Questo articolo fa parte di una serie in poi .
- Il piano di SpaceX di distribuire Internet attraverso decine di migliaia di satelliti è l'argomento principale della stampa spaziale. Gli articoli sugli ultimi risultati vengono pubblicati settimanalmente. Se, in generale, lo schema è chiaro, ma dopo aver letto , una persona ben motivata (diciamo, il sottoscritto) può scovare molti dettagli. Tuttavia, ci sono ancora molte idee sbagliate associate a questa nuova tecnologia, anche tra gli osservatori illuminati. Non è raro vedere articoli che confrontano Starlink con OneWeb e Kuiper (tra gli altri) come se fossero in competizione ad armi pari. Altri autori, chiaramente preoccupati per il bene del pianeta, gridano contro i detriti spaziali, la legge spaziale, gli standard e la sicurezza dell'astronomia. Spero che dopo aver letto questo - piuttosto lungo - articolo, il lettore capirà e sentirà meglio l'idea di Starlink.
inaspettatamente ha toccato una corda sensibile nell'animo dei miei pochi lettori. In esso, ho spiegato come Starship avrebbe messo SpaceX in testa per molto tempo e allo stesso tempo avrebbe fornito un meccanismo per una nuova esplorazione spaziale. L'implicazione è che l'industria dei satelliti tradizionali non riesce a tenere il passo con SpaceX, che sta costantemente aumentando la capacità e tagliando i costi della famiglia di razzi Falcon, mettendo SpaceX in una posizione difficile. Da un lato, formava un mercato del valore, nella migliore delle ipotesi, di diversi miliardi all'anno. D'altra parte, ha acceso in sé un irrefrenabile appetito di denaro - per la costruzione di un enorme razzo, sul quale però non c'è quasi nessuno da inviare su Marte, e non ci si può aspettare alcun profitto immediato.
La soluzione a questo problema gemello è Starlink. Assemblando e lanciando i propri satelliti, SpaceX potrebbe creare e definire un nuovo mercato per un accesso altamente efficiente e democratizzato alle comunicazioni spaziali, garantire finanziamenti per costruire un razzo prima che anneghi l'azienda e aumentare il suo valore economico a trilioni. Non sottovalutare la portata delle ambizioni di Elon. In totale, non ci sono molti settori in cui girano trilioni di dollari: energia, trasporto ad alta velocità, comunicazioni, IT, sanità, agricoltura, governo, difesa. Nonostante i malintesi comuni, , и L'attività non è redditizia. Elon ha invaso l'industria energetica con la sua Tesla, ma solo le telecomunicazioni forniranno un mercato affidabile e capiente per satelliti e lanci di razzi.
Per la prima volta, Elon Musk ha rivolto gli occhi allo spazio quando ha voluto donare 80 milioni di dollari a una missione per coltivare piante su una sonda marziana. Probabilmente costerebbe 100 volte di più costruire una città su Marte, quindi Starlink è la scommessa principale di Musk per assicurarsi un mare di denaro di sponsorizzazione tanto necessario. .
Per che cosa?
Ho pianificato questo articolo per molto tempo, ma solo la scorsa settimana ho avuto un quadro completo. Quindi il presidente di SpaceX Gwynne Shotwell ha rilasciato a Rob Baron un'incredibile intervista, che in seguito ha coperto per CNBC in un grande Michael Schitz, ea cui hanno dedicato . Questa intervista ha mostrato un'enorme differenza negli approcci alle comunicazioni satellitari tra SpaceX e tutti gli altri.
Concetto è nata nel 2012, quando SpaceX si è resa conto che i propri clienti - per lo più fornitori di satelliti - avevano enormi riserve di denaro. Le rampe di lancio stanno aumentando i prezzi per la distribuzione dei satelliti e così facendo, in qualche modo, perdendo una fase del lavoro: come mai? Elon sognava di creare una costellazione di satelliti per Internet e, incapace di resistere a un compito quasi impossibile, ha avviato il processo. Sviluppo Starlink , ma alla fine di questo articolo, tu, mio lettore, sarai probabilmente sorpreso di quanto siano davvero piccole queste difficoltà, data la portata dell'idea.
Un raggruppamento così vasto è davvero necessario per Internet? E perché adesso?
È solo nella mia memoria che Internet si è evoluto da coccole puramente accademiche alla prima e unica infrastruttura rivoluzionaria. Questo non è un argomento a cui vale la pena dedicare un lungo articolo, ma presumo che a livello globale il bisogno 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 monopoli geograficamente isolati. Negli Stati Uniti, AT&T, Time Warner, Comcast e una manciata di attori minori si sono divisi il territorio per evitare la concorrenza, combattere tre skin per i servizi e immergersi nei raggi di un odio quasi universale.
Gli ISP hanno una buona ragione per un comportamento non competitivo, oltre all'avidità divorante. Costruire l'infrastruttura per Internet - torri cellulari a microonde e fibre ottiche - è molto, molto costosa. È facile dimenticare la meravigliosa natura di Internet. Mia nonna è andata a lavorare prima nella seconda guerra mondiale come segnalatore, poi il telegrafo ha poi gareggiato per il ruolo strategico di primo piano con i piccioni viaggiatori! Per la maggior parte di noi, l'autostrada dell'informazione è qualcosa di effimero, intangibile, ma i bit viaggiano attraverso il mondo fisico, che ha confini, fiumi, montagne, oceani, tempeste, disastri naturali e altri ostacoli. Nel 1996, quando fu posata la prima linea in fibra ottica sul fondo dell'oceano, . Con il suo caratteristico stile tagliente, descrive vividamente il costo e la complessità della posa di queste linee, lungo le quali i dannati "koteg" si precipitano comunque. Per la maggior parte degli anni 2000, il cavo è stato tirato così tanto che il costo di implementazione è stato sorprendente.
Un tempo lavoravo in un laboratorio ottico e (se la memoria serve) abbiamo battuto il record di quel tempo emettendo una velocità di trasmissione multiplex di 500 Gb / s. Le limitazioni elettroniche hanno consentito a ciascuna fibra di essere caricata dello 0,1% della larghezza di banda teorica. Quindici anni dopo, siamo pronti a superare la soglia: se il trasferimento dei dati la supera, la fibra si scioglierà, e ci siamo già molto vicini.
Ma è necessario aumentare il flusso di dati sopra la terra peccaminosa - nello spazio, dove il satellite vola intorno alla "palla" 30 volte in cinque anni. Una soluzione ovvia, sembrerebbe, quindi perché nessuno l'ha presa prima?
La costellazione di satelliti Iridium, sviluppata e distribuita all'inizio degli anni '1990 da Motorola (ve li ricordate ancora?), è diventata la prima rete globale di comunicazioni a bassa orbita (come descritto in modo allettante in ). Quando è stato implementato, la capacità di nicchia di instradare piccoli pacchetti di dati dai tracker di risorse era il suo unico utilizzo: i telefoni cellulari erano così economici che i telefoni satellitari non sono mai entrati. Iridium aveva 66 satelliti (più qualche altro ricambio) in 6 orbite, il set minimo per coprire l'intero pianeta.
Se 66 satelliti erano sufficienti per Iridium, allora perché SpaceX ne aveva bisogno di decine di migliaia? Perché è così diversa?
SpaceX è entrato in questo business dall'estremità opposta: è iniziato con i lanci. È diventato un pioniere nel campo della conservazione dei veicoli di lancio e ha così conquistato il mercato delle piattaforme di lancio economiche. Cercare di superarli con un prezzo inferiore non farà molti soldi, quindi l'unico modo per trarre profitto dalla loro capacità in eccesso è diventare un cliente. La spesa di SpaceX per lanciare i propri satelliti - (per 1 kg) Iridium, e quindi sono in grado di entrare in un mercato molto più ampio.
La copertura mondiale di Starlink ti fornirà l'accesso a Internet di alta qualità in qualsiasi parte del mondo. Per la prima volta, la disponibilità di Internet non dipenderà dalla vicinanza di un paese o di una città a una linea in fibra ottica, ma dalla purezza del cielo sovrastante. Gli utenti di tutto il mondo avranno accesso a un Internet globale libero da catene, indipendentemente dai loro vari gradi di monopoli governativi cattivi e/o disonesti. La capacità di Starlink di rompere questi monopoli sta catalizzando un cambiamento positivo di incredibile portata che unirà finalmente miliardi di persone nella comunità cibernetica globale del futuro.
Una piccola digressione lirica: cosa significa?
Per le persone che crescono oggi in un'era di connettività onnipresente, Internet è come l'aria che respiriamo. Lo è e basta. Ma questo - se dimentichi il suo incredibile potere di portare cambiamenti positivi - e siamo già al loro centro. Con l'aiuto di Internet, le persone possono chiedere conto ai propri leader, comunicare con altre persone dall'altra parte del mondo, condividere pensieri, inventare qualcosa di nuovo. Internet unisce l'umanità. La storia degli aggiornamenti è la storia dell'evoluzione delle capacità di condivisione dei dati. Innanzitutto, attraverso discorsi e poesie epiche. Quindi - su una lettera che dà voce ai morti, e si rivolgono ai vivi; la scrittura consente la memorizzazione dei dati e rende possibile la comunicazione asincrona. La stampa ha messo in moto la produzione di notizie. Comunicazione elettronica - ha accelerato il trasferimento di dati in tutto il mondo. I dispositivi personali per prendere appunti sono diventati gradualmente più complessi, evolvendosi dai notebook ai telefoni cellulari, ognuno dei quali è un computer connesso a Internet, pieno di sensori e ogni giorno migliora nel prevedere le nostre esigenze.
Una persona che usa la scrittura e un computer nel processo cognitivo ha maggiori possibilità di superare i limiti di un cervello sviluppato in modo imperfetto. Ancora più incoraggiante, i telefoni cellulari sono sia potenti dispositivi di archiviazione che un meccanismo per lo scambio di idee. Se prima le persone, condividendo pensieri, si affidavano al discorso che abbozzavano sui quaderni, oggi è normale che i quaderni stessi condividano idee che le persone hanno generato. Lo schema tradizionale ha subito un'inversione. La continuazione logica del processo è una qualche forma di metacognizione collettiva, attraverso dispositivi personali, e correlati tra loro. E mentre possiamo ancora provare nostalgia per la nostra connessione perduta con la natura e la solitudine, è importante ricordare che la tecnologia, e solo la tecnologia, è responsabile della parte del leone della nostra liberazione dai cicli "naturali" dell'ignoranza, della morte prematura (che può essere evitato), violenza, fame e carie.
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, l'investimento di capitale ha comportato un aumento dei costi di avviamento, l'uso di sofisticati meccanismi di finanziamento e assicurazione specializzati e tutto per lanciare un satellite. Un satellite per comunicazioni geostazionario può costare 500 milioni di dollari e impiegare cinque anni per essere costruito e lanciato. Pertanto, le aziende in quest'area stanno costruendo contemporaneamente navi a reazione o navi portacontainer. Spese enormi, un afflusso di fondi che copre a malapena i costi di finanziamento e un budget operativo relativamente ridotto. Al contrario, il fallimento dell'originale Iridium è stato che Motorola ha costretto l'operatore a pagare un canone micidiale, mandando in bancarotta l'azienda in pochi mesi.
Per gestire un'attività del genere, le società satellitari tradizionali dovevano servire clienti privati e addebitare velocità dati elevate. Compagnie aeree, avamposti remoti, navi, zone di guerra e siti di infrastrutture chiave pagano circa $ 5 per MB, ovvero 1 volte il costo dell'ADSL tradizionale, nonostante la latenza dei dati e la larghezza di banda satellitare relativamente bassa.
Starlink prevede di competere con i fornitori di servizi terrestri, il che significa che dovrà fornire dati a un prezzo inferiore e, idealmente, addebitare molto meno di $ 1 per 1 MB. È possibile? Oppure, poiché questo è possibile, ci si dovrebbe chiedere: come è possibile?
Il primo ingrediente del nuovo piatto è un lancio economico. Oggi, Falcon vende un varo da 24 tonnellate per circa 60 milioni di dollari, ovvero 2500 dollari al kg. Si scopre, tuttavia, che ci sono molti più costi interni. I satelliti Starlink verranno lanciati su veicoli di lancio riutilizzabili, quindi il costo marginale di un singolo lancio è il costo di un nuovo secondo stadio (da qualche parte circa $ 1 milioni), carenature (4 milione) e supporto a terra (~ 1 milione). Totale: circa 1 mila dollari per un satellite, vale a dire più di 100 volte più economico rispetto al lancio di un satellite per comunicazioni convenzionale.
La maggior parte dei satelliti Starlink, tuttavia, verrà lanciata su Starship. In effetti, l'evoluzione di Starlink, come mostrano i rapporti aggiornati alla FCC, ne fornisce alcuni architettura interna del progetto. Il numero totale di satelliti nella costellazione è passato da 1 a 584, poi a 2 e infine a 825, cifra ancora più alta secondo i risparmi lordi. Il numero minimo di satelliti per la prima fase di sviluppo affinché il progetto sia fattibile è 7 in 518 orbite (totale 30), mentre la copertura completa entro 000 gradi dall'equatore richiede 60 orbite di 6 satelliti (totale 360). Sono 53 lanci per il Falcon per circa 24 milioni di dollari di spesa interna. Starship, d'altra parte, è progettato per lanciare fino a 60 satelliti alla volta, all'incirca allo stesso prezzo. I satelliti Starlink devono essere sostituiti ogni 1440 anni, quindi 24 satelliti richiederebbero 150 lanci di astronavi all'anno. Costerà circa 400 milioni/anno, o 5mila/satellite. Ogni satellite Falcon pesa 6000 kg; i satelliti sollevati su Starship potrebbero pesare 15 kg e trasportare dispositivi di terze parti, essere leggermente più grandi e comunque non superare il carico consentito.
Qual è il costo dei satelliti? Tra fratelli, i satelliti Starlink sono piuttosto insoliti. Sono assemblati, immagazzinati e lanciati piatti e sono quindi eccezionalmente facili da produrre in serie. Come dimostra l'esperienza, il costo di produzione dovrebbe essere approssimativamente uguale al costo del lanciatore. Se la differenza di prezzo è grande, significa che le risorse non vengono allocate correttamente, poiché la riduzione complessiva dei costi marginali mentre si riducono i costi non è così grande. Sono davvero 100mila dollari per satellite con il primo lotto di diverse centinaia? In altre parole, un satellite Starlink in un dispositivo non è più complesso di una macchina?
Per rispondere pienamente a questa domanda, è necessario capire perché il costo di un satellite per comunicazioni in orbita è 1000 volte superiore, anche se non è 1000 volte più complicato. Per dirla semplicemente, perché l'hardware spaziale è così costoso? Ci sono molte ragioni per questo, ma la più convincente in questo caso è questa: se il lancio in orbita di un satellite (prima di Falcon) costa più di 100 milioni, deve essere garantito che funzioni per molti anni - per portare almeno alcuni profitto. Garantire tale affidabilità nel funzionamento del primo e unico prodotto è un processo doloroso e può trascinarsi per anni, richiedendo gli sforzi di centinaia di persone. Aggiungete a ciò il costo ed è facile giustificare i processi extra quando è già costoso da avviare.
Starlink rompe questo paradigma costruendo centinaia di satelliti, risolvendo rapidamente i primi difetti di progettazione e coinvolgendo tecnici di produzione di massa per gestire i costi. È facile per me immaginare personalmente una pipeline Starlink in cui un tecnico integra qualcosa di nuovo nel design e fissa tutto con una fascetta di plastica (livello NASA, ovviamente) in un'ora o due, mantenendo il tasso di sostituzione richiesto di 16 satelliti / giorno. Un satellite Starlink è composto da un sacco di parti complesse, ma non vedo perché il costo di una millesima unità che esce dalla catena di montaggio non possa essere abbassato a 20 mila. Infatti, a maggio, Elon ha scritto su Twitter che il costo di la produzione di un satellite è già inferiore al costo di lancio.
Prendiamo il caso medio e analizziamo il tempo di ritorno dell'investimento arrotondando i numeri. Un satellite Starlink, che costa 100 per assemblare e lanciare, è operativo da 5 anni. Si ripagherà da solo e, in tal caso, in quanto tempo?
In 5 anni, il satellite Starlink farà il giro della Terra 30 volte. In ciascuna di queste orbite di un'ora e mezza, trascorrerà la maggior parte del tempo sull'oceano e probabilmente 000 secondi su una città densamente popolata. In questa breve finestra, trasmette dati, ha fretta di guadagnare denaro. Supponendo che l'antenna supporti 100 raggi e che ciascun raggio trasmetta 100 Mbps, utilizzando una codifica moderna come , allora il satellite genera $ 1000 di profitto per orbita, a un prezzo di abbonamento di $ 1 per 1 GB. È sufficiente per ripagare un costo di implementazione di $ 100 in una settimana e semplifica notevolmente la struttura del capitale. I restanti 29 turni rappresentano il profitto meno i costi fissi.
I numeri stimati possono variare notevolmente e in entrambe le direzioni. Ma in ogni caso, se riesci a mettere in orbita bassa una costellazione di satelliti di qualità per 100 - o anche per 000 milione / unità - questa è un'applicazione seria. Anche con un tempo di utilizzo incredibilmente breve, un satellite Starlink è in grado di fornire 1 Pb di dati nel corso della sua vita, a un costo ammortizzato di $ 30 per GB. Allo stesso tempo, quando si trasmettono su distanze maggiori, i costi marginali praticamente non aumentano.
Per comprendere il significato di questo modello, confrontiamolo brevemente con altri due modelli per fornire dati ai consumatori: il tradizionale cavo in fibra ottica e la costellazione di satelliti offerta da un'azienda non specializzata in lanci di satelliti.
che collega Francia e Singapore è stato messo in funzione nel 2005. Larghezza di banda - 1,28 Tb / s., Costo di implementazione - $ 500 milioni. Se viene eseguito al 10% della capacità per 100 anni e i costi generali sono pari al 100% dei costi di capitale, il prezzo di trasferimento sarà di $ 0,02 per 1 GB. I cavi transatlantici sono più corti e leggermente più economici, ma il cavo sottomarino è solo un'entità in una lunga fila di persone che vogliono denaro per il trasferimento dei dati. La stima media per Starlink è 8 volte più economica e allo stesso tempo hanno "tutto compreso".
Com'è possibile? Il satellite Starlink include tutte le complesse apparecchiature di commutazione elettronica necessarie per collegare i cavi in fibra ottica, solo che utilizza il vuoto invece del filo costoso e fragile per la trasmissione dei dati. La trasmissione spaziale riduce il numero di monopoli accoglienti e obsoleti, consentendo agli utenti di comunicare attraverso ancora meno hardware.
Paragonabile allo sviluppatore satellitare concorrente OneWeb. OneWeb prevede di creare una costellazione di 600 satelliti, che lancerà tramite fornitori commerciali a un prezzo di circa $ 20 per 000 kg. Il peso di un satellite è di 1 kg, ovvero, in uno scenario ideale, il lancio di un'unità sarà di circa 150 milioni Il costo dell'hardware satellitare è stimato in 3 milione per satellite, ovvero entro il 1, il costo dell'intero raggruppamento sarà di 2027 miliardi I test condotti da OneWeb hanno mostrato un throughput di 2,6 Mb / s. al culmine, idealmente, per ciascuno dei 50 raggi. Seguendo lo stesso schema con cui abbiamo calcolato il costo di Starlink, otteniamo: ogni satellite OneWeb genera $ 16 per orbita, e in soli 80 anni porterà $ 5 milioni - coprendo a malapena i costi di lancio, se contiamo anche la trasmissione dei dati a distanza regioni. In totale otteniamo $ 2,4 per 1,70 GB.
Gwynn Shotwell è stato recentemente citato per averlo detto , che implica un prezzo competitivo di $ 0,10 per GB. E questo è con la configurazione originale di Starlink: con produzione meno ottimizzata, lancio sul Falcon e restrizioni sul trasferimento dei dati - e solo con copertura degli Stati Uniti settentrionali. Si scopre che SpaceX ha un vantaggio innegabile: oggi può lanciare un satellite molto più adatto a un prezzo (per unità) 1 volte inferiore a quello dei concorrenti. Starship aumenterà il vantaggio di un fattore 15, se non di più, quindi non è difficile immaginare che SpaceX lancerà 100 satelliti entro il 2027 per meno di 30 miliardo di dollari, la maggior parte dei quali fornirà dal proprio portafoglio.
Sono sicuro che ci sono analisi più ottimistiche su OneWeb e altri sviluppatori di costellazioni in erba, ma non so ancora come funzionano.
Recentemente Morgan Stanley che i satelliti Starlink costeranno 1 milione per l'assemblaggio e 830mila per il lancio. . Curiosamente, i numeri sono simili ai nostri calcoli per la spesa di OneWeb e circa 10 volte superiori alla stima originale di Starlink. L'uso di Starship e la produzione di satelliti commerciali potrebbe ridurre il costo di installazione dei satelliti a circa 35/unità. E questo è un numero sorprendentemente basso.
Rimane l'ultimo punto: confrontare il profitto per 1 W di energia solare generata per Starlink. Secondo le foto sul loro sito web, l'array solare di ogni satellite è di circa 60 mq. in media genera circa 3 kW o 4,5 kWh per turno. Si stima che ogni orbita genererà $ 1000 e ogni satellite genererà circa $ 220 per kWh. Questo è 10 volte superiore al costo all'ingrosso dell'energia solare, che conferma ancora una volta: . E la modulazione a microonde per la trasmissione dei dati è un costo aggiuntivo esorbitante.
Architettura
Nella sezione precedente, ho introdotto piuttosto approssimativamente una parte non banalmente significativa dell'architettura Starlink: come funziona con una densità di popolazione altamente irregolare del pianeta. Il satellite Starlink emette raggi focalizzati che formano macchie sulla superficie del pianeta. Gli abbonati all'interno dello spot condividono una larghezza di banda. Le dimensioni dello spot sono determinate dalla fisica fondamentale: inizialmente la sua larghezza è (altezza satellite x lunghezza microonde/diametro antenna), che per un satellite Starlink è, nella migliore delle ipotesi, un paio di chilometri.
Nella maggior parte delle città, la densità di popolazione è di circa 1000 persone/kmq, anche se in alcune località è più elevata. In alcune aree di Tokyo o Manhattan possono esserci più di 100 persone per posto. Fortunatamente, qualsiasi città così densamente popolata ha un mercato interno competitivo per Internet a banda larga, per non parlare di una rete di telefonia mobile altamente sviluppata. Comunque sia, se in un dato momento ci sono molti satelliti della stessa costellazione sopra la città, il throughput può essere aumentato diversificando spazialmente le antenne, oltre che distribuendo le frequenze. In altre parole, dozzine di satelliti possono focalizzare il raggio più potente in un punto e gli utenti in quella regione utilizzeranno terminali di terra che distribuiranno la richiesta tra i satelliti.
Se nelle fasi iniziali il mercato più adatto per la vendita di servizi è quello delle aree remote, rurali o suburbane, i fondi per ulteriori lanci proverranno da servizi migliori specifici per le città densamente popolate. Lo scenario è esattamente l'opposto del modello standard di espansione del mercato, in cui i servizi competitivi incentrati sulla città subiscono inevitabilmente un calo dei profitti nel tentativo di espandersi in aree più povere e meno densamente popolate.
Qualche anno fa, quando ho fatto i conti, .
Ho preso i dati da questa immagine e ho compilato i 3 grafici sottostanti. Il primo mostra la frequenza della superficie terrestre per densità di popolazione. La cosa più interessante è che la maggior parte della Terra è disabitata, mentre praticamente nessuna regione conta più di 100 persone per kmq.
Il secondo grafico mostra la frequenza delle persone per densità di popolazione. E sebbene la maggior parte del pianeta sia disabitata, la maggior parte delle persone vive in aree dove ci sono 100-1000 persone per kmq. La natura estesa di questo picco (un ordine di grandezza più grande) riflette la bimodalità nei modelli di urbanizzazione. 100 persone/kmq. - questa è un'area rurale relativamente scarsamente popolata, mentre la cifra di 1000 persone / kmq. caratteristica delle periferie. I centri urbani mostrano facilmente 10 persone/kmq, ma la popolazione di Manhattan è di 000 persone/kmq.
Il terzo grafico mostra la densità di popolazione per latitudine. Si può vedere che quasi tutte le persone sono concentrate nell'intervallo da 20 a 40 gradi di latitudine nord. Quindi, in generale, si è sviluppato geograficamente e storicamente, poiché gran parte dell'emisfero australe è occupata dall'oceano. Eppure questa densità di popolazione è una sfida scoraggiante per gli architetti del gruppo, come i satelliti trascorrono la stessa quantità di tempo in entrambi gli emisferi. Inoltre, un satellite in orbita attorno alla Terra, con un angolo, diciamo, di 50 gradi, trascorrerà più tempo vicino ai confini indicati in latitudine. Ecco perché Starlink ha bisogno solo di 6 orbite per servire il nord degli Stati Uniti, mentre 24 per coprire l'equatore.
Infatti, se combiniamo il grafico della densità della popolazione con il grafico della densità della costellazione dei satelliti, la scelta delle orbite diventa ovvia. Ogni grafico a barre rappresenta uno dei quattro rapporti SpaceX alla FCC. Personalmente, mi sembra che ogni nuovo rapporto sia come un'aggiunta al precedente, ma in ogni caso non è difficile vedere come ulteriori satelliti aumentino la capacità rispetto alle corrispondenti regioni dell'emisfero settentrionale. Al contrario, c'è una quantità impressionante di larghezza di banda inutilizzata nell'emisfero australe: rallegrati, cara Australia!
Cosa succede ai dati dell'utente quando raggiungono il satellite? Nella versione originale, il satellite Starlink li ha immediatamente ritrasmessi a una stazione di terra dedicata vicino alle aree di servizio. Questa configurazione è chiamata "inoltro diretto". In futuro, i satelliti Starlink saranno in grado di comunicare tra loro tramite laser. Lo scambio di dati raggiungerà il picco nelle città densamente popolate, ma i dati possono essere distribuiti su una rete di laser in due dimensioni. In pratica, ciò significa che esiste un'enorme opportunità per un backhaul nascosto in una rete di satelliti, ovvero i dati dell'utente possono essere "ritrasmessi sulla Terra" in qualsiasi luogo adatto. In pratica, mi sembra che le stazioni terrestri di SpaceX saranno combinate con fuori dalle città.
Si scopre che la comunicazione da satellite a satellite non è un compito banale se i satelliti non si muovono insieme. I rapporti più recenti alla FCC riportano 11 distinti gruppi orbitali satellitari. All'interno di un dato gruppo, i satelliti si muovono alla stessa altezza, alla stessa inclinazione, con la stessa eccentricità, il che significa che i laser possono trovare i satelliti vicini in modo relativamente semplice. Ma le velocità di avvicinamento tra i gruppi sono misurate in km/sec, quindi la comunicazione tra i gruppi, se possibile, dovrebbe avvenire tramite collegamenti a microonde brevi e veloci controllati.
La topologia del gruppo orbitale è come la teoria onda-particella della luce e non si applica davvero al nostro esempio, ma penso che sia fantastica, quindi l'ho inclusa nell'articolo. Se non sei interessato a questa sezione, passa direttamente a "Limitazioni della fisica fondamentale".
Un toro - o ciambella - è un oggetto matematico definito da due raggi. È abbastanza semplice disegnare cerchi sulla superficie di un toro: paralleli o perpendicolari alla sua forma. Potreste trovare interessante scoprire che ci sono altre due famiglie di cerchi che possono essere disegnate sulla superficie di un toro, ed entrambe passano attraverso un foro nel suo centro e intorno al contorno. Questo è il cosiddetto. , e ho usato questo design quando ho progettato il toroide per la bobina di Tesla Burning Man nel 2015.
E sebbene le orbite dei satelliti siano, in senso stretto, ellissi, non cerchi, la stessa costruzione si applica nel caso di Starlink. Una costellazione di 4500 satelliti su diversi piani orbitali, tutti con la stessa angolazione, formano uno strato in continuo movimento sopra la superficie terrestre. Uno strato rivolto a nord sopra un dato punto di latitudine si gira e torna a sud. Per evitare collisioni, le orbite saranno leggermente allungate, in modo che lo strato che si muove verso nord sarà di diversi chilometri più alto (o più basso) di quello che si muove verso sud. Insieme, entrambi questi strati formano un toroide soffiato, come mostrato di seguito in un diagramma molto esagerato.
Permettetemi di ricordarvi che all'interno di questo toro viene effettuata la comunicazione tra satelliti vicini. In termini generali, non ci sono connessioni dirette ea lungo termine tra satelliti in strati diversi, poiché i tassi di convergenza per la guida laser sono troppo alti. La traiettoria di trasmissione dei dati tra gli strati, a sua volta, passa sopra o sotto il toroide.
Un totale di 30 satelliti saranno posizionati in 000 tori nidificati molto indietro rispetto all'orbita della ISS! Questo diagramma mostra come sono impacchettati tutti questi strati, senza eccentricità esagerate.
E infine, dovresti pensare all'altitudine di volo ottimale. C'è un dilemma: bassa quota, che offre più throughput con fasci di dimensioni inferiori, o alta quota, che consente di coprire l'intero pianeta con meno satelliti? Nel corso del tempo, i rapporti alla FCC di SpaceX hanno parlato di altitudini sempre più basse man mano che Starship migliora per consentire un dispiegamento più rapido di costellazioni più grandi.
La bassa quota ha anche altri vantaggi, tra cui un rischio ridotto di impatto di detriti spaziali o gli effetti negativi del guasto delle apparecchiature. A causa dell'aumento della resistenza atmosferica, i satelliti Starlink più bassi (330 km) si esauriranno entro poche settimane dalla perdita del controllo dell'assetto. In effetti, 300 km è un'altitudine alla quale i satelliti non volano quasi mai, e il mantenimento dell'altitudine richiederà un motore a razzo elettrico Krypton integrato, oltre a un design aerodinamico. Teoricamente, un satellite dalla forma piuttosto appuntita, alimentato da un motore a razzo elettrico, può mantenere un'altitudine stabile di 160 km, ma è improbabile che SpaceX lanci satelliti così in basso, perché ci sono ancora alcuni trucchi in serbo per aumentare il throughput.
Limiti della fisica fondamentale
Sembra improbabile che i prezzi di implementazione dei satelliti scendano mai molto al di sotto dei 35 dollari, anche se la produzione è avanzata e completamente automatizzata e le astronavi sono completamente riutilizzabili, e non è ancora del tutto noto quali restrizioni la fisica imporrà a un satellite. L'analisi precedente presuppone un throughput di picco di 80 Gb/s. (se arrotondato a 100 raggi, ognuno dei quali è in grado di trasmettere 100 Mb/s).
Il limite di larghezza di banda del canale è impostato su ed è dato nelle statistiche della larghezza di banda (1+SNR). La larghezza di banda è spesso limitata , mentre SNR è l'energia satellitare disponibile, il rumore di fondo e l'interferenza del canale dovuta a . Un altro notevole ostacolo è la velocità di elaborazione. Gli ultimi FPGA Xilinx Ultrascale+ hanno , il che è positivo date le attuali limitazioni della larghezza di banda senza sviluppare ASIC personalizzati. Ma anche allora 58 Gb / s. richiederà un'impressionante distribuzione di frequenza, molto probabilmente nella banda Ka o nella banda V. V (40–75 GHz) ha cicli più accessibili, ma è soggetto a un maggiore assorbimento da parte dell'atmosfera, specialmente nelle zone ad alta umidità.
100 raggi sono pratici? Questo problema ha due aspetti: l'ampiezza del fascio e la densità degli elementi phased array. L'ampiezza del fascio è determinata dalla lunghezza d'onda divisa per il diametro dell'antenna. L'antenna phased array digitale è ancora una tecnologia specializzata, ma le dimensioni massime utilizzabili sono determinate dalla larghezza (circa 1 m) e l'uso delle comunicazioni in radiofrequenza è più costoso. L'ampiezza dell'onda nella banda Ka è di circa 1 cm, mentre l'ampiezza del raggio dovrebbe essere di 0,01 radianti, con un'ampiezza dello spettro pari al 50% dell'ampiezza. Supponendo un angolo solido del raggio di 1 steradiante (simile alla copertura di un obiettivo fotografico da 50 mm), in quest'area sarebbero sufficienti 2500 singoli raggi. La linearità implica che 2500 fasci richiederebbero un minimo di 2500 elementi di antenna all'interno dell'array, il che è in linea di principio fattibile, sebbene difficile. E diventerà tutto molto caldo!
Un totale di 2500 canali, ognuno dei quali supporta 58 Gb / s, è un'enorme quantità di informazioni, se approssimativamente, quindi 145 Tb / s. Per confronto, tutto il traffico Internet nel 2020 . Buone notizie per coloro che sono preoccupati per la larghezza di banda fondamentalmente bassa di Internet via satellite. Se una costellazione di 30 satelliti sarà operativa entro il 000, il traffico Internet globale raggiungerà potenzialmente gli 2026 Tb/s. Se la metà di questo viene fornita da circa 800 satelliti su aree densamente popolate in un dato momento, il throughput di picco per satellite è di circa 500 Gb/s, che è 800 volte superiore alla nostra stima di base originale, ad es. l'afflusso di finanziamenti cresce potenzialmente di 10 volte.
Per un satellite in un'orbita di 330 km, un raggio di 0,01 radianti copre un'area di 10 chilometri quadrati. In aree particolarmente densamente popolate come Manhattan, in quest'area vivono fino a 300 persone. E se si sedessero tutti insieme per guardare Netflix (000 Mbps in qualità HD) contemporaneamente? La richiesta totale di dati sarà di 7 GB/s, ovvero circa 2000 volte l'attuale limite rigido imposto dall'FPGA con uscita seriale. Ci sono due vie d'uscita da questa situazione, di cui solo una è fisicamente possibile.
Il primo è mettere in orbita più satelliti, in modo che in un dato momento più di 35 pezzi siano sospesi su aree di maggiore domanda. Se prendiamo ancora 1 steradiante per un'area del cielo ragionevole e un'altitudine orbitale media di 400 km, otteniamo una densità di costellazioni di 0,0002/kmq, o 100 in totale - se sono distribuite uniformemente su tutta la superficie del globo. Ricordiamo che le orbite selezionate di SpaceX aumentano notevolmente la copertura su aree densamente popolate entro 000-20 gradi di latitudine nord, e ora il numero di 40 satelliti sembra magico.
La seconda idea è molto più interessante, ma, purtroppo, irrealizzabile. Ricordiamo che l'ampiezza del fascio è determinata dalla larghezza dell'array di antenne in fase. Cosa succede se molti array su diversi satelliti combinano i poteri, creando un raggio più stretto, proprio come i radiotelescopi come lo stesso (sistema di antenna molto grande)? Questo metodo presenta una complicazione: la base tra i satelliti dovrà essere calcolata attentamente - con una precisione submillimetrica - per stabilizzare la fase del raggio. E anche se ciò fosse possibile, il raggio risultante difficilmente conterrebbe i lobi laterali, a causa della bassa densità della costellazione di satelliti nel cielo. A terra, l'ampiezza del raggio si restringerebbe a pochi millimetri (abbastanza per tracciare un'antenna di un telefono cellulare), ma ce ne sarebbero milioni a causa del debole nulling intermedio. Grazie .
Si scopre che la separazione dei canali per separazione degli angoli, poiché i satelliti sono distanziati nel cielo, fornisce miglioramenti adeguati nel throughput senza violare le leggi della fisica.
applicazione
Cos'è il profilo cliente Starlink? Per impostazione predefinita, si tratta di centinaia di milioni di utenti che hanno antenne delle dimensioni di una scatola della pizza sui tetti, ma esistono altre fonti di reddito elevato.
Nelle aree remote e rurali, le stazioni di terra non necessitano di antenne phased array per massimizzare l'ampiezza del fascio, quindi è possibile utilizzare apparecchiature utente più piccole, dai tracker di risorse IoT ai telefoni satellitari tascabili, ai fari di emergenza o agli strumenti scientifici di localizzazione degli animali.
In ambienti urbani densi, Starlink fornirà il backhaul primario e di backup per la rete cellulare. Ogni torre cellulare potrebbe avere una stazione di terra ad alte prestazioni in cima, ma utilizzare alimentatori di terra per l'amplificazione e la trasmissione nell'ultimo miglio.
E infine, anche in aree affollate durante il rollout iniziale, c'è la possibilità di utilizzare satelliti a bassa orbita con un ritardo eccezionalmente minimo. Le stesse società finanziarie stanno mettendo un sacco di soldi nelle tue mani, solo un po' più velocemente per ottenere dati vitali da tutto il mondo. E anche se i dati attraverso Starlink avranno un percorso più lungo del solito - attraverso lo spazio - la velocità di propagazione della luce nel vuoto è superiore del 50% rispetto al vetro al quarzo, e questo più che ripaga della differenza quando si trasmette su distanze maggiori.
Effetti negativi
L'ultima sezione è dedicata alle conseguenze negative. Lo scopo dell'articolo è liberarti di idee sbagliate sul progetto e le potenziali conseguenze negative delle controversie causano di più. Darò alcune informazioni, astenendomi da interpretazioni inutili. Non sono ancora un chiaroveggente e non ho nemmeno addetti ai lavori di SpaceX.
Le conseguenze più gravi, a mio avviso, sono l'aumento dell'accesso a Internet. Anche nella mia città natale di Pasadena, una città vivace e ricca di tecnologia con una popolazione di oltre un milione, sede di numerosi osservatori, un'università di livello mondiale e la più grande struttura della NASA, la scelta è limitata quando si tratta di servizi Internet. Negli Stati Uniti e nel resto del mondo, Internet è diventato un servizio di utilità in cerca di affitto, con gli ISP che spremono solo i loro 50 milioni di dollari al mese in un ambiente accogliente e non competitivo. Forse qualsiasi servizio fornito ad appartamenti ed edifici residenziali è un appartamento comune, ma la qualità dei servizi Internet è inferiore a quella di acqua, elettricità o gas.
Il problema con lo status quo è che, a differenza di acqua, elettricità o gas, Internet è ancora giovane e in rapida evoluzione. Troviamo costantemente nuovi usi per esso. Il più rivoluzionario non è ancora aperto, ma i piani di pacchetto soffocano la possibilità di concorrenza e innovazione. Miliardi di persone vengono lasciate indietro a causa di circostanze di nascita o perché il loro paese è troppo lontano dal principale cavo sottomarino. In vaste regioni del pianeta, Internet è ancora fornito da satelliti geostazionari, a prezzi esorbitanti.
Starlink, invece, distribuendo continuamente Internet dal cielo, viola questo modello. Non conosco ancora nessun altro modo migliore per connettere miliardi di persone a Internet. SpaceX è sulla buona strada per diventare un ISP e potenzialmente una società Internet che rivaleggia con Google e Facebook. Scommetto che non ci avevi pensato.
Che internet via satellite sia l'opzione migliore non è scontato. SpaceX, e solo SpaceX, è in grado di creare rapidamente una vasta costellazione di satelliti che da sola ha ucciso un decennio per rompere il monopolio governativo-militare sul lancio di veicoli spaziali. Anche se Iridium dovesse superare i telefoni cellulari di un fattore dieci, non otterrebbe comunque un'adozione diffusa utilizzando i tradizionali trampolini di lancio. Senza SpaceX e il suo modello di business unico, è molto probabile che Internet via satellite globale semplicemente non accadrà mai.
Il secondo duro colpo arriverà all'astronomia. Dopo il lancio dei primi 60 satelliti Starlink, c'è stata un'ondata di critiche da parte della comunità astronomica internazionale, secondo cui il moltiplicarsi del numero di satelliti avrebbe bloccato il loro accesso al cielo notturno. C'è un detto: tra gli astronomi è più figo chi ha un telescopio più grande. Senza esagerare, fare astronomia nell'era moderna è un compito estremamente difficile, che ricorda una continua lotta per migliorare la qualità dell'analisi sullo sfondo del crescente inquinamento luminoso e di altre fonti di rumore.
L'ultima cosa di cui un astronomo ha bisogno sono migliaia di satelliti luminosi che lampeggiano nel fuoco di un telescopio. In effetti, la costellazione originale dell'Iridio era famigerata per avere "fioriture" dovute a grandi pannelli che riflettevano la luce solare su piccole aree della Terra. È successo che hanno raggiunto la luminosità di un quarto della Luna e talvolta hanno anche danneggiato accidentalmente sensibili sensori astronomici. Anche il timore che Starlink possa invadere le bande radio utilizzate nella radioastronomia non è infondato.
Se scarichi un'applicazione di localizzazione satellitare, puoi vedere dozzine 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. Minuscoli, estremamente distanti, si muovono molto velocemente. C'è la possibilità che oscurino una stella lontana per meno di un millisecondo, ma penso che anche solo rilevarla sia un'altra emorroidi.
La forte preoccupazione per lo sky flare è nata dal fatto che lo strato di satelliti del primo lancio era allineato vicino al terminatore terrestre, cioè notte dopo notte l'Europa - ed era estate - osservava l'epica immagine dei satelliti che volavano nel cielo nel crepuscolo serale. Inoltre, le simulazioni basate sui rapporti FCC hanno dimostrato che i satelliti in un'orbita di 1150 km saranno visibili anche dopo il tramonto astronomico. In generale, il crepuscolo attraversa tre stadi: civile, marittimo e astronomico, cioè quando il sole è rispettivamente a 6, 12 e 18 gradi sotto l'orizzonte. Alla fine del crepuscolo astronomico, i raggi del sole si trovano a circa 650 km dalla superficie allo zenit, ben al di fuori dell'atmosfera e della maggior parte dell'orbita terrestre bassa. Sulla base dei dati di , credo che tutti i satelliti saranno posizionati ad un'altitudine inferiore a 600 km. In questo caso, possono essere visti al tramonto, ma non dopo il tramonto, il che ridurrà notevolmente le potenziali conseguenze per l'astronomia.
Il terzo problema sono i detriti in orbita. IN Ho sottolineato che satelliti e detriti al di sotto dei 600 km sarebbero usciti dall'orbita entro pochi anni a causa della resistenza atmosferica, riducendo notevolmente la possibilità della sindrome di Kessler. SpaceX scherza con lo sporco come se non gli importasse affatto della spazzatura spaziale. Qui sto esaminando i dettagli dell'implementazione di Starlink, ed è difficile per me immaginare un modo migliore per ridurre la quantità di detriti in orbita.
I satelliti vengono lanciati a un'altitudine di 350 km, quindi decollano su motori integrati verso l'orbita prevista. Qualsiasi satellite che muoia al momento del lancio uscirà dall'orbita in poche settimane e non si muoverà da nessun'altra parte per migliaia di anni. Questo posizionamento prevede strategicamente test per l'ingresso gratuito. Inoltre, i satelliti Starlink hanno una sezione trasversale piatta, il che significa che perdendo il controllo dell'altitudine, entrano negli strati densi dell'atmosfera.
Pochi sanno che SpaceX è diventato un pioniere dell'astronautica, iniziando a utilizzare tipi di montaggio alternativi al posto degli squib. Praticamente tutte le piattaforme di lancio utilizzano gli squib quando si dispiegano palchi, satelliti, radome, ecc., aumentando il potenziale di detriti. SpaceX inoltre deorbita deliberatamente gli stadi superiori, impedendo loro di rimanere sospesi nello spazio per sempre, in modo che non si deteriorino e si disintegrino nel duro ambiente spaziale.
Infine, l'ultima questione che vorrei menzionare è la possibilità che SpaceX sostituisca l'attuale monopolio di Internet creandone uno proprio. Nella sua nicchia, SpaceX ha già monopolizzato i lanci. Solo il desiderio dei governi rivali di ottenere un accesso garantito allo spazio impedisce la demolizione di razzi costosi e obsoleti, spesso assemblati da grandi appaltatori monopolistici della difesa.
Non è difficile immaginare che SpaceX lanci 2030 dei suoi satelliti all'anno nel 6000, più alcuni satelliti spia per buona misura. I satelliti SpaceX economici e affidabili venderanno "spazio rack" per dispositivi di terze parti. Qualsiasi università che costruisce una fotocamera spaziale può metterla in orbita senza dover coprire i costi di costruzione di un'intera piattaforma spaziale. Con un accesso allo spazio così avanzato e illimitato, Starlink è già associato ai satelliti, mentre i produttori storici stanno diventando un ricordo del passato.
Ci sono esempi nella storia di aziende visionarie che hanno occupato una nicchia così grande nel mercato che i loro nomi sono diventati nomi familiari: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Il problema può sorgere quando un'azienda pioniera si impegna in pratiche anticoncorrenziali per mantenere la propria quota di mercato, sebbene ciò sia stato spesso consentito dai tempi del presidente Reagan. SpaceX potrebbe mantenere il monopolio di Starlink costringendo altri sviluppatori di costellazioni a lanciare satelliti su razzi sovietici d'epoca. Azioni simili intraprese , insieme alla fissazione dei prezzi per il trasporto della posta, lo portarono al crollo nel 1934. Fortunatamente, è improbabile che SpaceX mantenga per sempre il monopolio assoluto sui razzi riutilizzabili.
Ancora più preoccupante è che il dispiegamento di decine di migliaia di satelliti a bassa orbita da parte di SpaceX possa essere progettato come una cooptazione dei beni comuni. Una società privata, perseguendo il guadagno personale, sta conquistando la proprietà permanente delle posizioni orbitali un tempo pubbliche e non occupate. E mentre le innovazioni di SpaceX hanno permesso di fare soldi nel vuoto, gran parte del capitale intellettuale di SpaceX è stato costruito con miliardi di dollari in budget per la ricerca.
Da un lato, abbiamo bisogno di leggi che proteggano i mezzi di investimento privato, ricerca e sviluppo. Senza questa protezione, gli innovatori non saranno in grado di finanziare progetti ambiziosi, o sposteranno le loro aziende dove tale protezione è loro fornita. In ogni caso, il pubblico soffre perché non si generano profitti. Occorrono invece leggi che tutelino le persone, i titolari nominali del demanio pubblico compreso il cielo, dai soggetti privati in cerca di rendita che annettono i beni pubblici. Di per sé, nessuno dei due è vero o addirittura possibile. Gli sviluppi di SpaceX offrono la possibilità di trovare una via di mezzo in questo nuovo mercato. Ci renderemo conto che è stato trovato quando massimizzeremo la frequenza dell'innovazione e la creazione di benessere sociale.
Pensieri finali
Ho scritto questo articolo non appena ne ho completato un altro - . È stata una settimana calda. Sia Starship che Starlink sono tecnologie rivoluzionarie che vengono create proprio davanti ai nostri occhi, nelle nostre vite. Se vedo i miei nipoti crescere, saranno più sorpresi che io sia più vecchio di Starlink, e non che nella mia infanzia non ci fossero cellulari (pezzi da museo) o Internet pubblico di per sé.
I ricchi e i militari usano Internet via satellite da molto tempo, ma Starlink onnipresente, generico ed economico semplicemente non è possibile senza Starship.
Del lancio si è parlato a lungo, ma Starship, che è abbastanza economico e quindi una piattaforma interessante, è impossibile senza Starlink.
Si è parlato a lungo di astronautica con equipaggio, e se tu... allora hai il via libera. Con Starship e Starlink, l'esplorazione umana dello spazio è un futuro prossimo e realizzabile, a due passi da un avamposto orbitale a città industrializzate nello spazio profondo.
Fonte: habr.com