
Le deuxième coup majeur sera porté à l'astronomie. Après le lancement des 60 premiers satellites Starlink, une vague de critiques a surgi de la part de la communauté astronomique internationale, affirmant que le nombre multiplié de satellites obstruera leur accès au ciel nocturne. Il y a un dicton : parmi les astronomes, celui qui a le plus grand télescope est le meilleur. Sans exagérer, faire de l'astronomie à l'ère moderne est une tâche extrêmement difficile, comparable à une lutte continue pour améliorer la qualité de l'analyse face à une pollution lumineuse croissante et d'autres sources de bruit.
Le moins que l'astronome souhaite, ce sont des milliers de satellites brillants, clignotant dans le champ de vision de son télescope. En effet, le premier groupe Iridium a acquis une mauvaise réputation pour avoir causé des « éclairs » en raison de ses grands panneaux qui reflétaient la lumière du soleil sur de petites zones de la Terre. Il arrivait qu'ils atteignent une luminosité équivalente à celle d'un quart de lune et qu'ils endommagent par inadvertance des détecteurs astronomiques sensibles. Les craintes sont également fondées que Starlink empiète sur les bandes radio utilisées en radioastronomie.
Si vous téléchargez une application pour suivre les satellites, vous pouvez voir des dizaines de satellites volant dans le ciel par une nuit claire. Les satellites sont visibles après le coucher du soleil et avant l'aube, mais seulement lorsqu'ils sont éclairés par les rayons du soleil. Plus tard, pendant la nuit, les satellites sont invisibles dans l'ombre de la Terre. Minuscules et extrêmement éloignés, ils se déplacent très rapidement. Il y a une chance qu'ils obscurcissent une étoile lointaine pendant moins d'une milliseconde, mais je pense que même le détecter est un véritable défi.
Une forte préoccupation concernant l'illumination du ciel est née du fait que le bloc de satellites du premier lancement a été placé près du terminator de la Terre, c'est-à-dire pendant des nuits d'été, l'Europe observait une scène épique avec les satellites traversant le ciel dans le crépuscule du soir. Ensuite, les simulations basées sur des rapports de la FCS ont montré que les satellites en orbite à 1150 km seraient visibles même après le crépuscule astronomique. En général, le crépuscule se déroule en trois phases : civil, nautique et astronomique, c'est-à-dire lorsque le soleil se situe à 6, 12 et 18 degrés sous l'horizon, respectivement. À la fin du crépuscule astronomique, les rayons du soleil se trouvent à environ 650 km de la surface au zénith, bien au-delà de l'atmosphère et de la plupart de l'orbite terrestre basse. En me basant sur les données de , je considère que tous les satellites seront placés à une altitude inférieure à 600 km. Dans ce cas, ils pourront être vus durant le crépuscule, mais pas après la tombée de la nuit, ce qui réduira considérablement les conséquences potentielles pour l'astronomie.
Le troisième problème est les débris en orbite. Dans j'ai souligné que les satellites et les débris en dessous de 600 km tomberont de l'orbite dans quelques années en raison de la résistance de l'atmosphère, réduisant fortement la possibilité du syndrome de Kessler. SpaceX semble ignorer les débris, comme s'ils ne pensaient pas du tout à la pollution spatiale. En examinant les détails de la mise en œuvre de Starlink, il m'est difficile d'imaginer une meilleure façon de réduire la quantité de débris en orbite.
Les satellites sont d'abord placés à une altitude de 350 km, puis ils se déplacent vers leur orbite désignée grâce à des moteurs intégrés. Tout satellite perdu lors du lancement descendra de l'orbite dans quelques semaines, et il ne sera pas en train de flotter ailleurs pendant les milliers d'années suivantes. Cet emplacement vise stratégiquement à tester un accès libre. De plus, les satellites Starlink ont une section transversale plate, ce qui signifie que, en perdant le contrôle de l'altitude, ils pénètrent dans des couches denses de l'atmosphère.
Peu de gens savent que SpaceX a été un pionnier de l'astronautique en commençant à utiliser des méthodes de fixation alternatives au lieu de propulseurs pyrotechniques. Pratiquement toutes les plateformes de lancement utilisent des propulseurs pour déployer des étages, des satellites, des coques, etc., augmentant ainsi le potentiel de débris. De plus, SpaceX a l'intention de faire descendre les étages supérieurs de l'orbite, les empêchant de dériver éternellement dans l'espace, pour qu'ils ne se dégradent pas et ne se désagrègent pas dans un environnement spatial hostile.
Enfin, le dernier problème que j'aimerais évoquer est la possibilité que SpaceX élimine le monopole existant sur Internet en créant le sien. Dans son créneau, SpaceX a déjà monopolisé les lancements. Seul le désir des gouvernements concurrents d'obtenir un accès garanti à l'espace empêche la mise au rebut de coûteuses et obsolètes fusées, souvent assemblées par de grands entrepreneurs de la défense monopolistiques.
Il n'est pas si difficile d'imaginer qu'en 2030, SpaceX lancera chaque année 6000 de ses satellites, plus quelques satellites espions - par habitude. Les satellites bon marché et fiables de SpaceX commenceront à vendre "des emplacements fixes" pour des dispositifs externes. Toute université ayant conçu une caméra utilisable dans l'espace pourra l'envoyer en orbite, sans avoir à couvrir les coûts de construction d'une plateforme spatiale entière. Avec un accès aussi avancé et illimité à l'espace, Starlink est déjà associé aux satellites, tandis que les producteurs historiques tombent dans l'oubli.
L'histoire regorge d'exemples d'entreprises prévoyantes qui ont occupé une si grande niche sur le marché que leurs noms sont devenus des noms communs : Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Le problème peut survenir lorsque l'entreprise pionnière s'engage dans des pratiques anticoncurrentielles pour maintenir sa part de marché, même si cela n'est souvent pas interdit depuis l'époque du président Reagan. SpaceX pourrait conserver le monopole de Starlink en obligeant d'autres développeurs de constellations satellitaires à lancer des satellites avec de anciennes fusées soviétiques. Des actions similaires ont été entreprises , combinée à la fixation des prix pour le transport postal, a conduit à son effondrement en 1934. Heureusement, SpaceX ne conservera probablement pas une monopole absolu sur les fusées réutilisables.
Une préoccupation croissante est que le déploiement par SpaceX de dizaines de milliers de satellites en orbite basse pourrait être perçu comme une appropriation de biens communs. Une entreprise privée, cherchant un profit personnel, pourrait s'approprier en propriété permanente des positions orbitales qui étaient autrefois accessibles à tous et inoccupées. Et bien que les innovations de SpaceX aient permis de réaliser des profits dans le vide, la majeure partie du capital intellectuel de SpaceX a été construite sur des milliards de dollars alloués à la recherche.
D'une part, des lois sont nécessaires pour protéger les investissements privés, la recherche et le développement. Sans cette protection, les innovateurs ne pourront pas financer des projets ambitieux ou déplaceront leurs entreprises vers des endroits où cette protection leur sera accordée. Dans tous les cas, le public souffre, car aucun bénéfice n'est généré. D'autre part, des lois sont nécessaires pour protéger les gens, les propriétaires nomiques des biens communs, y compris le ciel, des entités privées orientées vers le loyer qui annexent des biens publics. Ni l'un ni l'autre n'est juste en soi et cela ne peut même pas être possible. Les développements de SpaceX offrent une chance de trouver un juste milieu sur ce nouveau marché. Nous comprendrons qu'il a été trouvé lorsque nous maximiserons la fréquence des innovations et de la création de richesse publique.
Pensées finales
J'ai écrit cet article dès que j'ai terminé un autre - . La semaine a été intense. Tant Starship que Starlink sont des technologies révolutionnaires qui se développent sous nos yeux, durant nos vies. Si je vois mes petits-enfants grandir, ils seront plus étonnés que je sois plus âgé que Starlink, plutôt qu'il n'y avait pas de téléphones portables (objets de musée) ou d'Internet accessible au public à mon époque.
Les riches et les militaires utilisent depuis longtemps Internet par satellite, mais un Starlink général, accessible et bon marché est tout simplement impossible sans Starship.
On parle déjà du lancement depuis un moment, mais Starship, une plateforme relativement bon marché et donc intéressante, est impossible sans Starlink.
On parle de l'astronautique habitée depuis longtemps, et si vous êtes - , vous avez le feu vert. Avec Starship et Starlink, l'exploration spatiale par l'homme devient un avenir réalisable, à portée de main d'un avant-poste orbital aux villes industrielles développées dans l'espace lointain.
Source : habr.com
