Ovaj članak je iz serije posvećenoj .
— plan SpaceX-a za pružanje interneta putem desetaka tisuća satelita — glavna je tema u svemirskoj tiska. Svake se tjedna objavljuju članci o najnovijim dostignućima. Ako je općenito shema jasna, nakon proučavanja , dobro motivirana osoba (recimo, vaš pokorni poslužitelj) može pronaći vrlo mnogo detalja. Ipak, s ovom novom tehnologijom i dalje je povezano mnogo zabluda, čak i među prosvijećenim komentatorima. Često se nailazi na članke u kojima se Starlink uspoređuje s OneWeb-om i Kuiper-om (među ostalima) kao da konkuriraju na jednakim osnovama. Drugi autori, očito zabrinuti za dobrobit planete, viču o svemirskom otpadu, svemirskom pravu, standardima i sigurnosti astronomije. Nadam se da će čitatelj, pročitavši ovaj — prilično dug — članak, bolje razumjeti i ocijeniti ideju Starlink-a.
iznenada pogodila osjetljivu žicu u dušama mojih malo brojnijih čitatelja. U njoj sam objasnio kako će Starship dugoročno postaviti SpaceX na čelnu poziciju i u isto vrijeme osigurati mehanizam za nova istraživanja svemira. Podtekst je da tradicionalna svemirska industrija ne može pratiti SpaceX, koji dosljedno povećava kapacitete i smanjuje troškove obitelji raketa Falcon, stavljajući SpaceX u tešku poziciju. S jedne strane, ona je oblikovala tržište vrijedno, u najboljem slučaju, nekoliko milijardi godišnje. S druge, poticala je u sebi neutaživu glad za novcem — za izgradnju ogromne rakete, na kojoj, međutim, gotovo da nema koga poslati na Mars, a ni trenutnu dobit nije moguće očekivati.
Rešenje ovog duplog problema je Starlink. Okupljajući i lansirajući vlastite satelite, SpaceX bi mogao stvoriti i definirati novo tržište za visoko učinkovit i demokratski pristup komunikaciji kroz svemir, osigurati priliv financija za izgradnju rakete dok ta još nije potopila tvrtku, te povećati svoju ekonomsku vrijednost na trilijune. Ne treba podcjenjivati razmjere ambicija Ilona. Postoji vrlo malo industrija u kojima se vrte trilijuni dolara: energetika, brzi promet, komunikacije, IT, zdravstvo, poljoprivreda, vlada, obrana. Unatoč širenju pogrešnih uvjerenja, , i — posao nije održiv. Ilon je ušao u sektor energetike sa svojom Teslom, ali pouzdano i bogato tržište za satelite i lansiranje raketa osigurat će samo telekomunikacije.
Ilon Musk prvi put je okrenuo pogled prema svemiru kada je želio besplatno investirati 80 milijuna dolara u misiju uzgoja biljaka na marsovskom sondi. Izgradnja grada na Marsu koštat će, vjerojatno, 100.000 puta više, tako da je Starlink glavna oklada Muska za osiguranje mora novca, toliko potrebnog za sponzorstvo .
Zašto?
Već dugo planiram ovaj članak, ali tek prošli tjedan sam dobio cjelovitu sliku. Tada je predsjednica SpaceX-a Gwynne Shotwell dala Robu Baronu nevjerojatan intervju, koji je kasnije objavljen za CNBC u prekrasnom Michael Shitz, kojem je posvećeno . Ovaj intervju pokazao je golemu razliku u pristupima satelitskoj komunikaciji između SpaceX-a i svih ostalih.
Koncept rođen je 2012. godine kada su u SpaceX-u shvatili da njihovi klijenti - pretežno, davatelji satelitske komunikacije - imaju ogromne zalihe novca. Lansirne platforme uvode visoke cijene za raspoređivanje satelita, a pritom na neki način propuštaju jedan korak u radu - kako to? Ilon je sanjao o stvaranju satelitske konstelacije za internet i, ne mogavši odoljeti gotovo nemogućem zadatku, pokrenuo je proces. Razvoj Starlink , ali na kraju ovog članka, ti, moj čitatelju, sigurno ćeš se iznenaditi koliko su ti problemi ustvari mali - uzimajući u obzir razmjere ideje.
Je li uopće potrebna takva ogromna grupacija za internet? I zašto baš sada?
Samo za moje pamćenje, internet se iz čisto akademske zabave pretvorio u prvu i jedinu revolucionarnu infrastrukturu. To nije tema kojoj treba posvetiti opširnu temu, ali pretpostavljam da će globalna potreba za internetom i prihod koji donosi nastaviti rasti otprilike 25% godišnje.
Danas gotovo svi dobivamo internet od malog broja geografski izoliranih monopola. U SAD-u, AT&T, Time Warner, Comcast i nekoliko manjih igrača podijelili su teritorij kako bi izbjegli konkurenciju, naplaćuju usluge tri puta više i uživaju u gotovo univerzalnoj mržnji.
Za nekonkurentno ponašanje pružatelja usluga postoji dobar razlog — osim sveprožimajuće pohlepe. Izgradnja infrastrukture za internet — mikrovalni bazni stanice i optička vlakna — je vrlo i vrlo skupa. Lako je zaboraviti na čudesnu prirodu interneta. Moja baka je prvi put počela raditi tijekom Drugog svjetskog rata kao vezist, a tada je telegraf konkurirao za vodeću stratešku ulogu s golubovima! Za većinu nas informacijska superautocesta je nešto eterealno, nematerijalno, međutim, bitovi putuju kroz fizički svijet u kojem postoje granice, rijeke, planine, oceani, oluje, prirodne katastrofe i druge prepreke. Još 1996. godine, kada je postavljena prva optička vlakna na dnu oceana, . Svojim karakterističnim oštrim stilom on živo opisuje golu cijenu i složenost postavljanja tih linija, kojima se kasnije i dalje goni proklete 'kotige'. Veći dio 2000-ih, kablovi su se postavljali toliko da je cijena implementacije bila zastrašujuća.
Jednom sam radio u optičkoj laboratoriji i (ako se dobro sjećam) postavili smo rekord tog vremena, postižući brzinu višekanalnog prijenosa od 500 Gb/sec. Ograničenja u elektronici dopuštala su da se svako vlakno optereti na 0,1% od teoretske propusnosti. Petnaest godina kasnije, spremni smo za prelazak praga: ako prijenos podataka pređe taj prag, vlakno će se otopiti, a tome smo već vrlo blizu.
Treba podići protok podataka iznad grešne zemlje — u svemir, gdje satelit u pet godina bez prepreka obiđe 'loptu' 30.000 puta. Čini se očigledno rešenje — pa zašto to niko ranije nije pokušao?
Grupacija satelita Iridium, koju je razvila i rasporedila kompanija Motorola početkom 1990-ih (pamtite ih?), postala je prva globalna niskoorbitalna komunikacijska mreža (kao što se primamljivo objašnjava u ). U trenutku kada su je rasporedili, njen nišni kapacitet za usmjeravanje malih paketa podataka od uređaja za praćenje imovine bio je njena jedina primjena: mobilni telefoni su toliko pojeftinili, da satelitski telefoni nikada nisu uspjeli. Iridium je imao 66 satelita (plus nekoliko rezervnih) na 6 orbita — minimalni set za pokrivanje cijele planete.
Ako je Iridium imao dovoljnih 66 satelita, zašto da SpaceX treba desetine hiljada? Šta ih toliko razlikuje?
SpaceX je ušla u ovaj biznis s suprotne strane — počela je s lansiranjima. Postala je pionir u očuvanju rakete nositelja i tako preuzela tržište jeftinih lansirnih platformi. Pokušaji da se njihova ponuda obore nižom cijenom ne donose mnogo profita, tako da jedini način kako se na neki način zaraditi na njihovoj višku snazi — postati njihov klijent. Troškovi SpaceX-a za lansiranje svojih satelita — (po 1 kg) Iridijuma, a stoga su sposobni da uđu na znatno šire tržište.
Globalna pokrivenost Starlink-a osigurat će pristup visoko kvalitetnom internetu u bilo kojem kutku svijeta. Po prvi put, dostupnost interneta neće zavisiti od blizine zemlje ili grada do vlakna, već od čistog neba iznad glave. Korisnici širom svijeta dobit će pristup globalnom internetu oslobođenom okova, nezavisno od njihovih vlastitih, do različitih stepena, loših i/ili nepoštenih vladinih monopola. Sposobnost Starlink-a da naruši te monopole katalizira nevjerojatne pozitivne promjene koje konačno spajaju milijarde ljudi u globalnu kibernetičku zajednicu budućnosti.
Malo liričko odmak: šta to uopće znači?
Za ljude koji se danas razvijaju, u doba svuda prisutne povezanosti, Internet je kao zrak koji dišemo. On jednostavno jest. No, to je — ako zaboravimo na njegovu nevjerojatnu moć donijeti pozitivne promjene — a mi smo već u središtu tih promjena. Uz pomoć Interneta, ljudi mogu pozvati svoje vođe na odgovornost, komunicirati s drugim ljudima s druge strane svijeta, dijeliti misli, izumiti nešto novo. Internet ujedinjuje čovječanstvo. Povijest modernizacija je priča o razvoju mogućnosti za razmjenu podataka. Prvo — putem govora i epske poezije. Zatim — pisanjem, koje daje glas mrtvima, a oni se obraćaju živima; pisanje omogućuje pohranu podataka i omogućuje asinkronu komunikaciju. Tiskana prensa je stavila proizvodnju vijesti na tok. Elektronička komunikacija — ubrzava prijenos podataka širom svijeta. Osobni uređaji za pohranu beleški postupno su postajali složeniji, evoluirajući od bilježnica do mobilnih telefona, svaki od kojih je povezani računar s Internetom, ispunjen senzorima i svaki dan sve bolje predviđa naše potrebe.
Osoba koja koristi pisanje i računalo u procesu spoznaje ima više šansi premostiti ograničenja neidealno razvijenog mozga. Još je veća sreća što su mobilni telefoni i moćni uređaji za pohranu podataka, i mehanizmi za razmjenu ideja. Ako su se ranije ljudi, dijeleći misli, oslanjali na govor koji su skicirali u bilježnicama, današnja norma je — ako bilježnice same dijele ideje koje su generirali ljudi. Tradicionalni obrasci su doživjeli inverziju. Logičan nastavak procesa — neka forma kolektivnog metakognitivnog iskustva, putem osobnih uređaja, i međusobno povezanih. I iako još uvijek nostalgiramo za izgubljenom vezom s prirodom i osami, važno je zapamtiti da tehnologija i samo tehnologija odgovara za veći dio našeg oslobođenja od "prirodnih" ciklusa neznanja, prerane smrti (kojih se može izbjeći), nasilja, gladi i propadanja zuba.
Kako?
Razgovarajmo o poslovnom modelu i arhitekturi projekta Starlink.
Da bi Starlink postao profitabilno poduzeće, priliv sredstava mora nadmašiti troškove izgradnje i održavanja. Tradicionalno, kapitalna ulaganja podrazumijevaju visoke početne troškove, korištenje sofisticiranog specijaliziranog financiranja i mehanizama osiguranja — sve kako bi se pokrenuo satelit. Geostacionarni komunikacijski satelit može koštati 500 milijuna dolara, a sastavljanje i lansiranje može trajati 5 godina. Stoga tvrtke u ovom području istovremeno grade reaktivne avione ili brodove kontejnera. Ogromni troškovi, priliv sredstava koji jedva pokriva troškove financiranja, i relativno mali operativni budžet. Nasuprot tome, slom prvotnog Iridiuma bio je taj što je Motorola natjerala operatera da plati ubitačne licencne naknade, što je bankrotiralo poduzeće u samo nekoliko mjeseci.
Da bi vodili takav posao, tradicionalne satelitske tvrtke morale su opsluživati privatne klijente i naplaćivati visoke tarife za prijenos podataka. Avio-tvrtke, udaljeni ispostave, brodovi, ratne zone i ključni infrastrukturni objekti plaćaju otprilike 5 dolara za 1 MB, što je 5000 puta skuplje od cijene tradicionalne ADSL veze, i to unatoč latenciji u prijenosu podataka i relativno niskoj propusnosti satelitske veze.
Starlink planira konkurirati kopnenim pružateljima usluga, što znači da će morati dostavljati podatke jeftinije i, idealno, naplaćivati mnogo manje od 1 dolara za 1 MB. Je li to moguće? Ili, kad je to već moguće, treba pitati: kako je to moguće?
Prvi sastojak novog recepta — jeftino lansiranje. Trenutno Falcon prodaje lansiranje od 24 tone za otprilike 60 milijuna dolara, što iznosi 2500 dolara za 1 kg. Međutim, postoji mnogo više unutarnjih troškova. Sateliti Starlink bit će lansirani na raketama s višekratnom upotrebom, pa su maržni troškovi jednog lansiranja cijena nove druge stepenice (oko 4 milijuna dolara), obloženja (1 milijun) i zemljišne podrške (~1 milijun). Sveukupno: oko 100 tisuća dolara po satelitu, tj. više od 1000 puta jeftinije od lansiranja uobičajenog komunikacijskog satelita.
Većina satelita Starlink, međutim, bit će lansirana na Starshipu. I zaista, evolucija Starlinka, kako pokazuju ažurirani izvještaji u FKS-u, pruža određene unutarnja arhitektura projekta. Ukupan broj satelita u grupaciji porastao je sa 1.584 na 2.825, zatim na 7.518 i konačno na 30.000. Ako se vjeruje bruto akumulacijama, brojka je još veća. Minimalan broj satelita za prvu fazu razvoja, kako bi projekt bio održiv, iznosi 60 komada na 6 orbita (ukupno 360), dok za potpuno pokriće unutar 53 stupnja od ekvatora treba 24 orbite po 60 satelita (ukupno 1.440). To su 24 lansiranja za Falcon za nekih 150 milijuna dolara unutarnjih troškova. Starship je dizajniran za lansiranje do 400 satelita odjednom, otprilike po istoj cijeni. Sateliti Starlink moraju se zamjenjivati svake 5 godina, pa će 6000 satelita zahtijevati 15 lansiranja Starshipa godišnje. To će koštati nekih 100 milijuna godišnje, ili 15 tisuća po satelitu. Svaki satelit lansiran na Falconu teži 227 kg; sateliti lansirani na Starshipu mogli bi težiti i 320 kg i nositi dodatne instrumente, biti nešto veći i pritom ne premašiti dozvoljenu težinu.
Od čega se sastoji cijena satelita? Među kolegama, sateliti Starlink su pomalo neobični. Oni se sastavljaju, skladište i lansiraju u ravnom obliku pa su stoga izvanredno jednostavni za masovnu proizvodnju. Kao što pokazuje iskustvo, proizvodni trošak trebao bi približno odgovarati cijeni lansiranja. Ako je razlika u cijeni velika, to znači da su resursi pogrešno raspoređeni, jer je složeno smanjenje marginálních troškova prilikom smanjenja troškova zapravo prilično malo. Je li moguće ponuditi 100 tisuća dolara po satelitu pri prvoj seriji od nekoliko stotina — je li to stvarno? Drugim riječima, je li satelit Starlink u konstrukciji doista jednostavniji od automobila?
Da bismo potpuno odgovorili na ovo pitanje, potrebno je razumjeti zašto cijena orbitalnog komunikacijskog satelita doseže 1000 puta veću cijenu, iako on nije 1000 puta složeniji. Pojednostavljeno rečeno, zašto je svemirska "oprema" tako skupa? Postoji mnogo razloga za to, ali najznačajniji je ovaj: ako lansiranje satelita u orbitu (prije Falcona) košta više od 100 milijuna, on mora jamčiti rad mnogo godina – kako bi donio bar neki profit. Osigurati takvu pouzdanost u radu prvog i jedinog uređaja – bolan je proces koji može potrajati godinama i zahtijevati napore stotina ljudi. Dodajte tome troškove i lako će se opravdati dodatni procesi, već kada je lansiranje ionako skupo.
Starlink prekida ovu paradigmu stvarajući stotine satelita, brzo ispravljajući rane greške u dizajnu i koristeći tehnike masovne proizvodnje za upravljanje troškovima. Osobno mi je lako zamisliti Starlink traku, na kojoj tehničar integrira nešto novo u konstrukciju i sve učvršćuje plastičnim vezicama (naravno, na razini NASA-e) u satu ili dva, održavajući potrebnu razinu zamjene od 16 satelita/dan. Starlink satelit se sastoji od mnoštva složenih dijelova, ali ne vidim razloga zašto cijena tisućitog jedinice koja silazi s trake ne bi mogla pasti na 20 tisuća. I zaista, u svibnju je Elon pisao na Twitteru da je cijena proizvodnje satelita već niža od cijene lansiranja.
Uzmimo prosječan slučaj i analizirajmo vrijeme povrata, zaokružujući brojeve. Jedan Starlink satelit, čija cijena sastavljanja i lansiranja iznosi 100 tisuća, radi 5 godina. Hoće li se isplatiti, i ako da, koliko brzo?
Tijekom 5 godina, Starlink satelit će obići Zemlju 30.000 puta. U svakom od tih satelitskih krugova koji traju sat i pol, većinu vremena će provesti iznad oceana, a vjerojatno i 100 sekundi iznad gusto naseljenog grada. U tom kratkom prozoru on i prenosi podatke, žureći se da zaradi novac. Ako pretpostavimo da antena podržava 100 zraka, a svaka zraka prenosi 100 Mb/sec, koristeći modernu kodiranje tipa , dakle, satelit generira 1000 dolara profita po orbiti — uz cijenu pretplate od 1 dolar za 1 GB. To je dovoljno da se za tjedan dana isplati trošak postavljanja od 100 tisuća, a značajno pojednostavljuje strukturu kapitala. Preostalih 29 900 orbita — to je dobit nakon odbitka fiksnih troškova.
Pretpostavljene brojke mogu se značajno razlikovati, i to u oba smjera. No, u svakom slučaju, ako možeš iznijeti visokokvalitetnu grupu satelita u nisku orbitu za 100 000 — ili čak do 1 milijun/jedinca, to je ozbiljna ponuda. Čak i uz iznimno kratko vrijeme korištenja, satelit Starlink može tijekom svog životnog vijeka dostaviti 30 PB podataka — uz amortiziranu cijenu od 0,003 dolara za 1 GB. Pri tome, prilikom prijenosa na veće udaljenosti, margin preporučene troškove gotovo da ne rastu.
Da bismo razumjeli značaj ovog modela, brzo ćemo ga usporediti s dvama drugim modelima isporuke podataka potrošačima: tradicionalnim — optičkim vlaknom, i satelitskom grupom koju nudi tvrtka koja se ne specijalizira za lansiranje satelita.
, koji povezuje Francusku i Singapur, pušten je u rad 2005. godine. Propusnost — 1,28 Tb/s, trošak postavljanja — 500 milijuna dolara. Ako će deset godina raditi s 100% kapaciteta, a fiksni troškovi će iznositi 100% kapitalnih troškova, cijena prijenosa bit će 0,02 dolara za 1 GB. Transatlantski kablovi su kraći i nešto jeftiniji, međutim, podmorski kabel je samo jedno od bića u dugom lancu ljudi koji žele novac za prijenos podataka. Prosječna cijena za Starlink pokazuje se 8 puta jeftinijom, a uz to imaju 'sve uključeno'.
Kako je to moguće? Satelit Starlink uključuje svu složenu opremu za elektroničku prebacivanje potrebnu za komunikaciju optičkih vlakana; jedina razlika je što se za prijenos podataka umjesto skupog i krhakog kabela koristi vakuum. Prijenos kroz svemir smanjuje broj ugodnih i zastarjelih monopola, omogućujući korisnicima povezivanje pomoću još manjeg broja 'hardvera'.
Usporedimo s konkurentskim proizvođačem satelita OneWeb. OneWeb planira stvoriti konstelaciju od 600 satelita, koje će lansirati preko komercijalnih pružatelja po cijeni od oko 20.000 dolara po kg. Težina jednog satelita je 150 kg, tj. u idealnim okolnostima, lansiranje jedne jedinice će koštati oko 3 milijuna. Trošak satelitske 'opreme' procijenjen je na 1 milijun po satelitu, tj. do 2027. godine ukupni trošak cijele konstelacije iznosit će 2,6 milijardi. Testovi koje je proveo OneWeb pokazali su propusnost od 50 Mb/s na vrhuncu, idealno, za svaku od 16 zraka. Slijedeći istu shemu kojom smo proračunali troškove Starlinka, dobivamo: svaki satelit OneWeb generira 80 dolara po okretaju, a ukupno će tijekom 5 godina donijeti 2,4 milijuna — jedva pokrivajući troškove lansiranja, uzimajući u obzir i prijenos podataka u udaljene regije. Dakle, dobivamo 1,70 dolara za 1 GB.
Nedavno su citirali riječi Gwynn Shotwell o tome da , što implicira konkurentnu cijenu od 0,10 dolara za 1 GB. I to još s početnom konfiguracijom Starlinka: s manje optimiziranom proizvodnjom, lansiranjem na Falconu i ograničenjima u prijenosu podataka — i samo s pokrivanjem sjevernog dijela SAD-a. Izgleda da SpaceX ima neporecivu prednost: već danas mogu lansirati znatno uspješniji satelit po cijeni (po jedinici) 15 puta nižoj od konkurenata. Starship će povećati razliku za 100 puta, ako ne i više, tako da nije teško zamisliti kako će do 2027. SpaceX lansirati 30.000 satelita za manje od 1 milijarde dolara, većinu koje će osigurati iz vlastitog džepa.
Siguran sam da postoje i optimističnije analize u vezi s OneWebom i drugim perspektivnim proizvođačima satelitskih konstelacija, ali za sada ne znam kako su oni organizirani.
Nedavno je Morgan Stanley , da će sateliti Starlink koštati 1 milijun za sastavljanje i 830 tisuća za lansiranje. . Zanimljivo je da su brojke slične našim proračunima troškova OneWeba, i, grubo, 10 puta više od procjene prve verzije Starlinka. Korištenje Starshipa i industrijske proizvodnje satelita može smanjiti troškove lansiranja satelita na otprilike 35 tisuća/jedinici. A to je — izuzetno niska cifra.
Ostao je posljednji korak — usporediti profit po 1 W solarne energije generirane za Starlink. Prema fotografijama na njihovoj web stranici, solarni panel svakog satelita ima površinu od otprilike 60 m², tj. u prosjeku generira otprilike 3 kW ili 4,5 kW/h po orbiti. Prema gruboj procjeni, svaka orbita će donositi 1000 dolara, a svaki satelit generira otprilike 220 dolara po kW/h. To je 10.000 puta veća veleprodajna cijena solarne energije, što dodatno potvrđuje: . A modulacija mikrovalova za prijenos podataka — prevelika dodatna cijena.
Arhitektura
U prethodnom odjeljku grubije sam predstavio netrivijalno značajan dio arhitekture Starlink — kako funkcionira s ekstremno neravnomjernom gustoćom stanovništva na planetu. Satelit Starlink emitira fokusirane zrake koje oblikuju mrlje na površini planeta. Pretplatnici unutar mrlje dijele jednu širinu pojasa. Dimenzije mrlje definirane su temeljnim fizikalnim zakonima: njezina inicijalna širina je (visina satelita x duljina mikrovalne / promjer antene), što za satelit Starlink, u najboljem slučaju, iznosi nekoliko kilometara.
U većini gradova gustoća stanovništva iznosi otprilike 1000 ljudi/km², iako su negdje i veće. U nekim dijelovima Tokija ili na Manhattanu, na mrlju može dolaziti više od 100.000 ljudi. Srećom, u svakom sličnom gusto naseljenom gradu postoji konkurentno unutarnje tržište širokopojasnog interneta, da ne spominjemo visoko razvijenu mrežu mobilnih telefona. Ali, kako god bilo, ako u bilo kojem trenutku iznad grada postoji više satelita jedne grupacije, propusnost se može povećati prostornim razdvajanjima antena, kao i raspodjelom frekvencija. Drugim riječima, desetci satelita mogu fokusirati najjači snop na jednoj točki, a korisnici u toj regiji će koristiti zemaljske terminale koji će raspodijeliti zahtjeve između satelita.
Ako su na početnim fazama najprikladnije tržište za usluge udaljena, ruralna ili prigradska područja, tada će sredstva za daljnje pokretanje doći od kvalitetnijih usluga u gusto naseljenim gradovima. Scenarij je potpuno suprotan standardnoj shemi širenja tržišta, pri čemu konkurentske usluge usmjerene na gradove neizbježno trpe smanjenje profita - dok pokušavaju proširiti svoje poslovanje prema siromašnijim i slabije naseljenim područjima.
Prije nekoliko godina, kada sam napravio brojke, .
Uzeo sam podatke s ove slike i napravio 3 grafika u nastavku. Prvi pokazuje učestalost zemljišta po gustoći naseljenosti. Najzanimljivija stvar je da veći dio Zemlje nije naseljen, dok gotovo nijedna regija nema više od 100 ljudi/km².
Drugi grafikon prikazuje učestalost ljudi po gustoći naseljenosti. Iako veći dio planeta nije naseljen, većina ljudi živi u područjima gdje ima 100-1000 ljudi/km². Proširena priroda tog vrhunca (redoslijed veći) odražava bimodalnost u shemama urbanizacije. 100 ljudi/km² predstavlja relativno slabo naseljeno ruralno područje, dok je broj od 1000 ljudi/km² karakterističan za prigrad. Centri gradova lako pokazuju 10 000 ljudi/km², dok je populacija Manhattana 25 000 ljudi/km².
Treći grafikon pokazuje gustoću naseljenosti po geografskoj širini. Vidljivo je da su gotovo svi ljudi koncentrirani unutar 20–40 stupnjeva sjeverne širine. To se, općenito, tako geografski i povijesno oblikovalo, budući da ogroman dio južne hemisfere zauzima ocean. Ipak, takva gustoća naseljenosti predstavlja zastrašujući izazov za arhitekte grupacija, jer u obje hemisfere sateliti provode jednake količine vremena. Štoviše, satelit koji kruži oko Zemlje pod kutem, recimo, od 50 stupnjeva, više vremena će provesti bliže navedenim granicama po širini. Zato Starlink za pokrivanje sjevera SAD-a zahtijeva samo 6 orbita, dok za pokrivanje ekvatora treba 24.
I zaista, ako spojimo grafikon gustoće naseljenosti s grafikonima gustoće satelitske konstelacije, izbor orbita postaje očit. Svaka histogram predstavlja jedan od četiri izvještaja SpaceX u FCC-u. Osobno mislim da je svaki novi izvještaj poput nadopunjenog prethodnog, ali u svakom slučaju, nije teško primijetiti kako dodatni sateliti povećavaju propusnost iznad odgovarajućih regija na sjevernoj hemisferi. Nasuprot tome, impresivna neiskorištena propusnost ostaje iznad južne hemisfere — veselite se, draga Australijo!
Što se događa s korisničkim podacima kada stignu do satelita? U prvotnoj verziji, satelit Starlink odmah ih je prenosio natrag na dodijeljenu zemaljsku stanicu blizu zona usluge. Ova konfiguracija zove se "izravna retransmisija". U budućnosti će sateliti Starlink imati mogućnost međusobno komunicirati putem lasera. Najveća brzina razmjene podataka bit će postignuta iznad gusto naseljenih gradova, ali podaci će se moći distribuirati kroz mrežu lasera u dvije dimenzije. U praksi to znači da postoji ogromna mogućnost za skrivenu transportnu komunikacijsku mrežu unutar mreže satelita, što znači da se korisnički podaci mogu "ponovno prenositi na Zemlju" na bilo kojem prikladnom mjestu. U praksi, čini mi se, zemlje SpaceX će se kombinirati s izvan gradova.
Ispostavilo se da je komunikacija satelit-satelit složen zadatak, ako sateliti ne idu zajedno. U najnovijim izvještajima u FCC-u izvještava se o 11 jasno izraženih orbitalnih grupa satelita. Unutar određene grupe, sateliti se kreću na istoj visini, pod istim nagibom, s jednakim ekscentričnošću, što znači da laseri mogu lako pronaći satelite u neposrednoj blizini. No, brzine približavanja između grupa mjere se u km/s, pa komunikacija između grupa, ako je to uopće moguće, mora se odvijati putem kratkih, brzo upravljanih mikrovalnih veza.
Topologija orbitalnih grupa je slična korpuskularno-valnoj teoriji svjetlosti i ne odnosi se izravno na naš primjer, ali mislim da je prekrasna, pa sam je uveo u članak. Ako vas ovaj odjeljak ne zanima, odmah se prebacite na 'Ograničenja temeljne fizike'.
Tor — ili donuts — je matematički objekt definiran s dva radijusa. Na površini tora lako je nacrtati kružnice: paralelno ili okomito na njegov oblik. Možda će vas zanimati otkriće — postoje još dva druga skupa kružnica koja se mogu prikazati na površini tora, a obje prolaze kroz rupu u njegovom centru i oko konture. To su takozvane , i koristio sam tu konstrukciju kada sam 2015. projektirao toroid za Teslinu zavojnicu 'Gorući čovjek'.
Iako su orbite satelita strogo govoreći elipse, a ne kružnice, ista konstrukcija se primjenjuje i u slučaju Starlink. Grupiranje od 4500 satelita na nekoliko orbitalnih ravnina, svi pod jednim kutom, formira neprekidno pokretni sloj iznad površine Zemlje. Sloj usmjeren prema sjeveru se širi i kreće natrag prema jugu iznad određene točke geografske širine. Kako bi se izbjegli sudari, orbite će biti blago izdužene, tako da će se sloj koji se kreće prema sjeveru nalaziti nekoliko kilometara iznad (ili ispod) onog koji se kreće prema jugu. Zajedno, ta dva sloja formiraju tor oblate oblika, kako je prikazano dolje na drastično pojednostavljenoj shemi.
Podsjećam da unutar ovog tora komunikacija se odvija između susjednih satelita. U općim crtama, između satelita u različitim slojevima nema izravnih i dugotrajnih veza, jer su brzine približavanja za lasersko usmjeravanje prevelike. Putanja prijenosa podataka između slojeva, s druge strane, prolazi iznad ili ispod tora.
Sveukupno 30 000 satelita bit će raspoređeno u 11 ugniježdenih tora, daleko iza orbite ISS-a! Ova shema prikazuje kako su svi ovi slojevi upakirani, bez pretjeranog ekscentričnosti.
I na kraju, treba razmisliti o optimalnoj visini leta. Postoji dilema: mala visina koja daje veću propusnost uz manje zrake, ili velika - koja omogućava pokrivanje cijele planete uz manje satelita? S vremenom su u izvještajima FCC-a od SpaceX-a govorili o sve manjim visinama, jer, usavršavajući se, Starship omogućava brzo raspoređivanje većih konfiguracija.
Niska visina ima i druge prednosti, uključujući smanjen rizik od sudara s kozmičkim otpadom ili negativne posljedice kvara opreme. Zbog pojačanog atmosferskog otpora, sateliti Starlink smješteni na nižim visinama (330 km) izgorjet će unutar nekoliko tjedana nakon gubitka kontrole usmjerenja. I zapravo, 300 km je visina na kojoj sateliti gotovo ne lete, a održavanje visine zahtijevat će ugrađeni elektro raketni motor Krypton, kao i aerodinamički dizajn. Teoretski, satelit dovoljno oštrih oblika, koristit će elektro raketni motor za stabilno održavanje visine od 160 km, ali je malo vjerojatno da će SpaceX lansirati satelite tako nisko, jer još uvijek imaju nekoliko trikova za povećanje propusnosti.
Ograničenja temeljne fizike
Cijeniti da će cijene za smještaj satelita ikada biti znatno niže od 35 tisuća, čak i ako proizvodnja bude napredna i potpuno automatizirana, a Starshipovi brodovi potpuno višekratni, još uvijek nije posve jasno koja će ograničenja fizička postaviti na satelit. Prikazana analiza pretpostavlja vrhunsku propusnost od 80 Gb/s. (ako zaokružimo na 100 zraka, od kojih svaka može prenositi 100 Mb/s).
Kraj propusnosti kanala postavljen je u i objašnjava se u statistikama o širini pojasa (1+SNR). Širina pojasa često je ograničena , dok je SNR - dostupna energija satelita, pozadinska buka i smetnje u kanalu zbog . Još jedna značajna prepreka je brzina obrade. Najnoviji FPGA Xilinx Ultrascale+ imaju , što je dobro uz trenutna ograničenja informacijske propusnosti kanala bez razvoja prilagođenih ASIC-a. No, čak i tada, 58 Gb/s će zahtijevati značajnu raspodjelu frekvencija, vjerojatno unutar Ka- ili V-opsega. V (40–75GHz) ima dostupnije cikluse, ali je podložan većem apsorpcijskom gubitku od atmosfere, posebno u područjima s visokom vlažnošću.
Jesu li 100 zraka praktične? Ovaj problem ima dva aspekta: širina zraka i gustoća elemenata fazirane antene. Širinu zraka određuje valna duljina podijeljena promjerom antene. Digitalna fazirana antena — još uvijek specijalizirana tehnologija, no maksimalne korisne dimenzije određene su širinom. (oko 1m), a korištenje radiofrekvencijskih komunikacija postaje preskupo. Širina vala u Ka-opsegu je oko 1 cm, pri čemu širina zraka treba biti 0,01 radijana — uz širinu spektra na razini 50% amplitude. Pretpostavimo da je telesni kut zraka 1 steradijan (slično pokrivenosti objektiva od 50 milimetara), tada će u ovom području 2500 pojedinačnih zraka biti dovoljno. Linearno ponašanje podrazumijeva da će 2500 zraka zahtijevati minimalno 2500 elemenata antene unutar rešetke, što je načelno moguće, iako izazovno. A sve to će se značajno zagrijavati!
Zajedno 2500 kanala, svaki koji podržava 58 Gb/s, predstavlja ogroman volumen informacija — grubo rečeno, to je 145 Tb/s. Za usporedbu, cjelokupni internet promet u 2020. godini . Dobre vijesti za one koji su zabrinuti zbog principijelno niske propusnosti satelitskog interneta. Ako konstelacija od 30.000 satelita postane operativna do 2026. godine, globalni internet promet potencijalno će iznositi 800 Tb/s. Ako polovica ovog volumena bude isporučena s ~500 satelita iznad gusto naseljenih područja u bilo kojem trenutku, tada će maksimalna propusnost po satu na svakom satelitu iznositi otprilike 800 Gb/s, što je 10 puta više od naših izvornih osnovnih procjena, tj. potencialni priliv sredstava mogao bi porasti deset puta.
Za satelit na orbitu od 330 kilometara, snop od 0,01 radijana pokriva površinu od 10 kvadratnih kilometara. U posebno gusto naseljenim područjima poput Manhattana, do 300 000 ljudi može živjeti na toj površini. A ako svi odjednom odluče gledati Netflix (7 Mb/s u HD kvaliteti)? Ukupna potreba za podacima iznosit će 2000 GB/s, što je otprilike 35 puta više od trenutnog strogo postavljenog ograničenja koje nameće FPGA sučelje za izlazne serije. Iz ove situacije postoje dva rješenja, od kojih je fizički ostvarivo samo jedno.
Prvo je izvesti više satelita na orbitu, kako bi u bilo kojem trenutku iznad područja s povećanom potražnjom postojalo više od 35 njih. Ako ponovno uzmemo 1 steradijan za prihvatljivi adresibilni dio neba i prosječnu orbitu na visini od 400 km, dolazimo do gustoće grupiranja od 0,0002/kva.km, ili ukupno 100 000 — ako ih ravnomjerno rasporedimo po cijeloj površini Zemlje. Podsjećamo da odabrane orbite SpaceX drastično povećavaju gustoću pokrivenosti iznad gusto naseljenih područja unutar 20–40 stupnjeva sjeverne geografske širine, a sada je broj od 30 000 satelita gotovo magičan.
Druga ideja je puno bolja, ali, nažalost, neostvariva. Podsjećamo da širina snopa određuje širina fazirane antene. Što ako više antena na nekoliko satelita ujedine svoje snage, stvarajući uži snop — baš poput radioteleskopa kao što je (veoma velika antena)? Ova metoda nosi jednu poteškoću: treba pažljivo izračunati bazu između satelita — do preciznosti submilimetra — kako bi se stabilizirala faza snopa. Čak i kada bi to bilo moguće, stvoreni snop teško bi mogao održati bočne krakove zbog male gustoće satelitske grupacije na nebu. Na tlu bi širina snopa bila smanjena na nekoliko milimetara (proporcionalno dovoljno da se prati antena mobilnog telefona), ali ih bi bilo milijuni — zbog slabih međufaza poništenja. Hvala .
Ispostavilo se da razdvajanje kanala kutnim razmakom — jer su sateliti raspoređeni po nebu — osigurava adekvatna poboljšanja u propusnosti bez kršenja zakona fizike.
Primjena
Koji je profil klijenta Starlinka? Prema zadanim postavkama, to su stotine milijuna korisnika koji imaju antene veličine kutije za pizzu na krovovima svojih kuća, ali postoje i drugi izvori visokog prihoda.
U udaljenim i ruralnim područjima, zemaljske postaje ne zahtijevaju fazirane antene za maksimizaciju širine snopa, pa je moguće koristiti manju pretplatničku opremu: od IoT uređaja za praćenje do prijenosnih satelitskih telefona, hitnih svjetala ili znanstvenih instrumenata za praćenje životinja.
U gusto naseljenim urbanim sredinama, Starlink će osigurati primarnu i rezervnu transportnu mrežu za mobilnu mrežu. Na svaku mobilnu baznu stanicu može se postaviti visokoučinkovita zemaljska stanica koja koristi zemaljske izvore napajanja za pojačavanje i prijenos kroz "posljednju milju".
I naposljetku, čak i u prenapučenim područjima tijekom primarnog lansiranja postoji mogućnost korištenja niskoorbitalnih satelita s izuzetno minimalnom latencijom. Financijske kompanije vam same guraju značajne količine novca — samo da biste brže dobili ključne podatke iz svih dijelova svijeta. Iako podaci putem Starlinka putuju duže nego obično — kroz svemir — brzina svjetlosti u vakuumu je 50% veća nego u kvarcnom staklu, što sasvim opravdava razliku pri prijenosu na veće udaljenosti.
Negativne posljedice
Posljednji odjeljak posvećen je negativnim posljedicama. Cilj članka je osloboditi vas zabluda o projektu, dok potencijalne negativne posljedice izazivaju najviše rasprava. Pružit ću nekoliko informacija, suzdržavajući se od pretjeranih tumačenja. Ipak, nisam vidovnjak, a nemam ni uvid u unutarnje informacije iz SpaceX-a.
Najozbiljnije posljedice povećanog pristupa internetu, po mom mišljenju, donosi ograničen izbor usluga. Čak i u mom rodnom Pasadeni, živopisnom i tehnološki naprednom gradu s milijun stanovnika, gdje se nalaze nekoliko opservatorija, svjetski ugledni sveučilište i najveći NASA-ov centar, izbor internet usluga je prilično ograničen. U cijelim Sjedinjenim Američkim Državama i ostatku svijeta, internet se pretvorio u komunalnu uslugu orijentiranu na najam, a pružateljima usluga je samo važno izvući svojih 50 milijuna dolara mjesečno u ugodnom, nekonkurentnom okruženju. Možda je svaka usluga koja se isporučuje u stanove i stambene objekte komunalna, ali kvalitet internet usluga nije dosljedniji od vode, struje ili plina.
Problem statusa quo je taj da, za razliku od vode, električne energije ili plina, internet je još uvijek mlad i brzo se razvija. Neprestano pronalazimo nova rješenja za njega. Najrevolucionarnije još uvijek nije otkriveno, ali paketni planovi ugušuju mogućnost konkurencije i inovacija. Milijarde ljudi ostaju izvan zbog okolnosti rođenja ili zato što njihova zemlja leži predaleko od podmorskih kablova. U velike regije planeta internet se još uvijek dostavlja putem geostacionarnih satelita, po razmjerno visokim cijenama.
Starlink, koji kontinuirano dijeli internet s neba, narušava ovaj model. Još nisam upoznat s boljim načinom kako povezati milijarde ljudi s internetom. SpaceX je na putu da postane pružatelj interneta i, potencijalno, internet tvrtka koja će se natjecati s Googleom i Facebookom. Kladim se, niste o tome razmišljali.
To što je satelitski internet najbolja opcija, nije očito. SpaceX i samo SpaceX su u poziciji da brzo izgrade opsežnu konstelaciju satelita, jer je samo ona potrošila desetljeće kršeći vladajuću vojnu monopoliju na lansiranje svemirskih letjelica. Čak i kada bi Iridium deset puta nadmašila mobilne telefone na tržištu, opet ne bi postigla široku primjenu koristeći tradicionalne lansirne rampa. Bez SpaceX-a i njenog jedinstvenog poslovnog modela, velika je vjerojatnost da globalni satelitski internet nikada ne bi postao stvarnost.
Drugi veliki udarac će pogoditi astronomiju. Nakon lansiranja prvih 60 Starlink satelita, uslijedila jevala kritika od međunarodne astronomske zajednice, jer će značajno povećan broj satelita zatvoriti njihov pristup noćnom nebu. Postoji izreka: među astronomima onaj je bolji tko ima veći teleskop. Bez pretjerivanja, baviti se astronomijom u moderno doba — izuzetno je izazovno, nalikuje neprekidnoj borbi za poboljšanje kvalitete analize uslijed rastuće svjetlosne onečišćenosti i drugih izvora šuma.
Astronomu su najviše potrebni tisuće svijetlih satelita koji prolaze kroz fokus teleskopa. I istina, prva grupa Iridium stekla je lošu reputaciju zbog toga što je proizvodila 'osvjetljenje' zbog velikih panela koji su odražavali sunčevu svjetlost na malim dijelovima Zemlje. Zgodilo se da su dostizali svjetlinu jedne četvrtine Mjeseca i ponekad čak oštećivali osjetljive astronomske senzore. Nisu bez osnove ni strahovi da će Starlink ometati radio frekvencije koje se koriste u radioastronomiji.
Ako preuzmete aplikaciju za praćenje satelita, možete vidjeti desetke satelita koji lete nebom na vedrom večeru. Sateliti su vidljivi nakon zalaska sunca i prije svitanja, ali samo kada ih osvjetljava sunčeva svjetlost. Kasnije, tijekom noći, sateliti su nevidljivi u sjeni Zemlje. Sitni, izuzetno daleki, kreću se vrlo brzo. Postoji šansa da zatvore udaljenu zvijezdu na manje od milisekunde, ali mislim da bi i to zabilježiti bio pravi headache.
Jaka zabrinutost zbog svjetla na nebu javila se jer je sloj satelita prvog lansiranja postavljen blizu terminatora Zemlje, tj. noć za noći Europa – a to se događalo ljeti – svjedočila je epskoj sceni kada sateliti prolaze nebom u večernjim sumracima. Nadalje, simulacije temeljene na izvješćima u FKS-u pokazale su da će sateliti na orbiti na 1150 km biti vidljivi čak i nakon astronomskih sumraka. Općenito, sumraci prolaze tri faze: građanski, morski i astronomski – tj. kada je sunce 6, 12 i 18 stupnjeva ispod horizonta. Na kraju astronomskih sumraka sunčeve zrake su otprilike 650 km iznad površine u zenitu, daleko iznad atmosfere i veći dio niske zemaljske orbite. Oslanjajući se na podatke sa , mislim da će svi sateliti biti postavljeni na visini ispod 600 km. U tom slučaju mogli bi se vidjeti u sumracima, ali ne nakon mraka, što bi znatno smanjilo potencijalne posljedice za astronomiju.
Treći problem je smeće na orbiti. U napomenuo sam da će sateliti i smeće ispod 600 km sletjeti s orbite unutar nekoliko godina – zbog otpora atmosfere, što značajno smanjuje mogućnost Kesslerovog sindroma. SpaceX se miješa s otpadom, kao da uopće ne razmišljaju o svemirskom smeću. Gledam pojedinosti implementacije Starlink-a i teško mi je zamisliti bolji način za smanjenje količine smeća na orbiti.
Sateliti se ispuštaju na visinu od 350 km, zatim na ugrađenim motorima odlaze na predviđenu orbitu. Svaki satelit koji propadne tijekom lansiranja sletjet će s orbite za nekoliko tjedana, i neće lutati negdje još više tisućama godina. Takvo postavljanje strateški podrazumijeva testiranje slobodnog ulaska. Nadalje, sateliti Starlink su ravni u presjeku, što znači da, gubeći kontrolu visine, ulaze u guste slojeve atmosfere.
Malo tko zna da je SpaceX postao pionir u kozmonautici, počevši koristiti alternativne načine pričvršćivanja umjesto pirotehničkih sredstava. Praktički sve lansirne rampe koriste pirotehnička sredstva prilikom razmještanja stupnjeva, satelita, obujamica i slično, čime se povećava potencijalna količina otpada. SpaceX također namjerno svodi gornje stupnjeve s orbite, ne dopuštajući im da vječno lete u svemiru kako ne bi propadali i raspadali se u teškim uvjetima svemira.
I na kraju, posljednji problem o kojem bih želio spomenuti je mogućnost da SpaceX istisne postojeću monopoliju na internet stvarajući vlastitu. U svojoj niši, SpaceX je već monopolizirao lansiranja. Samo želja konkurentskih vlada da dobiju zajamčen pristup svemiru sprječava da se otpisuju skupe i zastarjele rakete koje često sastavljaju veliki monopolistički obrtnici.
Nije tako teško zamisliti kako će 2030. godine SpaceX lansirati 6000 svojih satelita godišnje, uz nekoliko špijunskih satelita - iz stare navike. Jeftini i pouzdani sateliti SpaceX-a će se prodavati uz 'prostor za instalaciju' za vanjske uređaje. Bilo koji sveučilište koje stvori kameru pogodnu za korištenje u svemiru će moći izdići istu u orbitu, ne morajući pokriti troškove izgradnje cijele svemirske platforme. S takvim naprednim i neograničenim pristupom svemiru, Starlink se već povezuje sa satelitima, dok povijesni proizvođači odlaze u prošlost.
U povijesti postoje primjeri dalekovidnih kompanija koje su zauzele toliku ogromnu nišu na tržištu da su njihova imena postala generička: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problem može nastati kada pionirska kompanija počne primjenjivati antikonkurentske prakse kako bi zadržala svoj tržišni udio, iako to od vremena predsjednika Reagana često nije zabranjeno. SpaceX može sačuvati monopol Starlink, prisiljavajući ostale programere satelitskih konstelacija da lansiraju satelite starim sovjetskim raketama. Slične akcije poduzete su , u kombinaciji s fiksacijom cijena na transport pošte, dovela je 1934. godine do njenog kolapsa. Na sreću, SpaceX vjerojatno neće zauvijek zadržati apsolutnu monopoliju na raketama za višekratnu upotrebu.
Još veće brige izaziva to što bi raspoređivanje desetaka tisuća satelita SpaceX-a na niskoj orbiti moglo biti projektirano kao kooptacija zajedničkog dobra. Privatna kompanija, težeći osobnoj koristi, prisvaća u stalno vlasništvo nekoć javno dostupne i napuštene orbitalne pozicije. Iako su inovacije SpaceX-a omogućile zarađivanje na vakuumu, veći dio intelektualnog kapitala SpaceX-a izgrađen je na milijardama dolara dodijeljenim iz državnog budžeta za istraživanje.
S jedne strane, potrebni su zakoni koji će zaštititi sredstva privatnih investicija, istraživanja i razvoja. Bez te zaštite, inovatori neće moći financirati ambiciozne projekte ili će premjestiti svoje kompanije na mjesta gdje će im ta zaštita biti osigurana. U svakom slučaju, javnost pati jer se profit ne ostvaruje. S druge strane, potrebni su zakoni koji će zaštititi ljude, nominalne vlasnike zajedničkog dobra, uključujući nebo — od privatnih entiteta orijentiranih na rente koji aneksiraju javna dobra. Ni jedno ni drugo nije ispravno samo po sebi i čak nije ni moguće. Inovacije SpaceX-a daju priliku da se pronađe zlatna sredina na ovom novom tržištu. Shvatit ćemo da je pronađena kada maksimiziramo učestalost inovacija i stvaranja javnog blagostanja.
Misli za kraj
Ovaj članak sam napisao odmah nakon što sam završio drugi — . Bilo je to napeto tjedan. I Starship i Starlink su revolucionarne tehnologije koje se kreiraju pred našim očima, u našim životima. Ako budem svjedok kako moje unuke odrastaju, više će se čuditi tome što sam stariji od Starlinka, nego činjenici što u mom djetinjstvu nije bilo mobilnih (muzejske eksponate) ili općeg interneta kao takvog.
Bogatuni i vojska već odavno koriste satelitski internet, ali sveprisutni, javni i jeftin Starlink bez Starshipa jednostavno nije moguć.
O lansiranju se već dugo govori, međutim Starship, prilično jeftina i stoga zanimljiva platforma, nije moguća bez Starlinka.
O pilotiranju svemirskih letjelica se već dugo raspravlja, i ako ste — , onda vam je otvoren put. Uz Starship i Starlink, ljudska kolonizacija svemira postaje ostvarivo, bliska budućnost, u kojoj je udaljenost od orbitalne avanposte do industrijski razvijenih gradova u dalekom svemiru svedena na dohvat ruke.
Izvor: habr.com
