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— il piano di SpaceX per fornire internet tramite decine di migliaia di satelliti — è il tema principale nella stampa dedicata allo spazio. Ogni settimana vengono pubblicati articoli sui recenti progressi. Se in generale il piano è chiaro, dopo aver esaminato , una persona ben motivata (diciamo, il vostro umile servitore) può scavare molto a fondo in vari dettagli. Tuttavia, con questa nuova tecnologia ci sono ancora molti malintesi, anche tra gli osservatori più informati. Spesso ci si imbatte in articoli in cui Starlink viene paragonato a OneWeb e Kuiper (tra gli altri), come se stessero competendo alla pari. Altri autori, evidentemente preoccupati per il bene del pianeta, gridano riguardo ai rifiuti spaziali, alle leggi spaziali, agli standard e alla sicurezza dell'astronomia. Spero che, dopo aver letto questo articolo — piuttosto lungo — il lettore possa comprendere meglio e apprezzare l'idea di Starlink.
ha toccato inaspettatamente una corda sensibile nelle anime dei miei pochi lettori. In esso spiegavo come Starship porterà SpaceX a essere leader per lungo tempo e contemporaneamente fornirà un meccanismo per nuove esplorazioni spaziali. Il sottotesto è che l'industria tradizionale dei satelliti non riesce a tenere il passo con SpaceX, che continua ad aumentare le capacità e ridurre i costi della famiglia di razzi Falcon, mettendo SpaceX in una situazione difficile. Da un lato, ha creato un mercato che vale, nella migliore delle ipotesi, alcuni miliardi all'anno. Dall'altro, ha alimentato un irrefrenabile appetito di denaro — per costruire un enorme razzo, sul quale, tuttavia, non ci sono praticamente persone da inviare su Marte, e non ci si può aspettare un profitto immediato.
La soluzione a questo duplice problema è Starlink. Raccolti e lanciati i propri satelliti, SpaceX potrebbe creare e definire un nuovo mercato per un accesso alla comunicazione altamente efficace e democratizzato attraverso lo spazio, garantire un afflusso di finanziamenti per costruire il razzo, prima che esso non affondi l'azienda, e aumentare il suo valore economico fino a trilioni. Non bisogna sottovalutare la portata delle ambizioni di Elon. Esistono davvero poche industrie in cui girano trilioni di dollari: energia, trasporti ad alta velocità, comunicazioni, IT, sanità, agricoltura, governo, difesa. Nonostante i comuni fraintendimenti, , e — è un business non sostenibile. Elon è entrato nel settore energetico con la sua Tesla, ma solo le telecomunicazioni garantiranno un mercato affidabile e ampio per i satelliti e i lanci di razzi.
È stata la prima volta che Elon Musk ha rivolto lo sguardo allo spazio, quando ha voluto investire 80 milioni di dollari in modo altruistico in una missione per coltivare piante su un rover marziano. Costruire una città su Marte costerà, probabilmente, 100.000 volte di più, quindi Starlink è la principale scommessa di Musk per garantire una marea di denaro, tanto necessaria per il finanziamento .
A cosa serve?
Ho già pianificato da un po' questa articolo, ma solo la scorsa settimana ho ottenuto un quadro complessivo. Allora, la presidente di SpaceX, Gwynne Shotwell, ha dato a Rob Beron un'intervista straordinaria, che poi ha illuminato per CNBC in un magnifico Michael Schittz, a cui sono state dedicate . Questa intervista ha mostrato un'enorme differenza negli approcci alla comunicazione satellitare tra SpaceX e tutti gli altri.
Concetto è nata nel 2012, quando in SpaceX si sono resi conto che i loro clienti — principalmente fornitori di comunicazione satellitare — avevano enormi riserve di denaro. I lanciatori inflazionano i prezzi per il dispiegamento dei satelliti e, in qualche modo, trascurano un passaggio fondamentale — come è possibile? Elon sognava di creare una costellazione di satelliti per Internet e, incapace di resistere a un compito praticamente impossibile, ha dato inizio al processo. Lo sviluppo di Starlink , ma alla fine di questo articolo, caro lettore, ti stupirai di quanto in realtà queste difficoltà siano piccole — considerando l'ampiezza dell'idea.
È davvero necessaria una così grande concentrazione per internet? E perché proprio adesso?
Solo nella mia memoria, internet è passato da un puro passatempo accademico a una vera e propria infrastruttura rivoluzionaria. Non è questo il tema giusto per dedicarsi a un articolo dettagliato, ma suppongo che globalmente la domanda di internet e il reddito che genera continueranno a crescere di circa il 25% all'anno.
Oggi quasi tutti noi riceviamo internet da un piccolo numero di monopoliste geograficamente isolate. Negli Stati Uniti, AT&T, Time Warner, Comcast e una manciata di operatori minori hanno diviso il territorio per evitare la concorrenza, facendo pagare per i servizi a peso d'oro e godendo di una quasi universale avversione.
Ci sono valide ragioni per il comportamento non competitivo dei provider, oltre alla loro insaziabile avidità. Costruire l'infrastruttura per internet — torri cellulari a microonde e fibra ottica — è estremamente costoso. È facile dimenticare la meravigliosa natura di internet. Mia nonna ha iniziato a lavorare come telegrafista durante la Seconda guerra mondiale, e allora il telegrafo competeva con i piccioni viaggiatori per il ruolo strategico dominante! Per la maggior parte di noi, l'autostrada dell'informazione è qualcosa di effimero, immateriale, ma i bit viaggiano in un mondo fisico, in cui ci sono confini, fiumi, montagne, oceani, tempeste, disastri naturali e altri ostacoli. Già nel 1996, quando è stata stesa la prima linea di fibra ottica sul fondale oceanico, . Con il suo stile distintivo e affilato, descrive vividamente il costo nudo e la complessità della posa di queste linee, lungo cui infine corrono i dannati "cable". Per gran parte degli anni 2000, sono stati stesi cavi in quantità tale che il costo di implementazione era sorprendente.
In passato ho lavorato in un laboratorio di ottica e (se la memoria non mi inganna) abbiamo battuto il record dell'epoca, raggiungendo una velocità di trasmissione multipla di 500 Gb/sec. Le limitazioni elettroniche consentivano di sfruttare ogni fibra fino allo 0,1% della capacità teorica. Quindici anni dopo, siamo pronti a superare questa soglia: se la trasmissione dei dati si spingerà oltre, la fibra si scioglierà, e siamo già molto vicini a questo.
E bisogna sollevare il flusso di dati sopra la terra peccatrice — nello spazio, dove un satellite compie 30.000 orbite attorno al "pallone" in cinque anni senza ostacoli. Una soluzione apparentemente ovvia — allora perché nessuno ci ha mai provato prima?
Il gruppo di satelliti Iridium, sviluppato e dispiegato all'inizio degli anni '90 dalla Motorola (te la ricordi ancora?), è stato la prima rete di comunicazione globale a bassa orbita (come si racconta affascinante in ). Quando è stata implementata, la capacità di routare piccole quantità di dati dai tracker di asset si è rivelata la sua unica applicazione: i telefoni cellulari erano così economici che i telefoni satellitari non hanno mai preso piede. Iridium aveva 66 satelliti (più alcuni di riserva) su 6 orbite — un numero minimo per coprire il pianeta intero.
Se Iridium aveva bisogno di 66 satelliti, perché SpaceX ne vuole decine di migliaia? Qual è la differenza?
SpaceX è entrata in questo business dall'altro lato — iniziando con il lancio. È diventata pioniera nel campo del recupero dei razzi vettori, conquistando così il mercato dei lanci a basso costo. I tentativi di abbattere il loro prezzo non porteranno a guadagni significativi, quindi l'unico modo per trarre profitto dalla loro capacità in eccesso è diventare loro cliente. I costi di SpaceX per il lancio dei propri satelliti sono (per 1 kg) di Iridium, e quindi sono in grado di accedere a un mercato molto più ampio.
La copertura globale di Starlink garantirà l'accesso a internet di alta qualità in qualsiasi angolo del mondo. Per la prima volta, la disponibilità di internet non dipenderà dalla vicinanza di un paese o di una città alla rete in fibra ottica, ma dalla chiarezza del cielo sopra di noi. Gli utenti in tutto il mondo avranno accesso a un internet globale libero da catene, indipendentemente dalle loro autorità governative più o meno oppressive e/o corrotte. La capacità di Starlink di infrangere queste monopolizzazioni catalizzerà cambiamenti positivi incredibili, che finalmente uniranno miliardi di persone in una comunità cibernetica globale del futuro.
Una piccola digressione lirica: cosa significa tutto ciò?
Per le persone che crescono oggi, nell'era della connettività onnipresente, Internet è come l'aria che respiriamo. Esiste semplicemente. Ma questo è, se si dimentica la sua incredibile potenza di portare cambiamenti positivi — e noi siamo già nel cuore di tutto ciò. Grazie a Internet, le persone possono chiamare i propri leader a responsabilità, comunicare con altre persone dall'altra parte del mondo, condividere pensieri, inventare qualcosa di nuovo. Internet unisce l'umanità. La storia delle modernizzazioni è la storia dello sviluppo delle opportunità di scambio di dati. Inizialmente — attraverso discorsi e poesia epica. Poi — attraverso la scrittura, che dà voce ai morti e li fa parlare ai vivi; la scrittura consente di conservare dati e rende possibile la comunicazione asincrona. La stampa ha messo in serie la produzione di notizie. La comunicazione elettronica ha accelerato la trasmissione dei dati nel mondo. I dispositivi personali per memorizzare note sono diventati progressivamente più complessi, evolvendosi da bloc-notes a telefoni cellulari, ognuno dei quali è un computer connesso a Internet, pieno di sensori e ogni giorno sempre più in grado di prevedere i nostri bisogni.
L'individuo che utilizza scrittura e computer nel processo di apprendimento ha maggiori possibilità di superare i limiti di un cervello sviluppato in modo imperfetto. Ancora più gratificante è che i telefoni cellulari sono sia potenti dispositivi di archiviazione dati che meccanismi di scambio di idee. Se in passato le persone, condividendo pensieri, si affidavano al discorso che annotavano sui loro bloc-notes, oggi la norma è che i bloc-notes stessi condividano idee generate da persone. Schema tradizionale ha subito un'inversione. Una logica continuazione del processo è una forma di metacognizione collettiva, attraverso dispositivi personali, e collegati tra loro. E sebbene ancora proviamo nostalgia per il legame perduto con la natura e la solitudine, è importante ricordare che la tecnologia e solo la tecnologia è responsabile della maggior parte della nostra liberazione dai cicli 'naturali' di ignoranza, morte prematura (che si può evitare), violenza, fame e deterioramento dei denti.
Come?
Parliamo del modello di business e dell'architettura del progetto Starlink.
Affinché Starlink diventi un'impresa redditizia, l'afflusso di fondi deve superare i costi di costruzione e funzionamento. Tradizionalmente, gli investimenti comportano elevate spese iniziali, l'uso di finanziamenti specializzati complessi e meccanismi di assicurazione, il tutto per lanciare un satellite. Un satellite di comunicazione geostazionario può costare 500 milioni di dollari e l'assemblaggio e il lancio possono richiedere 5 anni. Pertanto, le aziende in questo settore costruiscono contemporaneamente aerei a reazione o porta-container. Spese enormi, afflusso di fondi che a malapena copre i costi del finanziamento e un budget operativo relativamente ridotto. Al contrario, il fallimento iniziale di Iridium era dovuto al fatto che Motorola costrinse l'operatore a pagare delle tasse di licenza insostenibili, portando l'azienda al collasso in pochi mesi.
Per gestire questo tipo di business, le aziende satellitari tradizionali dovevano servire clienti privati e applicare tariffe elevate per la trasmissione dei dati. Le compagnie aeree, gli avamposti remoti, le navi, le zone di conflitto e le infrastrutture critiche pagano circa 5 dollari per 1 MB, che è 5000 volte più costoso rispetto al costo della tradizionale connessione ADSL, e questo nonostante la latenza nella trasmissione dei dati e la relativamente bassa capacità di banda della connessione satellitare.
Starlink prevede di competere con i fornitori di servizi terrestri, il che significa che dovrà consegnare i dati a un costo inferiore e, idealmente, chiedere molto meno di 1 dollaro per 1 MB. È possibile? Oppure, se è possibile, bisogna chiedersi: come è possibile?
Il primo ingrediente del nuovo piatto è un lancio economico. Ad oggi, Falcon vende un lancio per 24 tonnellate a circa 60 milioni di dollari, ovvero 2500 dollari per 1 kg. Tuttavia, ci sono molte più spese interne. I satelliti Starlink verranno lanciati su razzi riutilizzabili, quindi i costi marginali di un lancio consistono nel costo di una nuova seconda fase (circa 4 milioni di dollari), dei fairing (1 milione) e del servizio a terra (~1 milione). In totale: circa 100.000 dollari per satellite, ovvero oltre 1000 volte meno costoso rispetto al lancio di un normale satellite per comunicazioni.
Tuttavia, la maggior parte dei satelliti Starlink verrà lanciata su Starship. E in effetti, l'evoluzione di Starlink, come dimostrano i rapporti aggiornati dell'FCC, offre alcune l'architettura interna del progetto. Il numero totale di satelliti nella costellazione è aumentato da 1.584 a 2.825, poi a 7.518 e infine a 30.000. Se si crede ai dati aggregati, il numero è ancora più alto. Il numero minimo di satelliti per la prima fase di sviluppo, affinché il progetto sia sostenibile, è di 60 su 6 orbite (totale 360), mentre per una copertura completa entro 53 gradi dall'equatore sono necessarie 24 orbite da 60 satelliti (totale 1.440). Ciò corrisponde a 24 lanci per Falcon per un costo di circa 150 milioni di dollari in spese interne. Starship, invece, è progettato per lanciare fino a 400 satelliti alla volta, a un costo simile. I satelliti Starlink devono essere sostituiti ogni 5 anni, quindi 6.000 satelliti richiederanno 15 lanci di Starship all'anno. Questo si traduce in circa 100 milioni di dollari all'anno, o 15.000 dollari per satellite. Ogni satellite lanciato con Falcon pesa 227 kg; i satelliti trasportati su Starship potrebbero pesare fino a 320 kg e portare apparecchiature esterne, essere leggermente più grandi e non superare il carico utile consentito.
Quali sono i costi dei satelliti? Tra i loro simili, i satelliti Starlink sono piuttosto singolari. Vengono assemblati, immagazzinati e lanciati in forma piatta e quindi sono estremamente semplici da produrre in massa. Come dimostra l'esperienza, il costo di produzione dovrebbe essere orientativamente pari al costo del lanciatore. Se la differenza di prezzo è grande, significa che le risorse non sono distribuite correttamente, poiché la riduzione complessiva dei costi marginali non è così significativa. È davvero possibile raggiungere 100.000 dollari per satellite nel primo lotto di qualche centinaio? In altre parole, è possibile che il satellite Starlink non sia più complesso di un'automobile?
Per rispondere completamente a questa domanda, è necessario capire perché il costo di un satellite per le comunicazioni orbitali sia 1000 volte superiore, anche se non è 1000 volte più complesso. In parole semplici, perché l'hardware spaziale costa così tanto? Ci sono molte ragioni, ma la più importante è questa: se il lancio di un satellite in orbita (fino a Falcon) costa più di 100 milioni, deve garantire un funzionario per molti anni, per portare almeno una certa redditività. Garantire tale affidabilità nell'uso del primo e unico esemplare è un processo doloroso e può richiedere anni, comportando gli sforzi di centinaia di persone. Aggiungete a questo i costi, ed ecco che diventa facile giustificare processi aggiuntivi, dato che il lancio è già costoso di per sé.
Starlink rompe questa paradigmi, creando centinaia di satelliti, correggendo rapidamente i primi difetti nel design e utilizzando tecniche di produzione di massa per controllare i costi. Personalmente, riesco facilmente a immaginare una catena di montaggio di Starlink, in cui un tecnico integra nella struttura qualcosa di nuovo e fissa tutto con una fascetta di plastica (di livello NASA, ovviamente) in un'ora o due, mantenendo il livello necessario di sostituzione di 16 satelliti/giorno. Un satellite di Starlink è composto da molti pezzi complessi, ma non vedo ragioni per cui il costo del millesimo unità, che esce dalla catena di montaggio, non possa essere ridotto a 20.000 euro. Infatti, a maggio, Elon ha scritto su Twitter che il costo di produzione di un satellite è già inferiore al costo di lancio.
Prendiamo un caso medio e analizziamo il tempo di ammortamento, arrotondando i numeri. Un satellite di Starlink, il cui assemblaggio e lancio costa 100.000 euro, funziona per 5 anni. Si ripagherà e, se sì, quanto presto?
In 5 anni, un satellite di Starlink orbiterà intorno alla Terra 30.000 volte. Durante ciascuna di queste orbite di un'ora e mezza, passerà la maggior parte del tempo sopra l'oceano e probabilmente 100 secondi sopra una città densamente popolata. In questa breve finestra, trasmette dati, cercando di guadagnare denaro. Supponendo che l'antenna supporti 100 raggi, e ogni raggio trasmetta 100 Mb/s, utilizzando una codifica moderna tipo , il satellite genera 1000 dollari di profitto per ogni orbita — con un prezzo dell'abbonamento di 1 dollaro per 1 GB. Questo è sufficiente per rientrare dei costi di implementazione di 100.000 in una settimana e semplifica notevolmente la struttura del capitale. I rimanenti 29.900 orbite rappresentano il profitto, al netto dei costi fissi.
Le cifre stimate possono variare notevolmente, sia in un senso che nell'altro. Ma in ogni caso, se sei in grado di portare in orbita bassa un gruppo di satelliti di qualità per 100.000 — o anche per 1.000.000$/unità — è una proposta seria. Anche considerando il tempo di utilizzo ridicolo, il satellite Starlink può fornire 30 PB di dati durante il periodo di utilizzo — con un costo ammortizzato di 0,003 dollari per 1 GB. Inoltre, nel caso di trasmissioni su distanze maggiori, i costi marginali aumentano praticamente di nulla.
Per comprendere l'importanza di questo modello, confrontiamolo rapidamente con due altri modelli di fornitura di dati ai consumatori: quello tradizionale — cavo in fibra ottica — e il gruppo di satelliti offerto da una compagnia che non si specializza nei lanci di satelliti.
, che collega la Francia a Singapore, è stato messo in funzione nel 2005. La capacità è di 1,28 Tb/sec., il costo di implementazione è di 500 milioni di dollari. Se dovesse funzionare per 10 anni a piena potenza, considerando costi fissi pari al 100% dei costi di capitale, il prezzo di trasferimento sarebbe di 0,02 dollari per 1 GB. I cavi transatlantici sono più brevi e leggermente più economici, tuttavia il cavo sottomarino è solo un'entità in una lunga catena di persone che vogliono denaro per il trasferimento dei dati. La valutazione media per Starlink risulta otto volte più economica, e tutto è incluso.
Come può essere possibile? Il satellite Starlink include tutta la complessa tecnologia di commutazione elettronica necessaria per la comunicazione dei cavi in fibra ottica, ma invece di utilizzare un costoso e fragile cavo, sfrutta il vuoto per la trasmissione dei dati. La trasmissione attraverso lo spazio riduce il numero di comode e obsolette monopolistiche, permettendo agli utenti di connettersi utilizzando ancora meno "hardware".
Confrontiamo con il concorrente OneWeb. OneWeb prevede di creare una costellazione di 600 satelliti, che lancerà tramite fornitori commerciali a un costo di circa 20.000 dollari per 1 kg. Il peso di un singolo satellite è di 150 kg, cioè, in un calcolo ideale, il lancio di un'unità costerebbe circa 3 milioni. Il costo del "ferro" satellitare è valutato in 1 milione per satellite, cioè, entro il 2027, il costo dell'intera costellazione sarà di 2,6 miliardi. I test effettuati da OneWeb hanno mostrato una capacità di 50 Mb/sec. al picco, idealmente, su ciascuno dei 16 fasci. Seguendo lo stesso schema usato per calcolare il costo di Starlink, otteniamo: ciascun satellite OneWeb genera 80 dollari per giro, e in totale porterà 2,4 milioni in 5 anni — a malapena coprendo i costi di lancio, se si considerano anche i dati trasmessi verso regioni remote. In totale otteniamo 1,70 dollari per 1 Gb.
Recentemente sono state citate le parole di Gwynne Shotwell riguardo al fatto che , il che implica un prezzo competitivo di 0,10 dollari per 1 Gb. E questo mentre Starlink è ancora nella sua configurazione iniziale: con una produzione meno ottimizzata, i lanci su Falcon e limitazioni nella trasmissione dei dati — e solo con la copertura del nord degli Stati Uniti. Di conseguenza, SpaceX ha un vantaggio innegabile: già oggi possono lanciare un satellite di qualità molto superiore a un prezzo (per unità) 15 volte inferiore a quello dei concorrenti. Starship aumenterà il divario a 100 volte, se non di più, quindi non è difficile immaginare come entro il 2027 SpaceX possa lanciare 30.000 satelliti per meno di 1 miliardo di dollari, gran parte dei quali saranno coperti da risorse proprie.
Sono sicuro che ci siano analisi più ottimistiche su OneWeb e altri promettenti sviluppatori di costellazioni satellitari, ma al momento non so come siano organizzati.
Recentemente Morgan Stanley , che i satelliti Starlink costeranno 1 milione per l'assemblaggio e 830.000 per il lancio. . È curioso che i numeri siano simili ai nostri calcoli riguardo ai costi di OneWeb, e, grossolanamente, 10 volte superiori alla stima della versione iniziale di Starlink. L'uso di Starship e di produzioni industriali di satelliti potrebbe ridurre il costo di dispiegamento dei satelliti a circa 35.000 dollari/unità. Questo è un numero incredibilmente basso.
Rimane l'ultimo punto: confrontare il profitto per 1 W di energia solare generata per Starlink. Secondo le foto sul loro sito, il pannello solare di ciascun satellite ha una superficie di circa 60 mq, ovvero genera mediamente circa 3 kW o 4,5 kWh ad orbita. Secondo una stima approssimativa, ogni orbita potrebbe generare 1000 dollari, mentre ogni satellite produce circa 220 dollari per kWh. Questo è 10.000 volte il costo all'ingrosso dell'energia solare, il che conferma ulteriormente: . E la modulazione delle microonde per la trasmissione dei dati rappresenta un costo aggiuntivo eccessivo.
Architettura
Nella sezione precedente ho presentato in modo piuttosto grossolano una parte sostanziale dell'architettura di Starlink: come essa funzioni con una densità di popolazione planetaria estremamente irregolare. Il satellite Starlink emette fasci focalizzati che formano macchie sulla superficie del pianeta. Gli abbonati all'interno della macchia condividono una larghezza di banda. Le dimensioni della macchia sono determinate dalla fisica fondamentale: inizialmente la sua larghezza è (altezza del satellite × lunghezza della microonda ÷ diametro dell'antenna), che per il satellite Starlink, nel migliore dei casi, è di pochi chilometri.
Nella maggior parte delle città, la densità di popolazione è di circa 1000 persone/km², anche se a volte è superiore. In alcune aree di Tokyo o a Manhattan, la macchia può servire oltre 100.000 persone. Fortunatamente, in qualsiasi città densamente popolata ci sia un mercato interno competitivo per la banda larga, senza contare la rete mobile altamente sviluppata. Tuttavia, in qualunque momento sopra la città ci siano numerosi satelliti della stessa costellazione, la larghezza di banda può essere aumentata mediante la distribuzione spaziale delle antenne, così come dalla distribuzione delle frequenze. In altre parole, decine di satelliti possono focalizzare il più potente fascio in un unico punto e gli utenti in questa regione utilizzeranno terminali terrestri che distribuiranno la richiesta tra i satelliti.
Se nei primi stadi il mercato più adatto per i servizi è rappresentato da zone remote, rurali o periferiche, i fondi per future espansioni arriveranno da servizi di qualità superiori alle città densamente popolate. Lo scenario è esattamente opposto allo schema standard di espansione del mercato, dove i servizi competitivi orientati alle città subiscono inevitabilmente una riduzione dei profitti man mano che si tenta di espandersi verso aree più povere e scarsamente popolate.
Qualche anno fa, quando effettuai i calcoli, .
Ho preso i dati da questa immagine e ho creato i 3 grafici qui sotto. Il primo mostra la frequenza della superficie terrestre in base alla densità di popolazione. La cosa più interessante è che gran parte della Terra non è affatto popolata, mentre in quasi nessuna regione ci sono più di 100 persone/km².
Il secondo grafico mostra la frequenza delle persone in base alla densità di popolazione. Anche se gran parte del pianeta non è popolata, la maggior parte delle persone vive in aree dove ci sono 100–1000 persone per km². La natura estesa di questo picco (di un ordine di grandezza superiore) riflette la bimodalità nei modelli di urbanizzazione. 100 persone/km² rappresentano un'area rurale relativamente poco popolata, mentre 1000 persone/km² sono tipiche di una zona suburbana. I centri delle città mostrano facilmente 10.000 persone/km², mentre la popolazione di Manhattan è di 25.000 persone/km².
Il terzo grafico mostra la densità di popolazione in base alla latitudine. Si può notare che quasi tutte le persone sono concentrate tra i 20 e i 40 gradi di latitudine nord. In sostanza, questa è la configurazione geografica e storica, poiché gran parte dell'emisfero meridionale è occupata dall'oceano. Eppure, una tale densità di popolazione rappresenta una sfida inquietante per gli architetti della pianificazione, poiché in entrambi gli emisferi i satelliti trascorrono lo stesso tempo. Inoltre, un satellite in orbita attorno alla Terra, a un angolo, diciamo, di 50 gradi, trascorrerà più tempo vicino ai confini latitudinali indicati. Ecco perché Starlink richiede solo 6 orbite per servire il nord degli Stati Uniti, mentre per coprire l'equatore ne servono 24.
È vero, se sovrapponiamo il grafico della densità della popolazione con quello della densità della costellazione satellitare, la scelta delle orbite diventa ovvia. Ogni istogramma rappresenta uno dei quattro rapporti di SpaceX all'FCS. Personalmente, penso che ogni nuovo rapporto sia come un'aggiunta al precedente, ma in ogni caso, non è difficile notare come ulteriori satelliti aumentino la capacità sopra le regioni corrispondenti dell'emisfero settentrionale. In contrapposizione, una notevole capacità non utilizzata rimane sopra l'emisfero meridionale: rallegriamoci, cara Australia!
Cosa succede ai dati degli utenti quando raggiungono il satellite? Nella versione iniziale, il satellite Starlink li trasmetteva immediatamente a una stazione di terra dedicata vicino alle zone di servizio. Questa configurazione è chiamata "ritrasmissione diretta". In futuro, i satelliti Starlink avranno la possibilità di comunicare tra loro tramite laser. Il picco dell'interscambio di dati si verificherà sopra le città densamente popolate, ma i dati potranno essere distribuiti attraverso una rete di laser in due dimensioni. In pratica, ciò significa che esiste una grande possibilità per una rete di trasporto dati nascosta all'interno della rete satellitare, ovvero i dati degli utenti possono essere "ritrasmessi sulla Terra" in qualsiasi luogo adatto. In pratica, mi sembra che le stazioni di terra di SpaceX si combineranno con fuori dalle città.
Si scopre che la comunicazione satellite-satellite è un compito non banale, se i satelliti non si muovono insieme. Negli ultimi rapporti all'FCS si fa riferimento a 11 gruppi orbitali distinti di satelliti. All'interno di un gruppo specifico, i satelliti viaggiano a una stessa altezza, sotto un'angolazione identica, con un'eccentricità uguale, il che significa che i laser possono trovare i satelliti nelle immediate vicinanze piuttosto facilmente. Tuttavia, le velocità di avvicinamento tra i gruppi sono misurate in km/s, quindi la comunicazione tra i gruppi, se possibile, deve avvenire tramite collegamenti a microonde brevi e rapidamente gestibili.
La topologia dei gruppi orbitali è come la teoria corpuscolare-ondulatoria della luce e non è particolarmente pertinente al nostro esempio, ma a mio avviso è affascinante, quindi l'ho inclusa nell'articolo. Se questo capitolo non ti interessa, puoi passare direttamente a "Le limitazioni della fisica fondamentale".
Il toro — o donut — è un oggetto matematico definito da due raggi. Disegnare cerchi sulla superficie del toro è piuttosto semplice: parallelamente o perpendicolarmente alla sua forma. Potrebbe interessarti scoprire che ci sono anche altre due famiglie di cerchi che possono essere rappresentate sulla superficie del toro, e entrambe attraversano il foro al suo centro e intorno al contorno. Questo è chiamato. , e ho usato questa costruzione quando nel 2015 ho progettato un toroide per la bobina di Tesla "Uomo in fiamme".
E sebbene le orbite dei satelliti siano, tecnicamente parlando, ellissi e non cerchi, la stessa costruzione si applica anche nel caso di Starlink. La configurazione di 4500 satelliti su più piani orbitali, tutti sotto un angolo unico, forma una lastra in continuo movimento sopra la superficie terrestre. La lastra diretta verso nord si piega sopra un punto di latitudine specifico e si muove nuovamente verso sud. Per evitare collisioni, le orbite saranno leggermente allungate, così la lastra in movimento verso nord si troverà a diversi chilometri sopra (o sotto) di quella in movimento verso sud. Insieme, queste due lastre formano un toro dalla forma allungata, come mostrato sotto in uno schema molto semplificato.
Ricordo che all'interno di questo toro la comunicazione avviene tra satelliti adiacenti. In generale, non ci sono connessioni dirette e prolungate tra satelliti in diversi strati, poiché le velocità di avvicinamento per la guida laser sono troppo elevate. La traiettoria di trasmissione dei dati tra gli strati, a sua volta, passa sopra o sotto il toro.
In totale, 30.000 satelliti saranno disposti in 11 tori concentrici, ben distanti dall'orbita della ISS! In questo schema viene mostrato come tutti questi strati siano impacchettati, senza un'eccessiva eccentricità.
E, infine, bisogna riflettere sull'altezza ottimale di volo. Esiste un dilemma: un'altezza bassa, che offre una maggiore capacità di trasmissione con dimensioni più contenute dei fasci, o un'altezza maggiore — che consente di coprire l'intero pianeta con meno satelliti? Nel tempo, nei rapporti della FCC da SpaceX si è parlato di altezze sempre più basse, poiché, migliorando, Starship rende possibile un dispiegamento rapido di gruppi più grandi.
Un'altezza bassa presenta anche altri vantaggi, tra cui un rischio ridotto di collisione con detriti spaziali o conseguenze negative per il guasto delle apparecchiature. A causa della maggiore resistenza atmosferica, i satelliti Starlink situati più in basso (330 km) bruceranno nell'arco di poche settimane dopo aver perso il controllo dell'orientamento. È vero, 300 km è un'altezza in cui i satelliti volano raramente, e mantenere questa altezza richiederà un motore a razzo elettrico Krypton integrato, così come una struttura aerodinamica. Teoricamente, un satellite di forma sufficientemente affusolata, alimentato da un motore elettrico, può mantenere stabilmente l'altezza di 160 km, ma è improbabile che SpaceX lanci satelliti così bassi, poiché ci sono ancora alcuni trucchi a disposizione per aumentare la capacità di trasmissione.
Limitazioni della fisica fondamentale
È poco probabile che i costi per il posizionamento di un satellite scendano mai sotto i 35.000, anche se la produzione dovesse essere avanzata e completamente automatizzata, e le navette Starship completamente riutilizzabili; inoltre, non è ancora del tutto chiaro quali limitazioni fisiche il satellite dovrà affrontare. L'analisi sopra riportata presuppone una capacità di trasmissione massima di 80 Gb/sec. (arrotondando a 100 fasci, ciascuno capace di trasmettere 100 Mb/sec).
Il limite estremo della capacità del canale è stabilito da ed è espresso in termini di larghezza di banda (1+SNR). La larghezza di banda è spesso limitata da , mentre SNR è l'energia disponibile del satellite, il rumore di fondo e le interferenze sul canale a causa delle . Un'altra notevole barriera è la velocità di elaborazione. Gli ultimi FPGA Xilinx Ultrascale+ hanno , che è buono date le attuali limitazioni sulla capacità informativa del canale senza lo sviluppo di ASIC personalizzati. Ma anche allora, 58 Gb/sec richiederanno una distribuzione delle frequenze considerevole, probabilmente nelle bande Ka o V. La banda V (40-75 GHz) ha cicli più accessibili, ma è soggetta a un maggiore assorbimento atmosferico, soprattutto in aree ad alta umidità.
Sono pratici 100 fasci? Questo problema ha due aspetti: la larghezza del fascio e la densità degli elementi dell'array antenne a fasi. La larghezza del fascio è definita dalla lunghezza d'onda divisa per il diametro dell'antenna. L'array antenna digitale a fasi è ancora una tecnologia specialistica, ma le dimensioni utili massime sono determinate dalla larghezza (circa 1m), e usare comunicazioni a radiofrequenza sarebbe troppo costoso. La larghezza d'onda nella banda Ka è di circa 1 cm, mentre la larghezza del fascio deve essere di 0,01 radianti — a una larghezza di banda del 50% dell'ampiezza. Supponiamo che l'angolo solido del fascio sia di 1 steradiante (analogamente alla copertura di un obiettivo di una fotocamera da 50 millimetri), allora in quest'area 2500 fasci separati sarebbero sufficienti. La linearità implica che 2500 fasci richiederanno almeno 2500 elementi antenna all'interno dell'array, il che, in linea di principio, è fattibile, anche se difficile da realizzare. E tutto questo si surriscalderà notevolmente!
In totale, 2500 canali, ognuno dei quali supporta 58 Gb/sec, rappresentano un'enorme quantità di informazioni — per semplificare, circa 145 Tb/sec. A titolo di confronto, tutto il traffico internet nel 2020 Buone notizie per coloro che sono preoccupati per la larghezza di banda intrinsecamente bassa di internet satellitare. Se la costellazione di 30.000 satelliti sarà operativa entro il 2026, il traffico internet globale potrebbe potenzialmente raggiungere 800 Tb/sec. Se metà di questo volume sarà fornito da circa 500 satelliti sopra aree densamente popolate in ogni singolo momento, allora la capacità di picco per ogni satellite sarà di circa 800 Gb/sec, il che è dieci volte superiore rispetto ai nostri calcoli iniziali, cioè l'afflusso di finanziamenti potenzialmente crescerà di dieci volte.
Per un satellite in orbita a 330 chilometri, il raggio di 0,01 radianti copre una superficie di 10 km². In aree particolarmente densamente popolate, come Manhattan, fino a 300.000 persone possono vivere su tale area. E se tutti decidessero di guardare Netflix contemporaneamente (7 Mb/s in qualità HD)? La richiesta totale di dati sarebbe di 2000 GB/s, circa 35 volte superiore alla rigorosa limitazione attualmente imposta dall'interfaccia FPGA di uscita seriale. Ci sono due soluzioni a questa situazione, ma solo una è fisicamente realizzabile.
La prima consiste nel lanciare più satelliti in orbita, in modo che in qualsiasi momento sopra le aree ad alta richiesta ce ne siano più di 35. Se prendiamo nuovamente 1 steradiano per un'area del cielo indirizzabile accettabile e un'altezza orbitale media di 400 km, otteniamo una densità di distribuzione di 0,0002/km², ovvero 100.000 in totale — se distribuiti uniformemente sulla superficie terrestre. Ricordiamo che le orbite selezionate da SpaceX aumentano drasticamente la densità di copertura sopra le aree densamente popolate tra 20 e 40 gradi di latitudine nord, e ora il numero di 30.000 satelliti sembra magico.
La seconda idea è molto più interessante, ma, triste a dirsi, irrealizzabile. Ricordiamo che la larghezza del raggio è determinata dalla larghezza dell'array di antenne a fascio elettronico. E se più antenne su diversi satelliti unissero le loro potenze, creando un raggio più stretto — proprio come i radiotelescopi come il (Very Large Array)? Questo metodo comporterebbe una complessità: il basamento tra i satelliti dovrebbe essere calcolato con precisione — con un'accuratezza di un sub-millimetro — per stabilizzare la fase del raggio. E anche se fosse possibile, il raggio risultante difficilmente eviterebbe l'emissione di lobi laterali, a causa della bassa densità della costellazione di satelliti nel cielo. A terra, la larghezza del raggio si restringerebbe a pochi millimetri (abbastanza da tracciare un'antenna di cellulare), ma ce ne sarebbero milioni — a causa del debole ripristino intermedio. Grazie al .
Si scopre che la separazione dei canali mediante lo slettamento angolare — poiché i satelliti sono distribuiti nel cielo — offre miglioramenti adeguati nella larghezza di banda senza violare le leggi della fisica.
Applicazione
Qual è il profilo del cliente di Starlink? Di default, si tratta di centinaia di milioni di utenti con antenne grandi come una scatola per la pizza sui tetti delle loro case, ma ci sono anche altre fonti di alto reddito.
Nelle aree remote e rurali, le stazioni a terra non richiedono griglie di antenne phased array per massimizzare la larghezza del fascio, quindi è possibile utilizzare dispositivi di abbonamento più piccoli: da tracker IoT a telefoni satellitari tascabili, boe di emergenza o strumenti scientifici per il monitoraggio degli animali.
Nei contesti urbani densamente popolati, Starlink fornirà una rete di trasporto primaria e di backup per la rete mobile. Su ogni torre cellulare sarà possibile installare una stazione a terra ad alte prestazioni in cima, utilizzando sorgenti di alimentazione a terra per potenziare e trasmettere tramite 'l'ultima miglio'.
Infine, anche nelle aree sovraffollate, durante il lancio iniziale, ci sarà l'opportunità di utilizzare satelliti a bassa orbita con latenze eccezionalmente basse. Le compagnie finanziarie metteranno a disposizione considerevoli somme di denaro — basta ricevere rapidamente dati vitali da ogni angolo del mondo. Anche se i dati attraverso Starlink dovranno percorrere una distanza maggiore — attraverso lo spazio — la velocità della luce nel vuoto è superiore del 50% rispetto a quella nel vetro quarzato, e ciò compensa ampiamente la differenza nella trasmissione su distanze maggiori.
Conseguenze negative
L'ultima sezione è dedicata alle conseguenze negative. L'obiettivo dell'articolo è liberarti dai malintesi riguardo al progetto, mentre le potenziali conseguenze negative delle controversie suscitano maggiormente preoccupazione. Fornirò alcune informazioni, astenendomi da eccessive interpretazioni. Non sono un veggente e non ho nemmeno informazioni da SpaceX.
A mio avviso, le conseguenze più gravi derivano dall'aumento dell'accesso a Internet. Anche nella mia città natale di Pasadena, una città vivace e tecnologicamente avanzata, con diverse osservatori, un'università di livello mondiale e il più grande centro NASA, le opzioni disponibili per i servizi Internet sono abbastanza limitate. Negli Stati Uniti e nel resto del mondo, Internet è diventato un servizio pubblico orientato al profitto, con i fornitori che mirano a incassare i loro 50 milioni di dollari al mese in un ambiente accogliente e non competitivo. Qualsiasi servizio fornito agli appartamenti e alle abitazioni può essere considerato un servizio pubblico, ma la qualità dei servizi Internet è meno uniforme rispetto a quella di acqua, elettricità o gas.
Il problema dello status quo è che, a differenza di acqua, elettricità o gas, Internet è ancora giovane e si sviluppa rapidamente. Continuiamo a scoprire nuovi utilizzi per esso. La cosa più rivoluzionaria deve ancora essere scoperta, ma i pacchetti tariffari soffocano la possibilità di competizione e innovazione. Milioni di persone restano escluse a causa delle circostanze della nascita o perché il loro paese è troppo lontano dalla dorsale dei cavi sottomarini. Nelle grandi regioni del pianeta, Internet viene ancora fornito tramite satelliti geostazionari a prezzi stratosferici.
Starlink, che fornisce Internet dal cielo, interrompe questo modello. Non conosco al momento un altro modo migliore per connettere miliardi di persone a Internet. SpaceX sta facendo progressi per diventare un fornitore di Internet e, potenzialmente, una società di Internet in grado di competere con Google e Facebook. Scommetto che non ci avevate pensato.
Che Internet satellitare sia la migliore opzione non è evidente. Solo SpaceX è in grado di creare rapidamente una vasta costellazione di satelliti, dal momento che solo essa ha impiegato un decennio per interrompere il monopolio governativo e militare sul lancio di veicoli spaziali. Anche se Iridium avesse superato il mercato dei telefoni cellulari dieci volte, non avrebbe comunque raggiunto un'ampia adozione utilizzando i tradizionali siti di lancio. Senza SpaceX e il suo modello di business unico, è molto probabile che Internet satellitare globale non si realizzi mai.
Il secondo grande colpo sarà per l'astronomia. Dopo il lancio dei primi 60 satelliti Starlink, è scoppiata una ondata di critiche da parte della comunità astronomica internazionale, affermando che il numero notevolmente aumentato di satelliti ostacolerà l'accesso al cielo notturno. C'è un detto: tra gli astronomi, chi ha il telescopio più grande è il migliore. Senza esagerare, praticare l'astronomia nell'epoca moderna è un compito molto arduo, simile a una lotta continua per migliorare la qualità dell'analisi contro l'inquinamento luminoso crescente e altre fonti di rumore.
Il problema principale per un astronomo è la presenza di migliaia di satelliti luminosi che sfrecciano nel campo visivo del telescopio. In effetti, il primo sistema Iridium ha guadagnato una cattiva reputazione per aver causato "risplendori" a causa dei grandi pannelli che riflettevano la luce solare su piccole aree della Terra. A volte raggiungevano la luminosità di un quarto della Luna e talvolta danneggiavano accidentalmente i sensori astronomici sensibili. Non sono infondati neppure i timori che Starlink possa intromettersi nei radiopartiti utilizzati per la radioastronomia.
Scaricando un'app per tracciare i satelliti, si possono vedere decine di satelliti volare nel cielo in una serata limpida. I satelliti sono visibili dopo il tramonto e prima dell'alba, ma solo quando sono illuminati dai raggi del sole. Più tardi, durante la notte, i satelliti sono invisibili nell'ombra della Terra. Piccolissimi e estremamente lontani, si muovono molto rapidamente. C'è la possibilità che oscurino una stella lontana per meno di un millisecondo, ma penso che anche catturare questo sia una vera seccatura.
Una forte preoccupazione per l'illuminazione del cielo è nata dal fatto che il primo lotto di satelliti è stato posizionato vicino al terminatore della Terra, cioè, notte dopo notte, l'Europa — e si trattava di estate — ha osservato un'epica scena di satelliti che volano nel cielo durante il crepuscolo serale. Inoltre, le simulazioni basate sui rapporti della FCC hanno mostrato che i satelliti in orbita a 1150 km saranno visibili anche dopo che si sono verificati i crepuscoli astronomici. In generale, il crepuscolo si suddivide in tre fasi: civile, nautico e astronomico, cioè, quando il sole si trova rispettivamente a 6, 12 e 18 gradi sotto la linea dell'orizzonte. Alla fine del crepuscolo astronomico, i raggi solari si trovano a circa 650 km dalla superficie nel punto culminante, ben al di là dell'atmosfera e della maggior parte dell'orbita terrestre bassa. Basandomi sui dati del , ritengo che tutti i satelliti saranno posizionati a un'altezza inferiore ai 600 km. In questo caso, saranno visibili durante il crepuscolo, ma non dopo l'arrivo della notte, il che ridurrà significativamente le potenziali conseguenze per l'astronomia.
Il terzo problema è il detrito in orbita. Nel ho indicato che i satelliti e i detriti al di sotto dei 600 km cadranno dall'orbita nel giro di pochi anni — a causa della resistenza atmosferica, riducendo notevolmente la possibilità del fenomeno di Kessler. SpaceX sembra trascurare il problema dei detriti spaziali, come se non pensassero affatto a questo. Stavo esaminando i dettagli dell'implementazione di Starlink e mi risulta difficile immaginare un modo migliore per ridurre la quantità di detriti in orbita.
I satelliti vengono portati a un'altezza di 350 km, quindi si spostano sulla loro orbita designata con i motori incorporati. Ogni satellite che perde il controllo al lancio cadrà dall'orbita dopo poche settimane, senza essere spostato da qualche altra parte per migliaia di anni. Questa disposizione implica strategicamente un test per un ingresso libero. Inoltre, i satelliti Starlink sono piatti in sezione, il che significa che, perdendo il controllo dell'altezza, entreranno negli strati più densi dell'atmosfera.
Pochi sanno che SpaceX è stata pioniera nell'astronautica, iniziando a utilizzare tipi alternativi di fissaggio invece dei razzi. Praticamente tutte le basi di lancio utilizzano razzi per il dispiegamento di stadi, satelliti, fairing, ecc., aumentando così il potenziale di rifiuti. Inoltre, SpaceX mira intenzionalmente a far rientrare orbitale gli stadi superiori, evitando che rimangano a vagare nello spazio per sempre, affinché non si deteriorino e non si disintegrino nell'ardua ambiente spaziale.
E infine, l'ultimo problema di cui vorrei parlare è la possibilità che SpaceX sostituisca il monopolio esistente su internet, creando il proprio. Nella sua nicchia, SpaceX ha già monopolizzato i lanci. Solo il desiderio dei governi rivali di ottenere accesso garantito allo spazio impedisce di rottamare i costosi e obsoleti razzi, spesso realizzati da grandi appaltatori monopolisti del settore della difesa.
Non è così difficile immaginare che nel 2030 SpaceX inizierà a lanciare 6000 dei suoi satelliti all'anno, più alcuni satelliti spia — per abitudine. I satelliti economici e affidabili di SpaceX inizieranno a vendere "spazi di resistenza" per dispositivi esterni. Qualsiasi università che crei una telecamera utilizzabile nello spazio potrà lanciarla in orbita, senza dover coprire i costi per costruire un'intera piattaforma spaziale. Con un accesso così avanzato e illimitato allo spazio, Starlink è già associato a satelliti, mentre i produttori storici svaniscono nel passato.
Nella storia ci sono esempi di aziende lungimiranti che hanno occupato una nicchia così enorme nel mercato che i loro nomi sono diventati sinonimi: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Il problema può sorgere quando un'azienda pioniera adotta pratiche anticoncorrenziali per mantenere la propria quota di mercato, anche se fin dai tempi del presidente Reagan questo è spesso tollerato. SpaceX potrebbe mantenere il monopolio di Starlink costringendo gli altri sviluppatori di costellazioni satellitari a lanciare satelliti su vecchi razzi sovietici. Azioni simili sono state intraprese , insieme alla fissazione dei prezzi per il trasporto della posta, portò al suo crollo nel 1934. Fortunatamente, è improbabile che SpaceX mantenga per sempre un monopolio assoluto sui razzi riutilizzabili.
C’è un’ulteriore preoccupazione che la distribuzione da parte di SpaceX di decine di migliaia di satelliti in orbita bassa possa essere progettata come una cooptazione del patrimonio comune. Una società privata, perseguendo un profitto personale, si appropria di posizioni orbitali un tempo pubbliche e non occupate. E sebbene le innovazioni di SpaceX abbiano realmente permesso di fare soldi nel vuoto, gran parte del capitale intellettuale di SpaceX è stata costruita su miliardi di dollari stanziati dal bilancio per la ricerca.
Da un lato, sono necessarie leggi che proteggano gli investimenti privati, la ricerca e lo sviluppo. Senza questa protezione, gli innovatori non saranno in grado di finanziare progetti ambiziosi o sposteranno le loro aziende in luoghi dove riceveranno tale protezione. In ogni caso, il pubblico soffre, perché non si forma profitto. Dall’altro lato, sono necessarie leggi che proteggano le persone, i proprietari nominali dei beni comuni, incluso il cielo, da entità private orientate al profitto che annettano beni pubblici. Di per sé, nessuna delle due cose è vera o persino possibile. Gli sviluppi di SpaceX offrono l’opportunità di trovare un giusto equilibrio in questo nuovo mercato. Capiremo di averlo trovato quando massimizzeremo la frequenza delle innovazioni e della creazione di benessere pubblico.
Pensieri finali
Ho scritto questo articolo subito dopo aver terminato un altro — . È stata una settimana piuttosto intensa. Sia Starship che Starlink sono tecnologie rivoluzionarie che si stanno sviluppando proprio davanti ai nostri occhi, durante le nostre vite. Se vedrò crescere i miei nipoti, si meraviglieranno di più del fatto che io sono più anziano di Starlink, piuttosto che del fatto che nella mia infanzia non c'erano cellulari (oggetti da museo) o Internet accessibile come tale.
I ricchi e i militari utilizzano da tempo Internet satellitare, ma un Starlink generale e a buon mercato senza Starship è semplicemente impossibile.
Di un lancio si parla da tempo, tuttavia Starship, un’opzione piuttosto economica e quindi interessante, è impossibile senza Starlink.
Si parla di astronautica con equipaggio da molto tempo, e se sei un — , allora vi è dato il via libera. Con Starship e Starlink, la conquista dello spazio da parte dell'uomo è un futuro raggiungibile e prossimo, in cui è a un passo da un avamposto orbitale a città industrialmente sviluppate nel profondo dello spazio.
Fonte: habr.com
