Starlink is a big deal

Denne artikkelen er en del av serien som handler om folkeopplysning innen romteknologi.

Starlink — planen fra SpaceX om å tilby internett via titusener av satellitter — er hovedtemaet i romrelatert presse. Det kommer ukentlig nye artikler om de siste fremskrittene. Hvis man ser på saken generelt, er ordningen klar, men ved å se nærmere på rapportene fra Federal Communications Commission, kan en godt informert person (si, undertegnede) grave frem mange detaljer. Likevel er det fortsatt mye misforståelse knyttet til denne nye teknologien, selv blant opplyste skribenter. Det dukker ofte opp artikler som sammenligner Starlink med OneWeb og Kuiper (blant andre) som om de konkurrerer på like vilkår. Andre forfattere, som åpenbart er bekymret for planetens ve og vel, roper ut om romsøppel, romrett, standarder og sikkerhet innen astronomi. Jeg håper at ved å lese denne — ganske lange — artikkelen, vil leseren få en bedre forståelse av og sympati for ideen bak Starlink.

Forrige artikkel har uventet berørt en sensitiv nerve hos mine få lesere. I den forklarte jeg hvordan Starship på lang sikt vil sette SpaceX i en ledende posisjon og samtidig gi et grunnlag for nye romforskninger. Underteksten er at den tradisjonelle satellittindustrien ikke kan følge med SpaceX, som stabilt øker kapasiteten og reduserer kostnadene på Falcon-rakettene, noe som setter SpaceX i en vanskelig situasjon. På den ene siden har den formet et marked verdsatt til, i beste fall, flere milliarder dollar i året. På den andre siden har den tent en uimotståelig appetitt på penger — for å bygge en kjempestor rakett, men som det nesten ikke er noen å sende til Mars, og det er ikke mye fortjeneste å forvente med det første.

Løsningen på dette parproblemet er Starlink. Ved å samle og lansere egne satellitter skulle SpaceX kunne skape og definere et nytt marked for høyeffektiv og demokratisert tilgang til kommunikasjon via rommet, sikre inntekter for bygging av raketten før den fikk selskapet til å gå under, og heve sin økonomiske verdi til billioner. Man bør ikke undervurdere omfanget av Elon Musks ambisjoner. Det finnes ikke mange bransjer hvor det omsettes billioner dollar: energi, høyhastighetstransport, kommunikasjon, IT, helsevesen, landbruk, regjering, forsvar. Til tross for utbredte misoppfatninger, romboring, vannutvinning på månen og romsolcellepaneler — er ikke en levedyktig virksomhet. Elon gikk inn i energisektoren med sin Tesla, men et pålitelig og lukrativt marked for satellitter og rakettoppskytninger vil kun bli sikret gjennom telekommunikasjon.

Elon Musk så for første gang mot rommet da han ønsket å donere 80 millioner dollar til en oppdrag for å dyrke planter på en marssonde. Bygging av en by på Mars vil antagelig koste 100 000 ganger mer, så Starlink er Musks hovedinnsats for å sikre den mengden penger som er så nødvendig for sponsing av en autonom by på Mars.

Hvorfor?

Jeg har lenge planlagt denne artikkelen, men først forrige uke fikk jeg et helhetlig bilde. Da ga presidenten i SpaceX, Gwynne Shotwell, Rob Barron et fantastisk intervju som senere ble omtalt av CNBC i en flott Twitter-tråd Michael Scheetz, som ble viet flere artiklene. Dette intervjuet viste den enorme forskjellen i tilnærmingen til satellittkommunikasjon mellom SpaceX og resten.

Konseptet Starlink ble født i 2012 da SpaceX innså at deres kunder – primært satellittkommunikasjonsleverandører – hadde enorme mengder penger. Oppskytningsplattformer presser prisene for utrullingen av satellitter og på en eller annen måte overser de ett ledd i arbeidet – hvordan er det mulig? Elon drømte om å skape en satellittkonstellasjon for internett og, ute av stand til å motstå den nesten umulige oppgaven, satte han i gang prosessen. Utviklingen av Starlink kom ikke uten utfordringer, men mot slutten av denne artikkelen vil du, kjære leser, sikkert bli overrasket over hvor små disse utfordringene egentlig er – tatt i betraktning omfanget av ideen.

Er det egentlig nødvendig med en så enorm oppbygging for internett? Og hvorfor nå?

Bare i løpet av min tid har internett fra å være et rent akademisk påfunn blitt til den første og eneste revolusjonære infrastrukturen. Dette er ikke et tema som fortjener en omfattende artikkel, men jeg vil anta at den globale etterspørselen etter internett og inntektene det genererer, vil fortsette å vokse med omtrent 25 % per år.

I dag får nesten alle oss internett fra et lite antall geografisk isolerte monopoler. I USA har AT&T, Time Warner, Comcast og en håndfull mindre aktører delt territoriet for å unngå konkurranse, tar betalt skjorten av folk for tjenester og nyter knapt skjult universell hat.

Det er en god grunn for provatørenes ikke-konkurrerende adferd — utover allestedsnærværende grådighet. Å bygge infrastruktur for internett — mikrobølge mobilmaster og fiberoptikk — er veldig, veldig kostbart. Den vidunderlige naturen av internett er lett å glemme. Min bestemor begynte å arbeide som telegrafist under andre verdenskrig, og på den tiden konkurrerte telegrafer om å spille en ledende strategisk rolle med postduer! For de fleste av oss er informasjonssuperveien noe efemert, immaterielt, men biter reiser seg gjennom en fysisk verden med grenser, elver, fjell, hav, stormer, naturkatastrofer og andre hindringer. Allerede i 1996, da den første fiberlinjen ble lagt over havbunnen, Neil Stevenson skrev et omfattende essay om kyberturisme. Med sin karakteristiske skarpe stil beskriver han levende den rå kostnaden og kompleksiteten ved å legge disse linjene, som deretter uansett fylles med forbannede 'kote'. I løpet av store deler av 2000-tallet ble kabler dratt så mye at kostnaden for utrulling var sjokkerende.

På et tidspunkt jobbet jeg i et optisk laboratorium og (hvis hukommelsen min ikke svikter) slo vi rekorden den gangen, med en multiplexer-overføringshastighet på 500 Gb/s. Elektronikkens begrensninger tillot oss å belaste hver fiber med 0,1 % av den teoretiske kapasiteten. Femten år senere er vi klare til å overstige grensen: hvis dataoverføringen går over den, vil fiberen smelte, og vi er allerede veldig nær dette.

Men må heve datamengden over den syndige jorden - opp i rommet, hvor en satellitt i løpet av fem år uten problemer omkretsmer den 'kloden' 30 000 ganger. En åpenbar løsning, kunne man tro - så hvorfor har ingen tatt tak i det tidligere?

Satellittgruppa Iridium, utviklet og rullet ut tidlig på 1990-tallet av Motorola (husker du dem?), var det første globale lavorbital kommunikasjonsnettverket (som det fristas til å fortelle i denne boken). Da det ble rullet ut, viste den nisjeevnen til å rute små datapakker fra asset trackers seg å være dens eneste anvendelse: mobiltelefoner ble så billige at satellittelefoner aldri ble populære. Iridium hadde 66 satellitter (pluss noen reservestasjoner) på 6 baner - det minimale utstyret for å dekke hele planeten.

Hvis Iridium klarte seg med 66 satellitter, hvorfor trenger SpaceX titusener?

SpaceX gikk inn i denne bransjen fra motsatt ende - begynte med oppskytninger. De ble pionerer innen bevaringen av bæreraketten og dermed erobret markedet for rimelige oppskytningsplattformer. Forsøk på å overgå deres tilbud med lavere priser vil ikke generere mye penger, så den eneste måten å tjene på deres overflødige kapasitet er å bli deres kunde. Kostnadene for SpaceX med å skyte opp egne satellitter er en tidel av kostnadene (per kg) til Iridium, og derfor er de i stand til å nå et betydelig bredere marked.

Global rekkevidde med Starlink vil gi tilgang til høyhastighets internett i enhver krok av verden. For første gang vil tilgjengeligheten til internett ikke avhenge av hvor nært et land eller en by er til en fiberlinje, men av klarheten på himmelen over hodet. Brukere over hele verden vil få tilgang til fri, global internett uavhengig av deres egne mer eller mindre korrupte og/eller uredelige regjeringer. Starlinks evne til å bryte opp disse monopolene katalyserer utrolige, positive endringer som endelig vil forene milliarder av mennesker i samfunn av cyberfelleskap i fremtiden.

En liten lyrisk avsporing: hva betyr egentlig dette?

For people growing today, in an age of omnipresent connectivity, the internet is like the air we breathe. It simply exists. But this — if we forget its incredible power to bring about positive change — is where we are right at its center. With the internet, people can hold their leaders accountable, communicate with others on the other side of the world, share thoughts, and invent something new. The internet unites humanity. The history of modernization is a history of developing possibilities for data exchange. At first — through speeches and epic poetry. Then — in writing, which gives voice to the dead as they speak to the living; writing allows for data storage and enables asynchronous communication. The printing press put news production on a stream. Electronic communication sped up data transmission across the globe. Personal note-taking devices have gradually become more sophisticated, evolving from notebooks to mobile phones, each of which is a computer connected to the internet, packed with sensors and increasingly better at predicting our needs each day.

A person using writing and a computer in the process of learning has a better chance of overcoming the limitations of an imperfectly developed brain. Even more pleasing is the fact that mobile phones are both powerful data storage devices and mechanisms for exchanging ideas. If before, people sharing thoughts relied on speech hastily jotted in notebooks, today it's common for notebooks to share ideas generated by people themselves. The traditional scheme has been inverted. A logical continuation of this process is some form of collective metacognition, through personal devices, even more tightly integrated into our brains and interconnected. And while we still nostalgically yearn for our lost connection to nature and solitude, it is important to remember that technology — and only technology — is responsible for the lion's share of our liberation from 'natural' cycles of ignorance, premature death (which can be avoided), violence, hunger, and tooth decay.

Hvordan?

Let's talk about the business model and architecture of the Starlink project.

For Starlink to become a profitable enterprise, its revenue must exceed the costs of construction and operation. Traditionally, capital investment involves increased initial expenses, the use of sophisticated specialized financing, and insurance mechanisms—everything required to launch a satellite. A geostationary communication satellite can cost $500 million, with assembly and launch taking about five years. Therefore, companies in this sector simultaneously build jet aircraft or container ships. Giant expenditures, revenues that barely cover financing costs, and relatively small operational budgets. In contrast, the downfall of the original Iridium was that Motorola forced the operator to pay crippling licensing fees, bankrupting the enterprise in just a few months.

To run such a business, traditional satellite companies had to serve private customers and charge high rates for data transmission. Airlines, remote outposts, ships, combat zones, and critical infrastructure pay about $5 per MB, which is 5,000 times more expensive than traditional ADSL connectivity, despite the latency in data transmission and the comparatively low bandwidth of satellite connections.

Starlink plans to compete with terrestrial service providers, meaning it will need to deliver data at a lower cost and ideally charge much less than $1 per MB. Is this possible? Or, if it is possible, one should ask: how is this possible?

The first ingredient of the new dish is a cheap launch. Currently, Falcon sells launches for 24 tons for about $60 million, which equals $2,500 per kg. However, there are significantly higher internal costs involved. Starlink satellites will be launched on reusable rockets, so the marginal cost of a single launch is the price of a new second stage (about $4 million), payload fairings ($1 million), and ground support (~$1 million). In total: about $100,000 per satellite, which is more than 1,000 times cheaper than launching a regular communication satellite.

Most Starlink satellites, however, will be launched on Starship. Indeed, the evolution of Starlink, as updated reports to the FCC show, is giving some en forståelse av hvordan ideen om Starship har utviklet seg i løpet av realiseringen den indre arkitekturen av prosjektet. Det totale antallet satellitter i konstellasjonen har økt fra 1 584 til 2 825, deretter til 7 518 og til slutt til 30 000. Hvis man tror på de samlede estimatene, er tallet enda høyere. Det minimale antallet satellitter for første utviklingsfase, for at prosjektet skal være levedyktig, er 60 enheter på 6 baner (totalt 360), mens for full dekning innenfor 53 grader fra ekvator kreves det 24 baner med 60 satellitter (totalt 1 440). Dette utgjør 24 oppskytinger for Falcon til en kostnad på rundt 150 millioner dollar i interne utgifter. Starship er imidlertid designet for å kunne skyte opp opptil 400 satellitter på én gang, omtrent til samme pris. Starlink-satellitter må byttes ut hvert 5. år, så 6 000 satellitter vil kreve 15 Starship-lanseringer per år. Dette vil koste rundt 100 millioner dollar per år, eller 15 000 dollar per satellitt. Hver satellitt lansert på Falcon veier 227 kg; de som løftes av Starship kan veie opptil 320 kg og bære ekstrautstyr, være noe større, og samtidig ikke overskride den tillatte vekten.

Hva utgjør kostnaden for satellitter? Blant sine søsken er Starlink-satellitter noe uvanlige. De monteres, lagres og lanseres i flat tilstand, og er derfor ekstremt enkle å produsere i masseproduksjon. Erfaring viser at produksjonskostnaden bør være omtrent lik kostnaden for oppskytingsanlegget. Hvis prisforskjellen er stor, betyr det at ressursene ikke blir fordelt riktig, siden redusert marginalkostnad ved lavere kostnader ikke er så betydelig. Er det virkelig mulig å få satellitten for 100 000 dollar ved den første batchen på noen hundre? Med andre ord, er en Starlink-satellitt ikke mer komplisert enn en bil?

For a complete answer to this question, we need to understand why the cost of an orbital communication satellite is 1000 times higher, even though it’s not 1000 times more complex. To put it simply, why is space hardware so expensive? There are many reasons for this, but the most significant is as follows: if launching a satellite into orbit (before Falcon) costs over 100 million, it must reliably operate for many years to bring in any profit. Ensuring such reliability in the operation of the first and only product is a painful process that can drag on for years and require the efforts of hundreds of people. Add to this the costs, and it’s easy to justify the additional processes, since the launch is already so expensive.

Starlink breaks this paradigm by creating hundreds of satellites, quickly correcting early design flaws, and leveraging mass production techniques to manage costs. I can easily imagine a Starlink assembly line where a technician integrates something new into the design and secures everything with a plastic tie (NASA-grade, of course) in just an hour or two, maintaining the necessary replacement rate of 16 satellites per day. A Starlink satellite consists of many intricate parts, but I see no reason why the cost of the thousandth unit coming off the assembly line can’t be reduced to 20,000. Indeed, Elon tweeted in May that the cost of producing a satellite is already lower than the launch cost.

Let’s take an average case and analyze the payback period, rounding the numbers. One Starlink satellite, which costs 100,000 to build and launch, operates for 5 years. Will it pay for itself, and if so, how soon?

In 5 years, a Starlink satellite will orbit the Earth 30,000 times. During each of these hour-and-a-half orbits, it will spend most of its time over the ocean and probably about 100 seconds over a densely populated city. In this short window, it broadcasts data, eager to earn money. Assuming the antenna supports 100 beams, and each beam transmits 100 Mb/sec, using modern encoding like 4096QAM, så genererer satellitten $1000 i overskudd per runde — med en abonnementspris på $1 per Gb. Dette er nok til å dekke kostnadene for distribusjonen på $100 000 på en uke og forenkler kapitalstrukturen betraktelig. De resterende $29 900 per runde er overskudd etter faste kostnader.

Forventede tall kan variere betydelig, både opp og ned. Men uansett, hvis du klarer å få opp en kvalitetsgruppe satellitter i lav bane for $100 000 — eller kanskje til og med $1 million per enhet — er dette et seriøst tilbud. Selv med den latterlig korte bruken kan Starlink-satelitten levere 30 PB med data i løpet av sin levetid — med en avskrevet kostnad på $0,003 per Gb. I tillegg øker de marginale kostnadene knapt ved overføring over lengre avstander.

For å forstå betydningen av denne modellen, la oss raskt sammenligne den med to andre modeller for datalevering til forbrukere: tradisjonell — fiberoptisk kabel, og satellittgruppene tilbudt av et selskap som ikke spesialiserer seg på satellittoppskytninger.

SEA-WE-ME — en stor undersjøisk internettkabel, som forbinder Frankrike og Singapore, ble tatt i bruk i 2005. Båndbredden er 1,28 Tb/s, og kostnaden for distribusjon er $500 millioner. Hvis den kjører på 100% kapasitet i 10 år, og driftskostnadene utgjør 100% av kapitalkostnadene, vil overføringsprisen være $0,02 per Gb. Transatlantiske kabler er kortere og litt billigere, men den undersjøiske kabelen er bare én enhet i en lang kjede av folk som ønsker penger for datatransfer. Den gjennomsnittlige prisen for Starlink viser seg å være 8 ganger billigere, og de har «alt inkludert».

Hvordan er dette mulig? Starlink-satellitten inkluderer all den kompliserte teknologien for elektronisk switching som trengs for å koble fiberoptiske kabler, bare at den bruker vakuum i stedet for dyr og skjør ledning for datatransmisjon. Overføring gjennom rommet reduserer antallet komfortable og utdaterte monopol situasjoner, og lar brukere koble seg med enda mindre 'utstyr'.

Vi sammenligner med den konkurrerende satellittleverandøren OneWeb. OneWeb planlegger å etablere en konstellasjon av 600 satellitter, som de vil lansere gjennom kommersielle leverandører til omtrent 20 000 dollar per kilo. Vekten på en satellitt er 150 kg, som vil si at en optimal lansering av én enhet vil koste omtrent 3 millioner. Kostnaden for satellittutstyret er estimert til 1 million per satellitt, så innen 2027 vil kostnaden for hele konstellasjonen være 2,6 milliarder. Testene som OneWeb har utført, viste en båndbredde på 50 Mb/s på topp, ideelt på hver av de 16 strålene. I følge den samme metoden som vi beregnet kostnadene for Starlink, får vi: hver satellitt OneWeb genererer 80 dollar per omløp, totalt vil det i løpet av fem år gi 2,4 millioner — knapt dekker kostnadene for oppskytingen, hvis man også tar med dataoverføring til avsidesliggende områder. Totalt får vi 1,70 dollar per 1 GB.

Nylig siterte vi ord fra Gwynne Shotwell om at Starlink angivelig er 17 ganger billigere og raskere enn OneWeb, noe som innebærer en konkurransedyktig pris på 0,10 dollar per 1 GB. Og dette er bare med den opprinnelige konfigurasjonen av Starlink: med mindre optimalisert produksjon, lansering med Falcon og begrensninger på dataoverføring — og kun med dekning av nordlige USA. Det viser seg at SpaceX har en overlegen fordel: allerede i dag kan de lansere en mye mer kapabel satellitt til en pris (per enhet) som er 15 ganger lavere enn konkurrentenes. Starship vil øke forskjellen til 100 ganger, om ikke mer, så det er ikke vanskelig å forestille seg hvordan SpaceX innen 2027 vil lansere 30 000 satellitter for mindre enn 1 milliard dollar, hvorav de fleste vil bli finansiert fra egne midler.

Jeg er sikker på at det finnes enda mer optimistiske analyser angående OneWeb og andre lovende satellittkonstellasjonsutviklere, men jeg vet foreløpig ikke hvordan de har organisert seg.

Nylig beregnet Morgan Stanley at satellittene fra Starlink vil koste 1 million for sammenstilling og 830 000 for oppskyting.Gwynne Shotwell svarte: han skal ha "tatt såååå mye feil" . Det er interessant at tallene er lignende våre beregninger angående kostnadene for OneWeb, og grovt sett 10 ganger høyere enn estimatet for den opprinnelige versjonen av Starlink. Bruken av Starship og industriell produksjon av satellitter kan redusere kostnadene for å sette opp satellitter til omtrent 35 000 per enhet. Det er en bemerkelsesverdig lav sum.. Det er interessant at tallene er sammenlignbare med våre beregninger om kostnader for OneWeb, og grovt sagt er de 10 ganger høyere enn estimatet fra den opprinnelige versjonen av Starlink. Bruken av Starship og industriell produksjon av satellitter kan redusere kostnaden for distribusjon av satellitter til omtrent 35 000/andre enhet. Og det er en bemerkelsesverdig lav sum.

Det er igjen ett punkt — å sammenligne inntekten per watt solenergi generert for Starlink. Ifølge bildene på deres nettside har solpanelet på hver satellitt et areal på omtrent 60 kvadratmeter, det vil si at det i gjennomsnitt genererer omtrent 3 kW eller 4,5 kWh per runde. Ifølge en grov estimat vil hver runde gi 1000 dollar, og hver satellitt genererer omtrent 220 dollar per kWh. Dette er 10 000 ganger mer enn engrosprisen på solenergi, noe som nok en gang bekrefter: å produsere solenergi i verdensrommet er et håpløst foretak. Og modulering av mikrobølger for datatransmisjon er en uforholdsmessig høy kostnad.

Arkitektur

I forrige seksjon presenterte jeg ganske grovt en ikke-triviell del av Starlink-arkitekturen — hvordan den fungerer med den ekstremt ujevne befolkningstettheten på planeten. Starlink-satellittene sender ut fokuserte stråler som danner flekker på planetens overflate. Abonnenter innenfor flekken deler én båndbredde. Størrelsen på flekken bestemmes av grunnleggende fysikk: opprinnelig er bredden (satellittens høyde x bølgelengden / antennediameteren), som for Starlink-satellitten i beste fall utgjør et par kilometer.

I de fleste byer er befolkningstettheten omtrent 1000 personer per kvadratkilometer, selv om det enkelte steder er høyere. I noen områder av Tokyo eller på Manhattan kan det være over 100 000 mennesker per flekk. Heldigvis finnes det i enhver slik tettbefolket by et konkurransedyktig internt marked for bredbåndsinternett, for ikke å nevne et høyt utviklet mobilnett. Men likevel, hvis det på et gitt tidspunkt er mange satellitter fra én konstellasjon over byen, kan båndbredden økes ved å spre antennene geografisk, samt ved å fordele frekvensene. Med andre ord, titalls satellitter kan fokusere den kraftigste strålen på ett sted, mens brukerne i dette området vil bruke bakkestasjoner som fordeler forespørslene mellom satellittene.

Dersom det mest passende markedet for tjenester i de innledende fasene er avsides, landlige eller forstadsområder, vil midler til videre lanseringer komme fra bedre tjenester rettet mot de tett befolkede byene. Scenariet er helt motsatt av den standard markedsutvidelsesskjemaet, der konkurrerende tjenester som retter seg mot byene uunngåelig opplever lavere fortjeneste - etter hvert som de forsøker å utvide seg mot mer fattige og tynt befolkede områder.

Flere år siden, da jeg gjorde beregninger, var dette det beste kartet over befolkningstetthet.

Jeg hentet data fra dette bildet og laget tre grafer nedenfor. Den første viser arealfrekvensen etter befolkningstetthet. Det mest interessante er at det meste av jorden ikke er befolket, mens nesten ingen regioner har mer enn 100 mennesker/km².

Den andre grafen viser menneskefrekvensen etter befolkningstetthet. Selv om størstedelen av planeten ikke er befolket, bor hoveddelen av folk i områder med 100–1000 personer/km². Den utvidede naturen av denne toppen (bestående av ordre mer) gjenspeiler bimodaliteten i urbaniseringsskjemaer. 100 personer/km² er relativt tynt befolkede landlige områder, mens tallet på 1000 personer/km² er karakteristisk for forsteder. Byens sentre viser lett 10 000 personer/km², mens befolkningen i Manhattan er 25 000 personer/km².

Den tredje grafen viser befolkningstetthet etter breddegrad. Det er tydelig at nesten alle mennesker er konsentrert mellom 20–40 grader nordlig bredde. Så, stort sett, har dette geografisk og historisk utviklet seg, ettersom en enorm del av den sørlige halvkule er dekket av hav. Likevel er slik befolkningstetthet en skremmende utfordring for grupperingsarkitekter, ettersom satellitter i begge halvkuler tilbringer lik mengde tid. Dessuten vil en satellitt som går i bane rundt jorden, i en vinkel på for eksempel 50 grader, tilbringe mer tid nær de nevnte breddegrensene. Det er derfor Starlink kun trenger 6 baner for å dekke den nordlige delen av USA, mens det for dekning av ekvator trengs 24.

Det er sant, hvis man sammenligner befolkningstetthetsdiagrammet med diagrammet for tettheten av satellittkonstellasjonen, blir valg av baner tydelig. Hver histogram viser en av de fire rapportene fra SpaceX i FCC. Jeg personlig mener at hver ny rapport er som en oppdatering av den forrige, men uansett er det lett å se hvordan flere satellitter øker kapasiteten over de tilsvarende områdene på den nordlige halvkule. Tilsvarende er det en betydelig ubrukt kapasitet over den sørlige halvkule – gled deg, kjære Australia!

Hva skjer med brukerdataene når de når satellitten? I den opprinnelige versjonen sendte Starlink-satellittene umiddelbart dataene tilbake til en dedikert bakkestasjon nær tjenesteområdene. Denne konfigurasjonen kalles «direkte retransmisjon». I fremtiden vil Starlink-satellitter få muligheten til å kommunisere med hverandre via laser. Datadeling vil nå sitt høydepunkt over folkerike byer, men data kan distribueres over lasernettverket i to dimensjoner. I praksis betyr dette at det finnes en enorm mulighet for en skjult transportnettverkskommunikasjon blant satellittene, hvilket betyr at brukerdata kan «sendes tilbake til jorden» på ethvert passende sted. I praksis ser det ut til at SpaceXs bakkestasjoner vil kombineres med trafikkutvekslingsnoder utenfor byene.

Det viser seg at kommunikasjon satellitt-satellitt er en komplisert oppgave, ifølge rapportene i FCC som er nyeste. Det rapporteres om 11 veldefinerte orbitalgrupper av satellitter. Innenfor en bestemt gruppe beveger satellittene seg på samme høyde, under samme vinkel, med lik eksentrisitet, noe som betyr at laserne kan finne satellitter i nærhet relativt enkelt. Men hastighetene for nærming mellom gruppene måles i km/s, så kommunikasjonen mellom grupper, hvis den er mulig, må skje ved hjelp av korte, raskt kontrollerte mikrobølgeforbindelser.

Topologi av orbitalgrupper er som partikkel-bølge teori om lys og har ikke mye å gjøre med vårt eksempel, men jeg synes den er vakker, så jeg inkluderte den i artikkelen. Hvis du ikke er interessert i dette avsnittet, gå direkte til «Begrensningene i fundamental fysikk».

Torus – eller donut – er et matematisk objekt definert av to radier. Det er ganske enkelt å tegne sirkler på overflaten av torusen: parallelt med eller vinkelrett på dens form. Du vil kanskje finne det interessant at det finnes ytterligere to familier av sirkler som kan tegnes på torusens overflate, og begge går gjennom hullet i sentrum og rundt omkretsen. Dette kalles. «Vallarse-sirkler», og jeg brukte denne konstruksjonen da jeg i 2015 designet torus til Tesla-spolen «Brennende Mann».

Og selv om banene til satellittene strengt tatt er ellipser og ikke sirkler, er den samme konstruksjonen også anvendbar i tilfellet Starlink. Grupperingen av 4500 satellitter i flere orbitalplan, alle i én vinkel, danner et kontinuerlig bevegelig lag over jordens overflate. Laget som er rettet mot nord, folder seg ut over en bestemt breddegrad og beveger seg deretter tilbake mot sør. For å unngå kollisjoner vil banene være litt utvidet, slik at laget som beveger seg mot nord vil være noen kilometer høyere (eller lavere) enn det som beveger seg mot sør. Samlet sett danner disse to lagene en oppblåst torus, som vist nedenfor i en sterkt forenklet skisse.

Jeg minner om at kommunikasjonen innenfor denne torusen skjer mellom nabosatellitter. Generelt er det ingen direkte og lange forbindelser mellom satellittene i forskjellige lag, siden hastighetene for nærmingslaser er altfor høye. Dataoverføringsbanen mellom lagene går derimot over eller under torusen.

Totalt vil 30 000 satellitter være plassert i 11 sammenkoblede toruser, langt etter orbitene til ISS! Denne skissen viser hvordan alle disse lagene er pakket, uten overdrevet eksentrisitet.

Og til slutt bør man vurdere den optimale høyden for flyvning. Det er et dilemma: lav høyde som gir større kapasitet med mindre stråler, eller høyere høyde som dekker hele planeten med færre satellitter? Over tid har rapportene fra SpaceX hos FCC snakket om stadig lavere høyder, ettersom Starship blir mer avansert, noe som muliggjør rask distribusjon av større satellittgrupper.

Lav høyde har også andre fordeler, inkludert redusert risiko for kollisjon med romsøppel eller negative konsekvenser av utstyrsfeil. På grunn av økt atmosfærisk motstand vil satellitter som befinner seg lavere enn andre Starlink-satellitter (330 km) brenne opp innen noen uker etter tap av orientering. Det er sant at 300 km er en høyde der satellitter nesten ikke opererer, og å opprettholde denne høyden vil kreve en innebygd elektrisk rakettmotor med Krypton, samt en strømlinjeformet design. Teoretisk kan en satellitt med tilstrekkelig spissform, drevet av en elektrisk rakettmotor, stabilt opprettholde høyde på 160 km, men det er usannsynlig at SpaceX vil lansere satellitter så lavt, da de fortsatt har flere triks til rådighet for å øke kapasiteten.

Begrensninger i grunnleggende fysikk

Det virker usannsynlig at kostnadene for å plassere en satellitt noen gang vil falle kraftig under 35 000, selv om produksjonen blir avansert og fullstendig automatisert, og Starship-skipene er helt gjenbrukbare. Dessuten er det ennå ikke klart hvilke begrensninger fysikken vil pålegge satellitten. Analysen ovenfor forutsetter en topp kapasitet på 80 Gb/s. (rundet til 100 stråler, hver i stand til å overføre 100 Mb/s).

Grensen for kanalens kapasitet er fastsatt i Shannon-Hartley-teoremet og uttrykkes i statistikk om båndbredde (1+SNR). Båndbredden er ofte begrenset av tilgjengelig spektrum, mens SNR er satellittens tilgjengelige energi, bakgrunnsstøy og forstyrrelser i kanalen på grunn av ikke-ideelle antenner. En annen merkbar hindring er behandlingstiden. De nyeste FPGA Xilinx Ultrascale+ har GTM-serien med en kapasitet på opptil 58 Gb/s., som er bra under de nåværende begrensningene av informasjonskapasiteten til kanalen uten utvikling av spesialtilpassede ASIC-er. Men selv da vil 58 Gb/s kreve en betydelig frekvensfordeling, mest sannsynlig i Ka- eller V-bånd. V (40–75 GHz) har mer tilgjengelige sykluser, men er mer utsatt for atmosferisk absorpsjon, spesielt i områder med høy luftfuktighet.

Er 100 stråler praktiske? Dette problemet har to aspekter: strålens bredde og tettheten av elementene i det faset antennenettverket. Strålens bredde bestemmes av bølgelengden delt på antennens diameter. Digitale fasede antennenett er fortsatt en spesialisert teknologi, men de maksimale nyttige dimensjonene bestemmes av bredden. smeltesugere (ca. 1 m), og å bruke radiokommunikasjon vil bli kostbart. Bølgelengden i Ka-båndet er omtrent 1 cm, og strålens bredde bør være 0,01 radianer - med et spektrum på 50 % amplitudenivå. Anta at strålens solide vinkel er 1 steradian (tilsvarende dekselet til et 50 mm kameralinse), da vil 2500 separate stråler være tilstrekkelig i dette området. Linjeærhet innebærer at 2500 stråler vil kreve minst 2500 antenneelementer innenfor nettverket, noe som i prinsippet er mulig, selv om det er vanskelig å oppnå. Og alt dette vil også generere betydelig varme!

Totalt 2500 kanaler, hver av dem støtter 58 Gb/s, er en enorm mengde informasjon - grovt sett 145 Tb/s. For sammenligning, hele internett-trafikken i 2020 forventes å være i gjennomsnitt på 640 Tb/s.Gode nyheter for de som er bekymret for den fundamentalt lave båndbredden av satellittinternett. Hvis en konstellasjon av 30 000 satellitter blir operativ innen 2026, kan den globale internett-trafikken potensielt nå 800 Tb/s. Hvis halvparten av denne mengden leveres av omtrent 500 satellitter over tettbefolkede områder til enhver tid, vil den maksimale båndbredden per satellitt være omtrent 800 Gb/s, noe som er ti ganger høyere enn våre opprinnelige hovedberegninger, og dermed kan inntektene potensielt øke ti ganger.

For a satellite in a 330-kilometer orbit, a beam at 0.01 radians covers an area of 10 sq.km. In particularly densely populated areas like Manhattan, up to 300,000 people live in such an area. And if they all sit down to watch Netflix (7 Mbps in HD quality)? The total data demand would be 2000 GB/sec, which is about 35 times the current strict limit imposed by the FPGA interface for sequential output. There are two solutions to this situation, but physically only one is possible.

The first is to launch more satellites into orbit, so at any given moment, more than 35 are overhead in areas of high demand. If we again take 1 steradian for an acceptable addressable section of sky and an average orbital height of 400 km, we get a density of 0.0002/sq.km, or 100,000 total — if they are evenly distributed over the entire surface of the Earth. It’s worth noting that SpaceX’s chosen orbits significantly increase coverage density over densely populated areas between 20-40 degrees latitude, making the figure of 30,000 satellites seem magical.

The second idea is much cooler but, unfortunately, unfeasible. Recall that the beam width is determined by the width of the phased array antenna. What if multiple arrays on several satellites combine their powers to create a narrower beam — just like radio telescopes such as the VLA (Very Large Array)? This method comes with one complication: the baseline between satellites would need to be calculated meticulously — to a submillimeter precision — to stabilize the beam phase. And even if this were possible, the resulting beam would hardly constrain side lobes due to the low density of the satellite constellation in the sky. On the ground, the beam width would narrow down to a few millimeters (enough to track a cell phone antenna), but there would be millions of them — due to weak intermediate nulling. Thanks to the curse of the sparse array.

It turns out that dividing channels by angular separation — since satellites are spread across the sky — provides adequate improvements in bandwidth without violating the laws of physics.

Anvendelse

Hva er Starlink sine kundepreferanser? Som standard er det hundrevis av millioner brukere med antenner på takene som likner en pizzakasse, men det finnes også andre høyinntektskilder.

I avsidesliggende og landlige områder krever bakkenasjoner ikke fasetterte antennearrayer for å maksimere strålebredde, så det er mulig å bruke mindre abonnementsenheter: fra IoT-ressurstracker til lommesat telefoner, nødpeilesendere eller vitenskapelige instrumenter til dyresporing.

I tettbefolkede urbane områder vil Starlink tilby primært og backup transportnett for mobilnettet. Hver mobilmaster vil kunne ha en høyytelses bakkenasjon installert på toppen, men bruke bakken energikilder for å forsterke og overføre via 'den siste milen'.

Og til slutt, selv i overfylte områder under den primære utrullingen er det muligheter for bruk av lave orbitsatellitter med minimal forsinkelse. Finansielle selskaper tilbyr deg store summer — bare for å få livsviktige data fra hele verden litt raskere. Og selv om data via Starlink har en lengre vei å reise — gjennom rommet — er lysfarten i vakuum 50 % raskere enn i kvarts, noe som langt oppveier forskjellen når overføringer skjer over større avstander.

Negative konsekvenser

Den siste delen omhandler negative konsekvenser. Målet med artikkelen er å frigjøre deg fra misforståelser om prosjektet, ettersom potensielt negative konsekvenser skaper mest debatt. Jeg vil gi noe informasjon uten å overtolke for mye. Jeg er tross alt ingen clairvoyant, og har ingen innsideinformasjon fra SpaceX.

De mest alvorlige konsekvensene av økt tilgang til internett, etter min mening, er betydelige. Selv i min hjemby Pasadena, som er en livlig og teknologisk utviklet millionby med flere observatorier, et verdensklasse universitet og det største NASAs senter, er valget av internettjenester ganske begrenset. I hele USA og resten av verden har internett blitt en leieorientert offentlig tjeneste, hvor leverandører bare ønsker å ta inn sine 50 millioner dollar i måneden i et komfortabelt, ikke-konkurrerende miljø. Nesten enhver tjeneste som leveres til leiligheter og boliger er en offentlig tjeneste, men kvaliteten på internettjenestene er mindre jevn enn vann, elektrisitet eller gass.

Problemet med status quo er at, i motsetning til vann, strøm eller gass, er internett fortsatt ungt og utvikler seg raskt. Vi finner stadig nye måter å bruke det på. Det mest revolusjonerende er ennå ikke oppdaget, men pakkefordelingsplaner kveler muligheten for konkurranse og innovasjon. Milliarder av mennesker står utenfor. den digitale revolusjonen på grunn av fødselsomstendigheter, eller fordi deres land er for langt unna hovedkabelen. I store områder av planeten leveres internett fortsatt via geostasjonære satellitter, til ekstreme priser.

Starlink, som kontinuerlig deler ut internett fra himmelen, bryter denne modellen. Jeg kjenner foreløpig ikke noen bedre måte å koble milliarder av mennesker til internett på. SpaceX er i ferd med å bli en internettleverandør og potensielt et internettfirma som kan konkurrere med Google og Facebook. Jeg vedder på at du aldri har tenkt på det.

At satellittinternett er det beste alternativet, er ikke åpenbart. SpaceX og kun SpaceX er i stand til raskt å bygge opp en omfattende gruppe satellitter, siden de er de eneste som har brukt et tiår på å bryte regjeringens og militærets monopol på oppskytninger av romskip. Selv om Iridium skulle ha forutsettt mobiltelefonmarkedet ti ganger, ville de fortsatt ikke ha oppnådd bred bruk ved å bruke tradisjonelle oppskytninger. Uten SpaceX og deres unike forretningsmodell er sjansen stor for at global satellittinternett aldri vil skje.

Det andre store slaget vil ramme astronomien. Etter lanseringen av de første 60 Starlink-satellittene, kom det en bølge av kritikk fra det internasjonale astronomiske samfunnet, som hevdet at det økte antallet satellitter vil dekke deres tilgang til nattehimmelen. Det finnes et uttrykk: blant astronomer er den med det største teleskopet den kraftigste. Uten overdrivelse, å drive med astronomi i den moderne æraen er en arkitektonisk utfordring, og minner om en kontinuerlig kamp for å forbedre analysekvaliteten mot bakteppet av økende lysforurensning og andre støykilder.

Det minst ønskelige for en astronom er tusenvis av lyse satellitter som blinker i teleskopens fokus. Og faktisk, den første Iridium-konstellasjonen fikk et dårlig rykte for å gi "lysforurensning" på grunn av de store panelene som reflekterte sollys mot små områder av jorden. Det skjedde at de nådde lysstyrke tilsvarende en fjerdedel av månen og av og til til og med uheldigvis skadet sensitive astronomiske sensorer. Frykten for at Starlink skal invadere radiobåndene som brukes i radioastronomi er ikke ubegrunnet.

Hvis man laster ned en app for å spore satellitter, kan man se dusinvis av satellitter flygende på himmelen en klar kveld. Satellittene er synlige etter solnedgang og før soloppgang, men bare når solstråler lyser dem opp. Senere, i løpet av natten, er satellittene usynlige i jordens skygge. Små, ekstremt fjerne, de beveger seg veldig raskt. Det er en sjanse for at de vil blokkere en fjern stjerne i mindre enn et millisekund, men jeg tror det å fange dette er en skikkelig hodepine.

Sterke bekymringer om lysforurensning oppsto fordi satellittene fra den første oppskytningen ble plassert nær terminatoren av jorden, det vil si at Europa sommernetter så en episk scene når satellitter fløy over himmelen i kveldsmørket. Videre viste simuleringer basert på rapporter fra FKS at satellitter i en høyde av 1150 km ville være synlige selv etter at astronomisk skumring hadde passert. Generelt er skumring delt inn i tre faser: sivil, maritim og astronomisk, avhengig av hvor solen er 6, 12 og 18 grader under horisonten. På slutten av astronomisk skumring er solstrålene omtrent 650 km fra overflaten i zenit, langt utenfor atmosfæren og de fleste av de lave lavjordsbanene. Basert på data fra Starlink-siden, mener jeg at alle satellitter vil bli plassert i en høyde under 600 km. I så fall kan de sees i skumringen, men ikke etter at natten har falt, noe som betydelig vil redusere de potensielle konsekvensene for astronomi.

Det tredje problemet er avfall i banen. I det forrige innlegget har jeg påpekt at satellitter og avfall under 600 km vil reise ut av banen i løpet av noen år - på grunn av atmosfærisk motstand, noe som sterkt reduserer muligheten for Kessler-syndromet. SpaceX virker til å ta lett på romsøppel, som om de ikke tenker på det i det hele tatt. Nå ser jeg på detaljene om implementeringen av Starlink, og jeg har vanskelig for å forestille meg en bedre måte å redusere mengden romsøppel i banen.

Satellitter skytes opp til en høyde av 350 km, og deretter bruker de innebygde motorene til å fly til sin tiltenkte bane. Enhver satellitt som dør ved lansering, vil gå ut av banen etter noen uker, og den vil ikke sveve høyt over de neste tusen årene. Denne plasseringen forutsetter strategisk testing for fri tilgang. Videre er Starlink-satellittene flate i tverrsnitt, noe som betyr at når de mister kontrollen over høyden, går de inn i tette lag av atmosfæren.

Lite få vet at SpaceX har blitt en pioner innen romfart ved å begynne å bruke alternative festemetoder i stedet for pyrotekniske patroner. Nesten alle oppskytningsplasser bruker pyrotekniske patroner når de deployerer trinn, satellitter, fairinger og lignende, noe som øker den potensielle mengden avfall. Dessuten har SpaceX som mål å bringe de øvre trinnene ned fra banen, slik at de ikke flyter i rommet i det uendelige, for at de ikke skal bli forvitret og bryte sammen i det harde rommiljøet.

Og til slutt, det siste problemet jeg ønsker å nevne, er sjansen for at SpaceX vil presse ut den eksisterende monopolposisjonen innen internett ved å skape sin egen. I sin nisje har SpaceX allerede monopol på oppskytinger. Bare ønsket fra konkurrerende regjeringer om å få garantert tilgang til rommet hindrer at dyre og utdaterte raketter, som ofte samles av store monopolistiske forsvarsentreprenører, blir skrotet.

Det er ikke så vanskelig å forestille seg at SpaceX i 2030 vil begynne å skyte opp 6000 satellitter årlig, pluss noen spion-satellitter – gamle vaner dør hardt. De billige og pålitelige satellittene fra SpaceX vil tilby "plasser" for tredjepartsutstyr. Hvilket universitet som helst som har utviklet et brukbart romkamera, vil kunne sette det i bane, uten å måtte dekke kostnadene for å bygge en hel romplattform. Med så avansert og ubegrenset tilgang til rommet, er Starlink allerede assosiert med satellitter, mens de historiske produsentene går i glemmeboken.

Historien har eksempler på fremtidsrettede selskaper som har tatt en så stor nisje på markedet at navnene deres har blitt generiske: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.

Problemer kan oppstå når et pioneerfirma begynner med antikonkurransedyktige praksiser for å opprettholde sin markedsandel, selv om dette ofte ikke er forbudt siden president Reagan. SpaceX kan opprettholde monopolstillingen til Starlink ved å tvinge andre utviklere av satellittkonstellasjoner til å skyte opp satellitter med utdaterte sovjetiske raketter. Lignende handlinger ble foretatt av United Aircraft and Transportation company, sammen med fastsettelsen av fraktpriser for posten, førte i 1934 til dens kollaps. Heldigvis vil SpaceX neppe for alltid opprettholde et absolutt monopol på gjenbrukbare raketter.

Enda mer bekymringsfullt er det at utrullingen av titusenvis av SpaceX-satellitter i lav omløpsbane kan bli utformet som en overtakelse av fellesressurser. Et privat selskap, som jakter etter egen vinning, vil tilegne seg tidligere offentlige og ubebodde orbitalposisjoner. Og selv om SpaceXs innovasjoner har gjort det mulig å virkelig tjene penger i vakuum, er det meste av SpaceXs intellektuelle kapital bygget på milliarder av dollar bevilget fra forskningsbudsjettet.

På den ene siden er det behov for lover som beskytter private investeringer, forskning og utvikling. Uten denne beskyttelsen vil innovatører ikke kunne finansiere ambisiøse prosjekter eller flytte selskapene sine til steder der de vil få slik beskyttelse. Uansett lider publikum fordi det ikke dannes profitt. På den andre siden er det behov for lover som beskytter folk, de nominelle eierne av fellesskapets ressurser, inkludert himmelen — fra renteorienterte private enheter som annekterer offentlige goder. Ingen av delene er riktig eller engang mulig i seg selv. SpaceXs utviklinger gir mulighet til å finne en mellomvei i dette nye markedet. Vi vil forstå at det er funnet når vi maksimerer frekvensen av innovasjoner og dannelse av offentlig velstand.

Til slutt tanker

Denne artikkelen skrev jeg umiddelbart etter å ha fullført en annen — om Starship. Det har vært en hektisk uke. Både Starship og Starlink er revolusjonerende teknologier som utvikles rett foran øynene våre, i våre liv. Hvis jeg ser mine barnebarn vokse opp, vil de bli mer overrasket over at jeg er eldre enn Starlink, enn over at det i min barndom ikke fantes mobiltelefoner (som museale eksponater) eller offentlig tilgjengelig internett.

Rike mennesker og militære har lenge hatt tilgang til satellittinternett, men universell, offentlig og rimelig Starlink uten Starship er rett og slett umulig.

Det har vært snakk om oppskyting lenge, men Starship, som er en ganske rimelig og derfor interessant plattform, er umulig uten Starlink.

Det har vært snakk om bemannet romfart lenge, og hvis du er — en jetjagerpilot, i tillegg til å være nevrokirurg, så har du grønt lys. Med Starship og Starlink er menneskelig utforskning av rommet et oppnåelig, nært framtid, hvor det er kort vei fra en orbital utpost til industrialiserte byer i dyprommet.

Kilde: habr.com