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— il piano di SpaceX per fornire internet attraverso decine di migliaia di satelliti — è il tema centrale nella stampa dedicata allo spazio. Ogni settimana vengono pubblicati articoli sui recenti sviluppi. Se il concetto di base è chiaro, esaminando , una persona ben motivata (ad esempio, il vostro umile servitore) può scoprire molti dettagli. Tuttavia, ci sono ancora molte idee sbagliate associate a questa nuova tecnologia, anche tra gli osservatori più informati. Spesso si trovano articoli in cui Starlink viene confrontato con OneWeb e Kuiper (tra gli altri) come se fossero concorrenti diretti. Altri autori, chiaramente preoccupati per il bene del pianeta, si lamentano dei detriti spaziali, del diritto spaziale, degli standard e della sicurezza in astronomia. Spero che leggendo questo articolo — piuttosto lungo — il lettore comprenderà meglio e si identificherà con l'idea di Starlink.
ha toccato inaspettatamente una corda sensibile nell'animo dei miei pochi lettori. In essa spiegavo come Starship porterà SpaceX a diventare leader a lungo termine e, allo stesso tempo, fornirà un meccanismo per nuove ricerche nello spazio. Il sottotesto è che l'industria tradizionale dei satelliti non può tenere il passo con SpaceX, che costantemente aumenta le capacità e riduce i costi della famiglia di razzi Falcon, mettendo SpaceX in una posizione difficile. Da un lato, ha formato un mercato valutato, al massimo, in qualche miliardo all'anno. Dall'altro, ha alimentato un insaziabile appetito per il denaro — per costruire un'enorme razzo, per il quale, tuttavia, non c'è quasi nessuno da inviare su Marte, e non c'è da aspettarsi un profitto immediato.
La soluzione a questo problema complesso è Starlink. Costruendo e lanciando i propri satelliti, SpaceX potrebbe creare e definire un nuovo mercato per l'accesso alla comunicazione via spazio, altamente efficiente e democratico, garantire il flusso di capitali per costruire razzi senza mettere in crisi l'azienda e aumentare il suo valore economico fino a trilioni. Non bisogna sottovalutare l'entità delle ambizioni di Elon. Ci sono solo poche industrie in cui girano trilioni di dollari: energia, trasporti ad alta velocità, telecomunicazioni, IT, sanità, agricoltura, governo, difesa. Contrariamente ai credi popolari, , e è un business non sostenibile. Elon è entrato nel settore energetico con la sua Tesla, ma un mercato affidabile e capiente per satelliti e lanci di razzi sarà garantito solo dalle telecomunicazioni.
Per la prima volta, Elon Musk ha rivolto lo sguardo verso lo spazio quando ha voluto investire gratuitamente 80 milioni di dollari in una missione per coltivare piante su un rover marziano. La costruzione di una città su Marte costerà probabilmente 100.000 volte di più, quindi Starlink è la principale scommessa di Musk per garantire il mare di denaro così necessario per il finanziamento. .
A cosa serve?
Avevo pianificato questo articolo da tempo, ma solo la scorsa settimana ho ottenuto un quadro chiaro. Allora, il presidente di SpaceX, Gwynne Shotwell, ha rilasciato a Rob Baron un'intervista straordinaria, che poi è stata coperta per CNBC in modo magnifico. Michael Schitz, e al quale è stata dedicata . Questa intervista ha mostrato l'enorme differenza tra gli approcci alla comunicazione satellitare di SpaceX e di tutti gli altri.
Concetto è nato nel 2012, quando in SpaceX si sono resi conto che i loro clienti - principalmente fornitori di servizi di telecomunicazione satellitare - avevano enormi riserve di denaro. Le piattaforme di lancio gonfiano i prezzi per il dispiegamento dei satelliti e, in qualche modo, trascurano una fase cruciale del lavoro - come mai? Elon sognava di creare una costellazione di satelliti per Internet e, incapace di resistere a una sfida apparentemente impossibile, ha avviato il processo. Lo sviluppo di Starlink , ma alla fine di questo articolo, caro lettore, ti sorprenderai sicuramente di quanto in realtà siano piccoli questi ostacoli - considerando l'ampiezza dell'idea.
È davvero necessaria una costellazione così grande per Internet? E perché adesso?
Solo nella mia memoria, Internet è passato dall'essere un semplice gioco accademico a essere la prima e unica infrastruttura rivoluzionaria. Questo non è un argomento di cui vale la pena dedicare un articolo dettagliato, ma ipotizzerò 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 monopolisti geograficamente isolati. Negli Stati Uniti, AT&T, Time Warner, Comcast e una manciata di altri attori hanno diviso il territorio per evitare la concorrenza, facendo lievitare i costi dei servizi e guadagnando un'idea quasi universale di avversione.
Per il comportamento non competitivo dei fornitori c'è una ragione valida, oltre alla loro voracità insaziabile. Costruire l'infrastruttura per internet — torri cellulari a microonde e fibra ottica — è estremamente costoso. È facile dimenticare la natura meravigliosa di internet. Mia nonna ha iniziato a lavorare come telegrafista durante la Seconda Guerra Mondiale, eppure il telegrafo allora competeva per un ruolo strategico fondamentale con i piccioni viaggiatori! Per la maggior parte di noi, l'iperstrada informatica è qualcosa di evanescente, immateriale, ma i dati viaggiano in un mondo fisico, dove ci sono confini, fiumi, montagne, oceani, tempeste, disastri naturali e altri ostacoli. Già nel 1996, quando fu stesa la prima linea di fibra ottica sul fondo dell'oceano, . Con il suo stile affilato e caratteristico, descrive vividamente il costo e la complessità della posa di queste linee, lungo le quali alla fine scorrono comunque i maledetti 'cable'. Per la maggior parte degli anni 2000, i cavi sono stati stesi a tal punto che il costo di implementazione era sbalorditivo.
Un tempo lavoravo in un laboratorio ottico e (se la memoria non mi inganna) abbiamo stabilito il record dell'epoca, raggiungendo una velocità di trasmissione multiplex di 500 Gb/s. Le limitazioni dell'elettronica consentivano di caricare ogni fibra al 0,1% della capacità teorica. Quindici anni dopo, siamo pronti a superare quella soglia: se la trasmissione dei dati la oltrepassa, la fibra si scioglierà, e siamo molto vicini a questo.
E bisogna sollevare il flusso di dati sopra la terra peccaminosa, nello spazio, dove il satellite orbita intorno alla 'palla' 30.000 volte in cinque anni senza ostacoli. Una soluzione ovvia, sembrerebbe, quindi perché in passato nessuno l'ha affrontata?
Il gruppo di satelliti Iridium, progettato e implementato all'inizio degli anni '90 dalla Motorola (ancora ve la ricordate?), è diventato la prima rete globale di comunicazione a bassa orbita (come viene allettantemente descritto in ). Quando è stata lanciata, la sua capacità di instradare piccole quantità di dati da tracker per asset si è rivelata la sua unica applicazione: i cellulari erano diventati così economici che i telefoni satellitari non sono mai decollati. Iridium disponeva di 66 satelliti (più alcuni di riserva) su 6 orbite — un numero minimo per coprire l'intero pianeta.
Se Iridium bastava con 66 satelliti, perché SpaceX ne ha bisogno di decine di migliaia? Cosa la distingue?
SpaceX è entrata in questo mercato da un punto di vista opposto — ha iniziato con i lanci. È diventata pioniera nella conservazione di razzi vettori e ha così preso il controllo del mercato dei lanci a basso costo. I tentativi di competere con loro basandosi solo su prezzi più bassi non porteranno a guadagni significativi, quindi l'unico modo per trarre profitto dalla loro capacità in eccesso è diventare loro cliente. Le spese di SpaceX per lanciare i propri satelliti — (per 1 kg) di Iridium, quindi sono in grado di accedere a un mercato significativamente più ampio.
La copertura globale di Starlink garantirà l'accesso a un internet di alta qualità in ogni angolo del mondo. Per la prima volta, l'accessibilità a internet non dipenderà dalla vicinanza di un paese o di una città a una linea in fibra ottica, ma dalla purezza del cielo sopra di noi. Gli utenti di tutto il mondo avranno accesso a un internet globale libero da catene, indipendentemente dalle loro rispettive autorità governative in varie misure discutibili e/o disoneste. La capacità di Starlink di interrompere queste monopolizzazioni catalizzerà incredibili cambiamenti positivi su larga scala che uniranno finalmente miliardi di persone in una comunità cibernetica globale del futuro.
Una piccola digressione lirica: cosa significa tutto questo?
Per le persone che crescono oggi, nell'era della connettività onnipresente, Internet è come l'aria che respiriamo. È semplicemente presente. Ma questo è, se si dimentica del suo incredibile potere di portare cambiamenti positivi — e siamo già nel cuore di essi. Grazie a Internet, le persone possono chiamare i propri leader a rispondere, comunicare con altre persone dall'altra parte del mondo, condividere idee, inventare qualcosa di nuovo. Internet unisce l'umanità. La storia delle modernizzazioni è una storia di sviluppo delle opportunità di scambio dati. Inizialmente — attraverso discorsi ed epica poesia. Poi — con la scrittura, che dà voce ai morti, e loro parlano ai vivi; la scrittura permette di conservare dati e rende possibile la comunicazione asincrona. La stampa ha reso la produzione di notizie continua. La comunicazione elettronica ha accelerato la trasmissione dei dati nel mondo. I dispositivi personali per annotazioni sono diventati progressivamente più complessi, evolvendo da taccuini a telefoni cellulari, ciascuno dei quali è un computer connesso a Internet, dotato di sensori e sempre più capace di prevedere le nostre esigenze.
L'individuo che utilizza la scrittura e il computer nel processo di apprendimento ha maggiori probabilità di superare i limiti di un cervello non completamente sviluppato. Ancora più incoraggiante è il fatto che i telefoni cellulari non sono solo potenti dispositivi di archiviazione dati, ma anche meccanismi per lo scambio di idee. Un tempo, quando le persone condividevano i propri pensieri, si affidavano al linguaggio e agli appunti che prendevano su taccuini; oggi la norma è che i taccuini stessi condividano le idee generate dagli individui. Il modello tradizionale ha subito un'inversione. Un'evoluzione logica del processo è una certa forma di metacognizione collettiva, attraverso dispositivi personali. e connessi tra loro. E sebbene proviamo ancora 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" dell'ignoranza, della morte prematura (che può essere evitata), della violenza, della fame e della carie dentale.
Come?
Parliamo del modello di business e dell'architettura del progetto Starlink.
Affinché Starlink diventi un'azienda redditizia, le entrate devono superare i costi di costruzione e gestione. Tradizionalmente, il capitale implica spese iniziali elevate, l'uso di finanziamenti sofisticati e meccanismi di assicurazione — il tutto per lanciare un satellite. Un satellite di comunicazione geostazionario può costare fino a 500 milioni di dollari e l'assemblaggio e il lancio possono richiedere 5 anni. Perciò, le aziende in questo settore costruiscono simultaneamente aerei a reazione o portacontainer. Spese enormi, un flusso di entrate che copre appena i costi di finanziamento e un budget operativo relativamente ridotto. Al contrario, il fallimento dell'originale Iridium è avvenuto perché Motorola ha costretto l'operatore a pagare licenze insostenibili, portando l'azienda al collasso in pochi mesi.
Per gestire un'attività di questo tipo, le compagnie satellitari tradizionali dovevano servire clienti privati e applicare tariffe elevate per il trasferimento dei dati. Le compagnie aeree, i posti avamposto remoti, le navi, le zone di conflitto e le infrastrutture chiave pagano circa 5 dollari per 1 MB, che è 5000 volte più costoso del costo della tradizionale connessione ADSL, e ciò nonostante il ritardo nella trasmissione dei dati e la relativa bassa larghezza di banda della connessione satellitare.
Starlink prevede di competere con i fornitori di servizi terrestri, quindi dovrà consegnare dati a un costo inferiore e, idealmente, richiedere molto meno di 1 dollaro per 1 MB. È possibile? Oppure, se è possibile, bisogna chiedere: come è possibile?
Il primo ingrediente del nuovo piatto è un lancio a basso costo. Oggi Falcon vende un lancio da 24 tonnellate per 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 sono il costo di un nuovo secondo stadio (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 più di mille volte meno costoso del lancio di un normale satellite per comunicazione.
Tuttavia, la maggior parte dei satelliti Starlink sarà lanciata con Starship. Infatti, l'evoluzione di Starlink, come mostrano i rapporti aggiornati della FCC, offre una certa 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 credono alle accumulazioni lorde, 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 unità su 6 orbite (per un totale di 360), mentre per una copertura completa all'interno dei 53 gradi dall'equatore sono necessarie 24 orbite con 60 satelliti ciascuna (per un totale di 1.440). Ciò equivale a 24 lanci per Falcon a costi interni di circa 150 milioni di dollari. Il Starship, d'altra parte, è progettato per lanciare fino a 400 satelliti alla volta, a un prezzo simile. I satelliti Starlink devono essere sostituiti ogni 5 anni, quindi 6.000 satelliti richiederanno 15 lanci di Starship all'anno. Questo costerà circa 100 milioni all'anno, ovvero 15.000 per satellite. Ogni satellite lanciato con Falcon pesa 227 kg; i satelliti lanciati con Starship potrebbero pesare fino a 320 kg e portare strumenti esterni, essere leggermente più grandi senza superare il carico massimo consentito.
Quali fattori determinano il costo dei satelliti? Tra i loro simili, i satelliti Starlink sono piuttosto particolari. Vengono assemblati, stoccati e lanciati in forma piatta, rendendone quindi la produzione di massa particolarmente semplice. L'esperienza mostra che il costo di produzione dovrebbe essere orientativamente equivalente a quello del lanciatore. Se c'è una grande differenza di prezzo, significa che le risorse sono mal distribuite, poiché la riduzione dei costi marginali complessivi non è così significativa. Veramente 100.000 dollari per satellite con il primo lotto di diverse centinaia è realistico? In altre parole, il satellite Starlink è davvero meno complicato di un'auto?
Per rispondere completamente a questa domanda, è necessario comprendere perché il costo di un satellite per comunicazioni orbitali sia mille volte superiore, anche se non è mille volte più complicato. In termini molto semplici, perché il "hardware" spaziale costa così tanto? Ci sono molte ragioni, ma la più significativa è questa: se il lancio di un satellite in orbita (fino al Falcon) costa oltre 100 milioni, deve garantire un funzionamento per molti anni per generare almeno un profitto. Assicurare tale affidabilità nel funzionamento del primo e unico prodotto è un processo complesso che può richiedere anni di lavoro da parte di centinaia di persone. A questo si aggiungono i costi e diventa facile giustificare ulteriori procedure, dato che il lancio è già di per sé molto costoso.
Starlink sfida questa paradigma, realizzando centinaia di satelliti, correggendo rapidamente i difetti di progettazione iniziali e attirando tecnici di produzione in serie per controllare i costi. È facile per me immaginare una linea di montaggio Starlink, dove un tecnico integra qualcosa di nuovo e fissa tutto con cable tie (di livello NASA, ovviamente) in un paio d'ore, mantenendo il necessario livello di sostituzione di 16 satelliti al giorno. Un satellite Starlink è composto da molti componenti complessi, ma non vedo ragioni per cui il costo del millesimo dispositivo prodotto non possa scendere a 20.000. Infatti, a maggio Elon ha scritto su Twitter che il costo di produzione di un satellite è già inferiore al costo del lancio.
Prendiamo un caso medio e analizziamo il tempo di rimborso, arrotondando i numeri. Un satellite Starlink, il cui costo di assemblaggio e lancio è di 100.000, funziona per 5 anni. Si ripagherà, e se sì, quanto velocemente?
In 5 years, the Starlink satellite will orbit the Earth 30,000 times. During each of these hour and a half long loops, it will spend most of the time over the ocean and likely 100 seconds over a densely populated city. In this short window, it transmits data, eager to generate revenue. Assuming the antenna supports 100 beams, and each beam transmits 100 Mb/sec., using modern encoding like , the satellite generates $1,000 in profit per orbit — at a subscription price of $1 for 1 GB. This is enough to recoup the $100,000 deployment cost in a week and significantly simplifies the capital structure. The remaining 29,900 orbits are profit, minus fixed costs.
I numeri stimati possono variare notevolmente, sia in positivo che in negativo. Ma in ogni caso, se sei in grado di posizionare un'adeguata costellazione di satelliti in bassa orbita a 100.000 — o anche a 1 milione di dollari per unità — è una dichiarazione importante. Anche considerando il tempo di utilizzo ridotto, un satellite Starlink può trasferire 30 PB di dati durante il suo ciclo di vita, con un costo ammortizzato di 0,003 dollari per 1 GB. Inoltre, per le trasmissioni a distanze maggiori, i costi marginali non aumentano praticamente.
Per comprendere l'importanza di questo modello, confrontiamolo brevemente con altri due modelli di fornitura di dati ai consumatori: quello tradizionale — la fibra ottica — e la costellazione satellitare offerta da un'azienda che non si specializza nei lanci di satelliti.
, соединяющий Францию и Сингапур, был введен в эксплуатацию в 2005 году. Пропускная способность — 1,28 Тб/сек., стоимость развертывания — 500 млн. долларов. Если он 10 лет будет работать на 100% мощности, а накладные расходы составят 100% капитальных издержек, то цена передачи выйдет 0,02 доллара за 1 Гб. Трансатлантические кабели короче и немного дешевле, однако подводный кабель — лишь одна сущность в длинной цепочке людей, которые хотят денег за передачу данных. Усредненная оценка для Starlink оказывается в 8 раз дешевле, и при этом у них «все включено».
Как такое возможно? Спутник Starlink включает все сложную начинку для электронной коммутации, какая нужна для связи оптоволоконных кабелей, только для передачи данных вместо дорогого и хрупкого провода используется вакуум. Передача через космическое пространство сокращает число уютных и отживающих свой век монополий, позволяя пользователям связываться посредством еще меньшего количества «железа».
Mettiamo a confronto con il concorrente OneWeb. OneWeb prevede di creare una costellazione di 600 satelliti che verranno lanciati attraverso fornitori commerciali a un costo di circa 20.000 dollari per 1 kg. Il peso di un satellite è di 150 kg, quindi, in una situazione ideale, il lancio di un'unità costerà circa 3 milioni. Il costo dell'hardware satellitare è stimato in 1 milione per satellite, quindi entro il 2027 il costo dell'intera costellazione ammonterà a 2,6 miliardi. I test condotti da OneWeb hanno mostrato una capacità di 50 Mbit/s al picco, idealmente, per ciascuno dei 16 fasci. Seguendo lo stesso schema che abbiamo utilizzato per calcolare il costo di Starlink, otteniamo: ogni satellite OneWeb genera 80 dollari per orbita, e in totale nel corso di 5 anni porterà 2,4 milioni, coprendo a malapena le spese di lancio, considerando anche la trasmissione dei dati nelle regioni remote. In totale otteniamo 1,70 dollari per 1 GByte.
Recentemente sono state cite le parole di Gwynne Shotwell riguardo a , il che implica un prezzo competitivo di 0,10 dollari per 1 GB. E questo è solo con la configurazione iniziale di Starlink: con una produzione meno ottimizzata, il lancio su Falcon e limitazioni nella trasmissione dei dati — e solo con copertura nel nord degli Stati Uniti. SpaceX ha così un vantaggio indiscutibile: già oggi possono lanciare un satellite molto più utile a un prezzo (per unità) 15 volte inferiore rispetto ai concorrenti. Starship aumenterà il vantaggio a 100 volte, se non di più, quindi non è difficile immaginare come nel 2027 SpaceX lancerà 30.000 satelliti per meno di 1 miliardo di dollari, gran parte del quale sarà garantita dal proprio portafoglio.
Sono sicuro che ci sono analisi anche più ottimistiche riguardo a OneWeb e ad 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 interessante notare che le cifre sono simili ai nostri calcoli riguardo alle spese di OneWeb, e sono, all'incirca, dieci volte superiori alla stima della versione iniziale di Starlink. L'uso di Starship e la produzione industriale di satelliti potrebbero ridurre il costo di dispiegamento dei satelliti a circa 35.000€/unità. E questa è una cifra sorprendentemente bassa.
Rimane l'ultimo punto: confrontare i profitti per ogni watt di energia solare generata da 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 per orbita. Secondo stime approssimative, ogni orbita genererà 1.000 dollari, mentre ogni satellite produce circa 220 dollari per kWh. Questo è 10.000 volte superiore al costo all'ingrosso dell'energia solare, il che conferma ulteriormente che: . E la modulazione delle microonde per la trasmissione dei dati è un costo aggiuntivo incommensurabile.
Architettura
Nel capitolo precedente ho descritto in modo piuttosto approssimativo una parte sostanziale dell'architettura di Starlink — come essa funzioni con la densità di popolazione estremamente irregolare del pianeta. Il satellite Starlink emette fasci focalizzati che formano macchie sulla superficie terrestre. Gli abbonati all'interno di una macchia condividono una certa larghezza di banda. Le dimensioni di una macchia sono determinate dalla fisica fondamentale: la sua larghezza è fondamentalmente (l'altezza del satellite x lunghezza dell'onda / diametro dell'antenna), il che per un satellite Starlink, nella migliore delle ipotesi, equivale a qualche chilometro.
In molte città, la densità di popolazione è di circa 1000 persone/km², anche se in alcuni luoghi può essere più alta. In alcune aree di Tokyo o a Manhattan, un'area può ospitare oltre 100.000 persone. Fortunatamente, in qualsiasi città densamente popolata esiste un mercato interno competitivo per la banda larga, per non parlare di una rete di telefoni mobili altamente sviluppata. Tuttavia, se in un determinato momento ci sono numerosi satelliti della stessa costellazione sopra la città, la capacità può essere aumentata tramite la separazione spaziale delle antenne, così come attraverso la distribuzione delle frequenze. In altre parole, decine di satelliti possono concentrare il raggio più potente in un unico punto, mentre gli utenti in quella regione utilizzeranno terminali terrestri che distribuiranno le richieste tra i satelliti.
Se nelle fasi iniziali il mercato di riferimento più adatto per i servizi è rappresentato da aree remote, rurali o suburbane, i fondi per futuri lanci provengono da servizi di qualità superiore che si rivolgono a città densamente popolate. Lo scenario è esattamente opposto allo schema standard di espansione del mercato, in cui i servizi competitivi, orientati verso le città, subiscono inevitabilmente una diminuzione dei profitti quando si tentano di espandere in aree più povere e scarsamente popolate.
Qualche anno fa, quando effettuai dei calcoli, .
Ho preso i dati da quest'immagine e ho creato i 3 grafici sottostanti. Il primo mostra la frequenza della superficie terrestre per densità di popolazione. La cosa più interessante è che gran parte della Terra è completamente disabitata, mentre praticamente in nessuna regione ci sono più di 100 abitanti/km².
Il secondo grafico mostra la frequenza delle persone in base alla densità di popolazione. Sebbene la maggior parte del pianeta non sia abitata, la maggior parte delle persone vive in aree dove ci sono 100-1000 abitanti per km². La natura estesa di questo picco (di un ordine maggiore) riflette la bimodalità nei modelli di urbanizzazione. 100 abitanti/km² è tipico delle zone rurali scarsamente popolate, mentre il valore di 1000 abitanti/km² è caratteristico delle aree suburbane. I centri delle città mostrano facilmente 10.000 abitanti/km², mentre la popolazione di Manhattan è di 25.000 abitanti/km².
Il terzo grafico mostra la densità di popolazione in base alla latitudine. È evidente che quasi tutte le persone si concentrano tra i 20 e i 40 gradi di latitudine nord. Questo è in gran parte il risultato di fattori geografici e storici, dato che una parte enorme dell'emisfero sud è occupata dall'oceano. Tuttavia, tale densità di popolazione rappresenta una sfida significativa per gli architetti di rete, poiché i satelliti trascorrono un tempo uguale in entrambi gli emisferi. Inoltre, un satellite in orbita attorno alla Terra, ad un angolo di ad esempio 50 gradi, trascorrerà più tempo più vicino ai confini di latitudine specificati. Ecco perché Starlink richiede solo 6 orbite per servire il nord degli Stati Uniti, mentre per coprire l'equatore sono necessarie 24.
È vero, se si sovrappongono il grafico della densità di popolazione e quello della densità della costellazione satellitare, la scelta delle orbite diventa chiara. Ogni istogramma rappresenta uno dei quattro rapporti di SpaceX all'FCC. Personalmente, mi sembra che ogni nuovo rapporto sia come una versione aggiornata del precedente, ma in ogni caso, non è difficile notare come i satelliti aggiuntivi aumentino la capacità sopra le regioni corrispondenti nell'emisfero settentrionale. Al contrario, si conserva un'imponente capacità inutilizzata sopra l'emisfero meridionale — esultate, cara Australia!
Cosa succede ai dati degli utenti quando raggiungono il satellite? Nella versione iniziale, il satellite Starlink trasmetteva immediatamente i dati a una stazione terrestre dedicata nelle vicinanze delle aree di servizio. Questa configurazione è nota come "retransmissione diretta". In futuro, i satelliti Starlink avranno la possibilità di comunicare tra loro tramite laser. Lo scambio di dati raggiungerà il suo picco sopra le città densamente popolate, ma i dati potranno essere distribuiti attraverso una rete laser in due dimensioni. In pratica, ciò significa che c'è un'enorme opportunità per una rete di comunicazione nascosta all'interno della rete di satelliti, consentendo ai dati degli utenti di essere "re-inviati sulla Terra" in qualsiasi luogo idoneo. In effetti, penso che le stazioni terrestri di SpaceX si combineranno con al di fuori delle città.
Si scopre che la comunicazione tra satelliti è un compito non banale, se i satelliti non si muovono insieme. Nei rapporti più recenti nel FKS si parla di 11 gruppi orbitali distinti di satelliti. All'interno di un determinato gruppo, i satelliti si muovono alla stessa altitudine, con lo stesso angolo e con un'eccentricità equivalente, il che significa che i laser possono identificare i satelliti in prossimità in modo relativamente semplice. Tuttavia, le velocità di avvicinamento tra i gruppi sono misurate in km/s, quindi la comunicazione tra gruppi, se possibile, deve avvenire attraverso connessioni a microonde brevi e rapidamente gestibili.
La topologia dei gruppi orbitali è simile alla teoria corpuscolare-ondulatoria della luce e non si riferisce particolarmente al nostro esempio, ma secondo me è affascinante e quindi l'ho inclusa nell'articolo. Se non ti interessa questa sezione, puoi passare direttamente a 'Limitazioni della fisica fondamentale'.
Il toro — o doughnut — è un oggetto matematico definito da due raggi. Disegnare cerchi sulla superficie di un toro è piuttosto semplice: paralleli o perpendicolari alla sua forma. Potrebbe essere interessante per voi scoprire che ci sono altre due famiglie di cerchi che possono essere illustrate sulla superficie del toro, e entrambe passano attraverso il foro al centro e lungo il contorno. Questi sono i. , e ho utilizzato questa costruzione quando nel 2015 ho progettato il toroide per la bobina di Tesla «Uomo in fiamme».
Anche se le orbite dei satelliti sono, a dire il vero, ellissi e non cerchi, la stessa struttura si applica anche nel caso di Starlink. Un raggruppamento di 4500 satelliti su più piani orbitali, tutti a un angolo, forma una lastra che si muove continuamente sopra la superficie terrestre. La lastra orientata verso nord si dispiega e si sposta di nuovo verso sud sopra un dato punto di latitudine. Per evitare collisioni, le orbite saranno leggermente allungate, così che la lastra che si muove a nord si troverà a pochi chilometri sopra (o sotto) quella che si muove a sud. Insieme, entrambe queste lastre formano un toro di forma gonfiata, come mostrato di seguito in uno schema molto semplificato.
Ricordo che all'interno di questo toro la comunicazione avviene tra satelliti vicini. In generale, non ci sono collegamenti diretti e prolungati tra satelliti su piani diversi, poiché le velocità di avvicinamento per la puntamento laser sono troppo elevate. La traiettoria di trasmissione dei dati tra i piani, a sua volta, passa sopra o sotto il toro.
Un totale di 30.000 satelliti saranno disposti in 11 torri sovrapposte, ben distanti dall'orbita della ISS! In questo schema è mostrato come sono impacchettati tutti questi strati, senza un'eccessiva eccentricità.
Infine, è importante considerare l'altezza ottimale di volo. C'è un dilemma: un'altezza ridotta, che offre una maggiore larghezza di banda con raggi più piccoli, o un'altezza elevata, che consente di coprire l'intero pianeta con un numero inferiore di satelliti? Nel tempo, i rapporti della FCC di SpaceX hanno parlato di altezze sempre più basse, poiché, migliorando, Starship rende possibile un rapido dispiegamento di costellazioni più grandi.
Un'altezza ridotta offre ulteriori vantaggi, come un rischio minore di collisione con detriti spaziali o effetti negativi sul guasto delle attrezzature. A causa della maggiore resistenza atmosferica, i satelliti Starlink collocati a un'altitudine inferiore (330 km) bruceranno entro poche settimane dopo aver perso il controllo dell'orientamento. È vero, 300 km è un'altezza alla quale i satelliti volano raramente, e mantenere l'altitudine richiederà un motore a razzo elettrico Krypton incorporato, così come una forma aerodinamica. Teoricamente, un satellite con una forma sufficientemente affusolata potrebbe mantenere stabilmente un'altitudine di 160 km grazie a un motore a razzo elettrico, ma è improbabile che SpaceX lanci satelliti a quell'altezza, poiché ci sono ancora alcuni trucchi da utilizzare per aumentare la capacità di banda.
Limitazioni della fisica fondamentale
È poco probabile che i prezzi per il posizionamento di un satellite scendano mai al di sotto dei 35.000 dollari, anche se la produzione sarà avanzata e completamente automatizzata, e i veicoli Starship saranno completamente riutilizzabili. Inoltre, non sono ancora chiari i vincoli fisici che influenzeranno il satellite. L'analisi sopra riportata presuppone una capacità massima di 80 Gb/s (arrotondando a 100 raggi, ognuno capace di trasmettere 100 Mb/s).
Il limite massimo di larghezza di banda del canale è stabilito in ed è fornito nelle statistiche sulla larghezza di banda (1+SNR). La larghezza di banda è spesso limitata dal , mentre SNR rappresenta l'energia disponibile del satellite, il rumore di fondo e le interferenze nel canale a causa della . Un altro ostacolo significativo è la velocità di elaborazione. I più recenti FPGA Xilinx Ultrascale+ hanno , che è positivo date le attuali limitazioni della capacità informativa del canale, senza sviluppare ASIC personalizzati. Ma anche così, 58 Gb/s richiederanno una notevole distribuzione delle frequenze, molto probabilmente nelle bande Ka o V. V (40–75GHz) offre cicli più accessibili, ma è più soggetto all'assorbimento atmosferico, specialmente nelle aree ad alta umidità.
Sono pratici 100 fasci? Questa problematica ha due aspetti: la larghezza del fascio e la densità dell'elemento della rete antenna a scansione di fase. La larghezza del fascio è determinata dalla lunghezza d'onda divisa per il diametro dell'antenna. La rete antenna a scansione di fase digitale è ancora una tecnologia specializzata, ma le dimensioni utili massime sono determinate dalla larghezza (circa 1m), e utilizzare comunicazioni a radiofrequenza risulterebbe costoso. La larghezza d'onda nella banda Ka è di circa 1 cm, con un angolo del raggio di 0,01 radianti — con una larghezza di spettro al 50% dell'ampiezza. Supponiamo che l'angolo solido del raggio sia di 1 steradiante (simile alla copertura di un obiettivo da 50 mm), in questa area 2500 raggi distinti sarebbero sufficienti. La linearità implica che 2500 raggi richiederanno almeno 2500 elementi dell'antenna all'interno della griglia, il che è, in linea di principio, fattibile, anche se impegnativo. E tutto questo si riscalderà notevolmente!
In totale 2500 canali, ognuno dei quali supporta 58 Gb/sec., — è un'enorme quantità d'informazioni — grossomodo, 145 Tb/sec. Per confronto, tutto il traffico internet nel 2020. . Buone notizie per chi è preoccupato 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 le aree densamente popolate in un dato momento, la capacità massima per ogni satellite sarà di circa 800 Gb/sec, dieci volte superiore rispetto alle nostre stime originali, il che significa che il flusso di entrate potrebbe aumentare di dieci volte.
Per un satellite in un'orbita di 330 chilometri, un fascio di 0,01 radianti copre un'area di 10 km². In aree particolarmente densamente popolate come Manhattan, su un'area del genere possono vivere fino a 300.000 persone. E se tutti si siedono a guardare Netflix (7 Mb/sec in qualità HD)? La richiesta totale di dati sarebbe di 2000 GB/sec, circa 35 volte superiore al rigoroso limite attualmente imposto dall'interfaccia FPGA di uscita seriale. Ci sono due modi per affrontare questa situazione, e fisicamente è possibile solo uno.
Il primo obiettivo è lanciare più satelliti in orbita, in modo che in ogni momento ci siano più di 35 sopra le aree ad alta domanda. Se consideriamo 1 steradiante per una porzione accettabile del cielo e un'altezza orbitale media di 400 km, otteniamo una densità di distribuzione di 0,0002/km², cioè 100.000 in totale — se li distribuiamo uniformemente su tutta la superficie terrestre. Ricordiamo che le orbite selezionate da SpaceX aumentano notevolmente la densità di copertura sopra le aree densamente popolate a latitudini comprese tra 20 e 40 gradi nord, e ora il numero di 30.000 satelliti sembra magico.
La seconda idea è molto più interessante, ma, ahimè, irrealizzabile. Ricordiamo che la larghezza del raggio è determinata dalla larghezza della griglia antenna a fasatura. E se più griglie su diversi satelliti unissero le loro potenze per creare un raggio più stretto — proprio come i radiotelescopi come il (un grande sistema di antenne)? Questo metodo presenta una complessità: la base tra i satelliti deve essere calcolata con precisione al sub-millimetro per stabilizzare la fase del raggio. E anche se ciò fosse possibile, il raggio risultante difficilmente controllerebbe i lobi laterali, considerata la bassa densità della costellazione satellitare nel cielo. A terra, la larghezza del raggio si ridurrebbe a pochi millimetri (sufficiente per rilevare un'antenna per cellulare), ma ce ne sarebbero milioni, a causa di un'attenuazione intermedia debole. Grazie .
Si scopre che la separazione dei canali attraverso la separazione angolare — poiché i satelliti sono dispersi nel cielo — fornisce adeguati miglioramenti 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 delle dimensioni di una scatola per pizza sui tetti delle loro case, ma ci sono anche altre fonti di alto reddito.
Nelle aree remote e rurali, le stazioni terrestri non necessitano di griglie antenna a fase per massimizzare la larghezza del fascio, rendendo possibile l'uso di un dispositivo client più piccolo: da tracker IoT a telefoni satellitari portatili, segnali di emergenza o strumenti scientifici per il tracciamento degli animali.
Negli ambienti urbani densamente popolati, Starlink fornirà una rete di trasporto primaria e di backup per la rete cellulare. Su ogni torre cellulare sarà possibile installare in cima una stazione terrestre ad alte prestazioni, ma utilizzerà alimentatori terrestri per potenziare e trasmettere attraverso l'"ultima miglio".
E infine, anche nelle aree sovraffollate, durante il rilascio iniziale c'è la possibilità di sfruttare i satelliti a bassa orbita con una latenza eccezionalmente ridotta. Le aziende finanziarie ti offrono somme considerevoli — basta che tu riesca a ricevere dati vitali da ogni angolo del mondo un po' più velocemente. E anche se i dati trasmessi tramite Starlink devono percorrere una strada più lunga rispetto al consueto — attraverso lo spazio — la velocità della luce nel vuoto è superiore del 50% rispetto a quella nel vetro di quarzo, il che compensa ampiamente la differenza nella trasmissione su distanze più elevate.
Conseguenze negative
L'ultima sezione è dedicata alle conseguenze negative. L'obiettivo dell'articolo è liberarti da malintesi sul progetto, mentre le potenziali conseguenze negative dei conflitti suscitano le maggiori preoccupazioni. Riporterò alcune informazioni, evitando eccessive interpretazioni. Non sono un veggente e non ho alcun insider da SpaceX.
A mio avviso, le conseguenze più gravi derivano dall'aumento dell'accesso a internet. Anche nella mia città natale di Pasadena, una vivace e tecnicamente avanzata metropoli con oltre un milione di abitanti, sede di diverse osservatorie, di un'università di fama mondiale e del principale centro NASA, le scelte per quanto riguarda i servizi internet sono piuttosto limitate. Negli Stati Uniti e nel resto del mondo, internet è diventato un servizio pubblico a pagamento, e ai fornitori interessa solo incassare i loro 50 milioni di dollari al mese in un ambiente confortevole e privo di concorrenza. Probabilmente, ogni servizio fornito in appartamenti e case è simile ai servizi pubblici, 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 in rapida evoluzione. Continuiamo a trovare nuovi utilizzi per esso. La cosa più rivoluzionaria deve ancora essere scoperta, ma i piani tariffari a pacchetto soffocano la possibilità di concorrenza e innovazione. Milliardi di persone rimangono escluse dalla A causa delle circostanze di nascita, o perché il loro paese è troppo lontano dalla dorsale dei cavi sottomarini. Nelle grandi aree del pianeta, Internet è ancora fornito da satelliti geostazionari, a un prezzo esorbitante.
Starlink, invece, che offre internet dal cielo in modo continuativo, interrompe questo modello. Non conosco ancora un modo migliore per connettere miliardi di persone a Internet. SpaceX è in procinto di diventare un fornitore di servizi Internet e, potenzialmente, un'azienda di Internet in grado di competere con Google e Facebook. Scommetto che non hai nemmeno pensato a questo.
Non è ovvio che Internet satellitare sia l'opzione migliore. Solo SpaceX ha la capacità di creare rapidamente una vasta costellazione di satelliti, dopo aver impiegato un decennio a rompere il monopolio governativo-militare nel lancio di razzi. Anche se Iridium avesse superato il mercato dei cellulari di dieci volte, non avrebbe comunque ottenuto un'adozione diffusa utilizzando le tradizionali piattaforme di lancio. Senza SpaceX e il suo modello di business unico, è molto probabile che Internet satellitare globale non si realizzerebbe mai.
Il secondo grande colpo colpirà l'astronomia. Dopo il lancio dei primi 60 satelliti Starlink, è iniziata una ondata di critiche da parte della comunità astronomica internazionale, sostenendo che il numero notevolmente aumentato di satelliti oscurerà loro l'accesso al cielo notturno. C'è un detto: tra gli astronomi, chi ha il telescopio più grande è il migliore. Senza esagerare, occuparsi di astronomia nell'epoca moderna è un compito estremamente arduo, che ricorda una continua lotta per migliorare la qualità dell'analisi di fronte all'aumento dell'inquinamento luminoso e ad altre fonti di rumore.
Un astronomo ha bisogno meno che mai di migliaia di satelliti luminosi che lampeggiano nel campo visivo del telescopio. Infatti, il primo gruppo di Iridium ha guadagnato una cattiva reputazione per aver causato "inquinamento luminoso" a causa dei grandi pannelli che riflettevano la luce solare su piccole aree della Terra. È successo che raggiungessero la luminosità di un quarto della Luna e talvolta danneggiassero accidentalmente sensibili strumenti astronomici. Non sono infondate nemmeno le paure che Starlink invada le bande radio utilizzate nell' radioastronomia.
Se scarichi un'app per il tracciamento dei satelliti, puoi vedere decine di satelliti volare nel cielo in una serata serena. 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 non sono visibili all'ombra della Terra. Piccolissimi e incredibilmente lontani, si muovono molto rapidamente. C'è la possibilità che oscurino una stella lontana per meno di un millisecondo, ma credo che anche riuscire a catturare questo sia un vero e proprio problema.
Una forte preoccupazione per l'illuminazione del cielo è emersa dal fatto che il primo lotto di satelliti è stato posizionato vicino al terminatore terrestre, ovvero, notte dopo notte, l'Europa — e si trattava dell'estate — osservava un'epica scena di satelliti che volano nel cielo al crepuscolo serale. Inoltre, le simulazioni basate su rapporti della FCS hanno mostrato che i satelliti in orbita a 1150 km saranno visibili anche dopo il passaggio del crepuscolo astronomico. In generale, il crepuscolo si svolge 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 zenitale, ben oltre l'atmosfera e gran parte dell'orbita terrestre bassa. Basandomi sui dati dal , ritengo che tutti i satelliti verranno collocati a un'altezza inferiore a 600 km. In questo caso, potranno essere visti al crepuscolo, ma non dopo l'arrivo della notte, il che ridurrà notevolmente le potenziali conseguenze per l'astronomia.
Un terzo problema è rappresentato dai detriti in orbita. Nel Ho sottolineato che i satelliti e i detriti al di sotto dei 600 km rientreranno in orbita in pochi anni a causa della resistenza atmosferica, riducendo significativamente la possibilità del sindrome di Kessler. SpaceX viene criticata come se non stesse affatto pensando ai detriti spaziali. Sto rivedendo i dettagli dell'implementazione di Starlink e mi è difficile immaginare un modo migliore per ridurre la quantità di detriti in orbita.
I satelliti vengono lanciati a un'altezza di 350 km, quindi utilizzano motori integrati per allontanarsi verso l'orbita a loro destinata. Qualsiasi satellite che fallisce al lancio rientrerà in orbita dopo poche settimane e non sarà sospinto più in alto per migliaia di anni. Questa disposizione strategicamente prevede test per un accesso libero. Inoltre, i satelliti Starlink hanno una sezione piatta, il che significa che, perdendo il controllo dell'altezza, entreranno negli strati densi dell'atmosfera.
Pochi sanno che SpaceX è stata pioniera nell'astronautica, iniziando a utilizzare metodi di fissaggio alternativi ai razzi a propulsione. Praticamente tutte le piattaforme di lancio usano razzi a propulsione per il dispiegamento dei stadi, dei satelliti, dei fairing e altro, aumentando così il potenziale di detriti spaziali. Inoltre, SpaceX ha intenzione di disorbitare i stadi superiori, impedendo loro di vagare nello spazio per sempre, in modo che non si deteriorino e si disintegrino nell'inaspettata durezza dell'ambiente spaziale.
E infine, l'ultimo problema di cui vorrei parlare è la possibilità che SpaceX sostituisca l'attuale monopolio su Internet, creando il proprio. Nella sua nicchia, SpaceX ha già monopolizzato i lanci. Solo il desiderio dei governi concorrenti di garantire l'accesso allo spazio impedisce di rottamare razzi costosi e obsoleti, spesso assemblati da grandi appaltatori monopolistici del settore della difesa.
Non è così difficile immaginare che nel 2030 SpaceX lancerà 6000 dei suoi satelliti ogni anno, insieme a qualche satellite spia — per vecchi ricordi. I satelliti economici e affidabili di SpaceX offriranno spazi "stabili" per strumenti di terzi. Qualsiasi università che crea una telecamera utilizzabile nello spazio potrà metterla in orbita, senza dover coprire i costi per costruire una piattaforma spaziale intera. Con un accesso così avanzato e illimitato allo spazio, Starlink è già associato ai satelliti, mentre i produttori storici svaniscono nel passato.
Nella storia ci sono esempi di aziende lungimiranti che hanno occupato una nicchia così grande nel mercato che i loro nomi sono diventati sinonimi: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Un problema può sorgere quando un'azienda pioniera adotta pratiche anti-concorrenziali per mantenere la propria quota di mercato, anche se dai tempi del presidente Reagan questo è spesso permesso. SpaceX potrebbe mantenere il monopolio di Starlink, costringendo altri sviluppatori di costellazioni satellitari a lanciare satelliti su antiquate razzi sovietici. Azioni simili intraprese , insieme al fissaggio dei prezzi per il trasporto postale, portarono nel 1934 al suo crollo. Fortunatamente, SpaceX è improbabile che mantenga per sempre un monopolio assoluto sui razzi riutilizzabili.
Ancora più preoccupante è che il dispiegamento da parte di SpaceX di decine di migliaia di satelliti a bassa orbita possa essere progettato come una cooptazione del patrimonio comune. Un'azienda privata, perseguendo interessi personali, si approprierebbe per sempre di posizioni orbitali un tempo accessibili a tutti e non occupate da nessuno. E sebbene le innovazioni di SpaceX abbiano reso possibile fare realmente 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 tale protezione è garantita. In ogni caso, la comunità ne soffre poiché non si produce profitto. Dall'altro lato, sono necessarie leggi che proteggano le persone, i proprietari nominali del patrimonio comune, inclusi i cieli, dalle entità private orientate al profitto che annettano beni pubblici. Nessuna delle due posizioni è corretta di per sé e nemmeno possibile. Gli sviluppi di SpaceX offrono una possibilità di trovare un giusto equilibrio in questo nuovo mercato. Capiremo di averlo trovato quando massimizzeremo la frequenza delle innovazioni e la creazione di benessere pubblico.
Pensieri finali
Ho scritto questo articolo subito dopo aver concluso un altro — . È stata una settimana intensa. Sia Starship che Starlink sono tecnologie rivoluzionarie che si stanno sviluppando proprio davanti ai nostri occhi, nella nostra vita. Se vedrò crescere i miei nipoti, saranno più sorpresi dal fatto che io sia più vecchio di Starlink, piuttosto che dal fatto che nella mia infanzia non ci fossero telefoni cellulari (oggetti da museo) o internet accessibile come lo conosciamo oggi.
I ricchi e i militari usano da tempo internet satellitare, ma un Starlink economico, diffuso e accessibile è semplicemente impossibile senza Starship.
Si parla del lancio da molto tempo, ma Starship, una piattaforma piuttosto economica e quindi interessante, non è possibile senza Starlink.
Si parla da tempo di esplorazione spaziale con equipaggio, e se sei un , allora hai il via libera. Con Starship e Starlink, l'esplorazione dello spazio da parte dell'umanità è un futuro raggiungibile e prossimo, a un passo dalla posta orbitale ai centri industriali sviluppati nel profondo spazio.
Fonte: habr.com
