Este artigo faz parte de uma série dedicada a .
— o plano da SpaceX para fornecer internet através de dezenas de milhares de satélites — é o tema principal na imprensa dedicada ao espaço. Artigos sobre as últimas conquistas são publicados semanalmente. Embora a ideia geral seja clara, ao revisar , uma pessoa bem motivada (digamos, este humilde servo) pode descobrir muitos detalhes. No entanto, ainda existem muitos equívocos associados a essa nova tecnologia, até mesmo entre analistas informados. Frequentemente, encontramos artigos em que a Starlink é comparada à OneWeb e à Kuiper (entre outras), como se competissem em pé de igualdade. Outros autores, claramente preocupados com o bem-estar do planeta, alertam sobre o lixo espacial, o direito espacial, padrões e segurança da astronomia. Espero que, ao ler este artigo — bastante longo —, o leitor compreenda melhor e se aproxime da ideia da Starlink.
Surpreendentemente, toquei em uma corda sensível nas almas dos meus poucos leitores. Nele, expliquei como o Starship irá solidificar a liderança da SpaceX por um longo tempo e ao mesmo tempo proporcionará um mecanismo para novas pesquisas espaciais. O subtexto é que a indústria tradicional de satélites não consegue acompanhar a SpaceX, que consistentemente aumenta sua capacidade e reduz os custos da família de foguetes Falcon, colocando a SpaceX em uma posição difícil. Por um lado, ela criou um mercado avaliado, no melhor dos casos, em alguns bilhões por ano. Por outro, alimentou um apetite insaciável por dinheiro — para a construção de um enorme foguete, no qual, no entanto, quase não há ninguém para enviar a Marte, e lucros imediatos não estão à vista.
A solução para esse par de problemas é a Starlink. Ao reunir e lançar seus próprios satélites, a SpaceX poderia criar e definir um novo mercado para acesso à comunicação de alta eficiência e democratizado através do espaço, garantir um fluxo financeiro para construir foguetes antes que eles afundem a empresa e aumentar seu valor econômico para trilhões. Não se deve subestimar a magnitude das ambições de Elon. Existem muito poucas indústrias que movimentam trilhões de dólares: energia, transporte de alta velocidade, comunicação, TI, saúde, agricultura, governo, defesa. Apesar de equívocos comuns, , e — o negócio não é viável. Elon entrou no setor de energia com sua Tesla, mas um mercado confiável e robusto para satélites e lançamentos de foguetes só será garantido pelas telecomunicações.
Foi a primeira vez que Elon Musk olhou para o espaço, quando quis investir 80 milhões de dólares sem fins lucrativos em uma missão para cultivar plantas em um módulo marciano. Construir uma cidade em Marte, provavelmente, custará 100.000 vezes mais, então a Starlink é a principal aposta de Musk para garantir um mar de dinheiro tão necessário para o financiamento .
Para que serve?
Eu já havia planejado este artigo há algum tempo, mas só na semana passada consegui a imagem completa. Naquele momento, a presidente da SpaceX, Gwynne Shotwell, deu uma entrevista incrível a Rob Beron, que depois destacou para a CNBC em uma excelente Michael Schitz, e que foi dedicado . Esta entrevista mostrou a enorme diferença nas abordagens à comunicação via satélite entre a SpaceX e todos os outros.
Conceito nasceu em 2012, quando a SpaceX percebeu que seus clientes — principalmente provedores de comunicação via satélite — tinham enormes reservas de dinheiro. As plataformas de lançamento exorbitam os preços para o despliegue de satélites e, de alguma forma, negligenciam uma etapa do trabalho — como é possível? Elon sonhava em criar uma constelação de satélites para a internet e, incapaz de resistir a uma tarefa quase impossível, colocou o processo em movimento. O desenvolvimento da Starlink , mas ao final deste artigo, você, meu leitor, certamente ficará surpreso com quão pequenas essas dificuldades realmente são — considerando a escala da ideia.
É realmente necessária uma agrupamento tão enorme para a internet? E por que agora?
Apenas na minha memória, a internet passou de um mero capricho acadêmico para a primeira e única infraestrutura revolucionária. Este não é o tema para um artigo extenso, mas eu suponho que a demanda global por internet e a receita que ela gera continuarão a crescer cerca de 25% ao ano.
Hoje, quase todos nós obtemos internet de um pequeno número de monopólios geograficamente isolados. Nos EUA, a AT&T, Time Warner, Comcast e algumas poucas outras empresas dividiram o território para evitar a concorrência, cobrando preços exorbitantes pelos serviços e se banhando em uma quase universalidade de desprezo.
Os provedores têm uma razão sólida para seu comportamento não competitivo — além da ganância avassaladora. Construir infraestrutura para a internet — torres de micro-ondas e fibra óptica — é extremamente caro. É fácil esquecer a natureza maravilhosa da internet. Minha avó começou a trabalhar durante a Segunda Guerra Mundial como operadora de rádio, e na época o telégrafo competia em importância estratégica com os pombo-correio! Para a maioria de nós, a superestrada da informação é algo etéreo, imaterial, no entanto, os bits viajam por um mundo físico, onde existem fronteiras, rios, montanhas, oceanos, tempestades, desastres naturais e outros obstáculos. Já em 1996, quando foi instalada a primeira linha de fibra óptica no fundo do oceano, . Com seu estilo afiado característico, ele descreve vividamente o custo real e a complexidade de instalar essas linhas, que depois são atravessadas por malditos "catotes". Durante a maior parte da década de 2000, cabos foram esticados a tal ponto que o custo de implantação era surpreendente.
Uma vez trabalhei em um laboratório óptico e (se a memória não me engana) nós quebramos o recorde da época, apresentando uma velocidade de transmissão multiplexada de 500 Gb/s. As limitações eletrônicas permitiam sobrecarregar cada fibra em apenas 0,1% da capacidade teórica. Quinze anos depois, estamos prontos para ultrapassar esse limite: se a transmissão de dados exceder esse limite, a fibra vai derreter, e já estamos muito próximos disso.
Mas, na verdade, é preciso levar o fluxo de dados acima da terra pecadora — para o espaço, onde um satélite orbita a "bola" 30.000 vezes em cinco anos. Uma solução óbvia, aparentemente — por que ninguém se aventurou a fazê-lo antes?
O grupo de satélites Iridium, desenvolvido e implantado no início da década de 1990 pela Motorola (lembra deles?), foi a primeira rede de comunicação global de baixa órbita (como é tentador contar em ). Quando foi implantada, a capacidade de rotear pequenos pacotes de dados de rastreadores de ativos se revelou sua única aplicação: os celulares se tornaram tão baratos que os telefones via satélite não emplacaram. O Iridium tinha 66 satélites (além de alguns sobressalentes) em 6 órbitas — um conjunto mínimo para cobrir todo o planeta.
Se o Iridium precisava de 66 satélites, por que a SpaceX precisa de dezenas de milhares? O que a torna tão diferente?
A SpaceX entrou nesse negócio por outro caminho — começou com lançamentos. Tornou-se pioneira na recuperação do foguete lançador e, assim, dominou o mercado de plataformas de lançamento baratas. Tentativas de vencer sua oferta com preços mais baixos não trarão muitos lucros, então a única maneira de lucrar com sua capacidade excessiva é se tornando cliente deles. Os custos da SpaceX para lançar seus próprios satélites — (por 1 kg) do Iridium, e por isso conseguem acessar um mercado muito mais amplo.
A cobertura global do Starlink garantirá acesso à internet de alta qualidade em qualquer canto do mundo. Pela primeira vez, a disponibilidade da internet não dependerá da proximidade de um país ou cidade à linha de fibra ótica, mas da clareza do céu acima. Usuários em todo o mundo terão acesso a uma internet global livre das amarras de monopólios governamentais que, em graus variados, são desonestos e/ou corruptos. A capacidade do Starlink de quebrar esses monopólios catalisará mudanças positivas de escala incrível, que finalmente unirão bilhões de pessoas em uma comunidade cibernética global do futuro.
Um pequeno desvio lírico: o que isso realmente significa?
Para as pessoas que estão crescendo hoje, na era da conectividade onipresente, a internet é como o ar que respiramos. Ela simplesmente existe. Mas isso — se esquecermos seu poder incrível de trazer mudanças positivas — e já estamos no centro delas. Com a internet, as pessoas podem responsabilizar seus líderes, se conectar com pessoas do outro lado do mundo, compartilhar ideias e inventar algo novo. A internet une a humanidade. A história das modernizações é a história do desenvolvimento de oportunidades para a troca de dados. Primeiro — através de discursos e poesia épica. Depois — pela escrita, que dá voz aos mortos e eles falam aos vivos; a escrita permite armazenar dados e possibilita uma comunicação assíncrona. A imprensa impressa industrializou a produção de notícias. A comunicação eletrônica acelerou a transmissão de dados pelo mundo. Dispositivos pessoais para armazenar notas foram se tornando progressivamente mais complexos, evoluindo de cadernetas para celulares, cada um deles uma computadora conectada à internet, repleta de sensores e se tornando cada vez melhor em prever nossas necessidades.
Uma pessoa que utiliza a escrita e um computador no processo de aprendizado tem maiores chances de superar as limitações de um cérebro não perfeitamente desenvolvido. O que é ainda mais animador é que os celulares são tanto poderosos dispositivos de armazenamento de dados quanto mecanismos de troca de ideias. Se antes as pessoas dependiam da fala, anotando suas ideias em cadernetas, hoje a norma é que as cadernetas compartilhem, por conta própria, as ideias geradas pelas pessoas. O esquema tradicional sofreu uma inversão. A continuidade lógica desse processo é uma forma de metacognição coletiva, através de dispositivos pessoais, e conectados uns aos outros. E embora ainda sintamos saudade da conexão perdida com a natureza e da solidão, é importante lembrar que a tecnologia, e apenas a tecnologia, é responsável pela maior parte da nossa libertação dos ciclos "naturais" de ignorância, morte prematura (que pode ser evitada), violência, fome e degradação dental.
Como?
Vamos falar sobre o modelo de negócios e a arquitetura do projeto Starlink.
Para que o Starlink se torne uma empresa lucrativa, a entrada de recursos deve superar os custos de construção e operação. Tradicionalmente, o investimento de capital implica gastos iniciais elevados, o uso de financiamento especializado sofisticado e mecanismos de garantia — tudo para lançar um satélite. Um satélite de comunicação geoestacionário pode custar cerca de 500 milhões de dólares, e sua montagem e lançamento podem levar até 5 anos. Por isso, as empresas desse setor constroem simultaneamente aviões a jato ou navios de contêineres. Gastos gigantescos, entradas de recursos que mal cobrem os custos de financiamento e um orçamento operacional relativamente pequeno. Por outro lado, a falha inicial do Iridium ocorreu porque a Motorola forçou o operador a pagar taxas de licenciamento exorbitantes, falindo a empresa em apenas alguns meses.
Para operar um negócio desse tipo, as empresas de satélites tradicionais precisavam atender clientes privados e cobrar tarifas altas pela transmissão de dados. Companhias aéreas, postos de fronteira remotos, navios, zonas de conflito e infraestruturas críticas pagam cerca de 5 dólares por 1 MB, o que é 5000 vezes mais caro do que o custo da conexão tradicional ADSL, e isso apesar da latência na transmissão de dados e da largura de banda relativamente baixa da conexão via satélite.
O Starlink planeja competir com provedores de serviços terrestres, o que significa que deverá entregar dados a um custo menor e, idealmente, cobrar bem menos de 1 dólar por 1 MB. Isso é possível? Ou, se é possível, a pergunta é: como isso é possível?
O primeiro ingrediente do novo prato é o lançamento barato. Atualmente, o Falcon vende um lançamento de 24 toneladas por cerca de 60 milhões de dólares, ou seja, 2500 dólares por 1 kg. Contudo, há muitos mais custos internos envolvidos. Os satélites Starlink serão lançados em foguetes reutilizáveis, de modo que os custos marginais de um lançamento são o custo de um novo estágio superior (cerca de 4 milhões de dólares), dos carenagens (1 milhão) e da manutenção em solo (~1 milhão). Totalizando: cerca de 100 mil dólares por satélite, ou seja, mais de 1000 vezes mais barato do que o lançamento de um satélite de comunicação convencional.
A maioria dos satélites Starlink, no entanto, será lançada no Starship. E, de fato, a evolução do Starlink, como mostram os relatórios atualizados na FCC, apresenta algumas a arquitetura interna do projeto. O número total de satélites na constelação aumentou de 1.584 para 2.825, depois para 7.518 e, finalmente, para 30.000. Se acreditarmos nas estimativas brutas, o número é ainda maior. O número mínimo de satélites para a primeira fase de desenvolvimento, para que o projeto seja viável, é de 60 em 6 órbitas (totalizando 360), enquanto para uma cobertura completa dentro de 53 graus do equador, são necessárias 24 órbitas com 60 satélites (totalizando 1.440). Isso representa 24 lançamentos para o Falcon por cerca de 150 milhões de dólares em custos internos. O Starship, por sua vez, está projetado para lançar até 400 satélites de uma só vez, aproximadamente pelo mesmo custo. Os satélites Starlink precisam ser substituídos a cada 5 anos, portanto, 6.000 satélites exigirão 15 lançamentos do Starship por ano. Isso custará cerca de 100 milhões por ano, ou 15 mil por satélite. Cada satélite lançado pelo Falcon pesa 227 kg; os satélites lançados pelo Starship poderiam pesar até 320 kg e carregar equipamentos adicionais, serem um pouco maiores e ainda não exceder a carga máxima permitida.
Do que é composta a costura dos satélites? Entre os colegas, os satélites Starlink são um tanto incomuns. Eles são montados, armazenados e lançados em forma plana, tornando a produção em massa excepcionalmente simples. A experiência mostra que o custo de produção deve ser aproximadamente igual ao custo do lançamento. Se a diferença de preço for grande, significa que os recursos estão sendo mal distribuídos, pois a redução percentual dos custos marginais durante a redução de despesas não é tão grande assim. É realmente viável ter 100 mil dólares por satélite na primeira leva de algumas centenas? Em outras palavras, será que o satélite Starlink não é mais complexo em construção do que um carro?
Para responder completamente a esta pergunta, é preciso entender por que o custo de um satélite de comunicação em órbita é mil vezes maior, mesmo que não seja mil vezes mais complexo. Se formos simplificar, por que o "hardware" espacial é tão caro? Existem muitas razões para isso, mas a mais convincente é a seguinte: se o lançamento de um satélite em órbita (antes do Falcon) custa mais de 100 milhões, ele deve funcionar garantidamente por muitos anos — para gerar algum lucro. Garantir essa confiabilidade no funcionamento do primeiro e único produto é um processo doloroso e pode levar anos, exigindo o esforço de centenas de pessoas. Adicione a isso os custos, e fica fácil justificar os processos adicionais, já que o lançamento é caro por si só.
O Starlink quebra essa paradigma, criando centenas de satélites, corrigindo rapidamente as falhas iniciais no design e utilizando técnicas de produção em massa para controlar os custos. Pessoalmente, consigo facilmente imaginar uma linha de montagem do Starlink, onde um técnico integra algo novo na estrutura e fixa tudo com uma abraçadeira plástica (do nível da NASA, é claro) em uma ou duas horas, mantendo o nível necessário de 16 satélites/dia. O satélite Starlink é composto por muitas peças complicadas, mas não vejo razões para que o custo do milésimo unidade que sai da linha de montagem não possa ser reduzido para 20 mil. De fato, em maio, Elon Tweetou que o custo de produção de um satélite já é inferior ao custo de lançamento.
Vamos pegar um caso médio e analisar o tempo de retorno do investimento, arredondando os números. Um satélite Starlink, cujo custo de montagem e lançamento é de 100 mil, funciona por 5 anos. Ele se pagará e, se sim, quanto tempo levará?
Em 5 anos, um satélite Starlink dará 30.000 voltas ao redor da Terra. Em cada uma dessas órbitas de uma hora e meia, ele passará a maior parte do tempo sobre o oceano e, provavelmente, 100 segundos sobre uma cidade densamente povoada. Nesse curto intervalo, ele transmite dados, apressando-se para ganhar dinheiro. Supondo que a antena suporte 100 feixes e cada feixe transmita 100 Mb/seg., usando uma codificação moderna do tipo , o satélite gera 1000 dólares de lucro por volta — com um preço de assinatura de 1 dólar por 1 Gb. Isso é suficiente para recuperar em uma semana o custo de implantação de 100 mil e simplifica bastante a estrutura de capital. Os 29.900 ciclos restantes são lucro, descontadas as despesas fixas.
Os números estimados podem variar bastante, para mais ou para menos. Mas, de qualquer forma, se você conseguir colocar em órbita baixa um grupo de satélites de qualidade por 100.000 — ou até mesmo por 1 milhão/uni., — isso é uma ameaça séria. Mesmo considerando o tempo de uso risivelmente curto, o satélite Starlink pode entregar 30 Pb de dados durante seu período de operação — com um custo amortizado de 0,003 dólares por 1 Gb. Além disso, ao transmitir para distâncias maiores, os custos marginais praticamente não aumentam.
Para entender a importância deste modelo, vamos rapidamente compará-lo com outros dois modelos de entrega de dados aos consumidores: o tradicional — fibra óptica, e o grupo de satélites oferecido por uma empresa que não se especializa em lançamentos de satélites.
, conectando a França e Cingapura, foi colocado em operação em 2005. A largura de banda é de 1,28 Tb/s, e o custo de implantação foi de 500 milhões de dólares. Se operar a 100% de capacidade durante 10 anos, e as despesas gerais forem 100% dos custos de capital, o preço de transmissão será de 0,02 dólares por 1 Gb. Os cabos transatlânticos são mais curtos e um pouco mais baratos, no entanto, o cabo submarino é apenas uma entidade em uma longa cadeia de pessoas que querem dinheiro pela transmissão de dados. A estimativa média para o Starlink acaba sendo 8 vezes mais barata, e eles têm tudo incluído.
Como isso é possível? O satélite Starlink inclui todo o hardware complexo necessário para a comutação eletrônica, que é preciso para conectar cabos de fibra óptica, apenas que, em vez de um caro e frágil fio, utiliza-se o vácuo para a transmissão de dados. A transmissão pelo espaço cósmico reduz o número de monopólios confortáveis e obsoletos, permitindo que os usuários se conectem com ainda menos "equipamento".
Vamos comparar com o desenvolvedor concorrente de satélites OneWeb. A OneWeb planeja criar uma constelação de 600 satélites, que serão lançados através de fornecedores comerciais a um custo de aproximadamente 20.000 dólares por 1 kg. O peso de um satélite é de 150 kg, ou seja, em condições ideais, o lançamento de uma unidade custará cerca de 3 milhões. O custo do "hardware" do satélite é estimado em 1 milhão por satélite, portanto, até 2027, o custo total da constelação será de 2,6 bilhões. Os testes realizados pela OneWeb mostraram uma capacidade de 50 Mb/s no pico, idealmente, para cada um dos 16 feixes. Seguindo o mesmo padrão que usamos para calcular o custo do Starlink, obtemos: cada satélite da OneWeb gera 80 dólares por órbita, e ao todo, em 5 anos, trará 2,4 milhões — mal cobrindo os custos de lançamento, se contarmos também a transmissão de dados para regiões remotas. No total, temos 1,70 dólares por 1 GB.
Recentemente, citaram as palavras de Gwynne Shotwell sobre que , o que implica um preço competitivo de 0,10 dólares por 1 GB. E isso ainda na configuração inicial do Starlink: com produção menos otimizada, lançamento no Falcon e limitações na transmissão de dados — e apenas com cobertura do norte dos EUA. Assim, a SpaceX tem uma vantagem inegável: já hoje eles podem lançar um satélite muito mais capaz a um custo (por unidade) 15 vezes mais baixo que o dos concorrentes. O Starship aumentará essa vantagem em 100 vezes, se não mais, então não é difícil imaginar que, até 2027, a SpaceX lançará 30.000 satélites por menos de 1 bilhão de dólares, a maior parte da qual eles garantem de seu próprio bolso.
Estou certo de que existem análises mais otimistas sobre a OneWeb e outros desenvolvedores promissores de constelações de satélites, mas ainda não sei como eles estão organizados.
Recentemente, Morgan Stanley , que os satélites Starlink custarão 1 milhão para a montagem e 830 mil para o lançamento. . Curiosamente, os números são semelhantes aos nossos cálculos sobre os custos da OneWeb e, grosso modo, 10 vezes maiores que a estimativa da versão inicial do Starlink. O uso do Starship e da fabricação em massa de satélites pode reduzir o custo de implantação de satélites para cerca de 35 mil por unidade. E isso é um número incrivelmente baixo.
Resta apenas um ponto — comparar o lucro por 1 W de energia solar gerada para o Starlink. Segundo fotos em seu site, o painel solar de cada satélite possui uma área de cerca de 60 m², ou seja, em média, gera cerca de 3 kW ou 4,5 kWh por órbita. A estimativa é que cada órbita produza 1000 dólares, e cada satélite gera cerca de 220 dólares por kWh. Isso é 10.000 vezes o preço de atacado da energia solar, o que confirma mais uma vez: . E a modulação de micro-ondas para transmissão de dados é um custo adicional exorbitante.
Arquitetura
Na seção anterior, eu apresentei de forma bastante abrupta uma parte não trivial da arquitetura do Starlink — como ela funciona com a densidade populacional extremamente desigual do planeta. O satélite Starlink emite feixes focados que formam manchas na superfície do planeta. Os assinantes dentro da mancha compartilham uma largura de banda. As dimensões da mancha são determinadas pela física fundamental: sua largura inicial é (altura do satélite x comprimento da micro-onda / diâmetro da antena), o que para o satélite Starlink, no melhor dos casos, é de apenas alguns quilômetros.
Na maioria das cidades, a densidade populacional é de cerca de 1000 pessoas/km², embora em algumas áreas possa ser maior. Em algumas partes de Tóquio ou em Manhattan, uma mancha pode abranger mais de 100.000 pessoas. Felizmente, em qualquer cidade densamente povoada, há um mercado interno competitivo de internet de banda larga, sem mencionar uma rede de telefonia móvel altamente desenvolvida. Mas, de qualquer forma, se em algum momento um grande número de satélites de um único grupo estiver sobre a cidade, a capacidade pode ser aumentada por meio de um espaçamento espacial das antenas, assim como pela distribuição de frequências. Em outras palavras, dezenas de satélites podem concentrar o feixe mais poderoso em um só ponto, e os usuários dessa região utilizarão terminais terrestres que distribuirão os pedidos entre os satélites.
Se nos estágios iniciais o mercado mais adequado para serviços são áreas remotas, rurais ou suburbanas, os recursos para lançamentos futuros virão de serviços de maior qualidade para cidades densamente povoadas. O cenário é diretamente oposto ao padrão de expansão do mercado, onde serviços concorrentes direcionados a cidades inevitavelmente enfrentam queda de lucro à medida que tentam expandir para áreas mais pobres e menos povoadas.
Alguns anos atrás, quando fiz os cálculos, .
Eu peguei os dados desta imagem e elaborei 3 gráficos abaixo. O primeiro mostra a frequência da área terrestre por densidade de população. O mais interessante é que a maior parte da Terra está realmente despovoada, enquanto praticamente nenhuma região possui mais de 100 hab./km².
O segundo gráfico demonstra a frequência de pessoas por densidade populacional. E embora a maior parte do planeta não esteja povoada, a maior parte das pessoas vive em áreas onde há de 100 a 1000 pessoas por km². A natureza ampliada desse pico (muito mais) reflete a bimodalidade nos padrões de urbanização. 100 hab./km² é uma área rural relativamente pouco habitada, enquanto a cifra de 1000 hab./km² já é característica de áreas suburbanas. Os centros das cidades facilmente mostram 10.000 hab./km², enquanto a população de Manhattan chega a 25.000 hab./km².
O terceiro gráfico mostra a densidade populacional por latitude. É evidente que quase todas as pessoas estão concentradas entre 20 e 40 graus de latitude norte. Assim, em grande medida, essa configuração se formou geográfica e historicamente, já que uma enorme parte do hemisfério sul é ocupada pelo oceano. E ainda assim, tal densidade populacional é um desafio assustador para os arquitetos de agrupamentos, pois em ambos os hemisférios os satélites passam o mesmo tempo. Além disso, um satélite que orbita a Terra a um ângulo, digamos, de 50 graus, passará mais tempo mais próximo das respectivas latitudes. É por isso que a Starlink precisa de apenas 6 órbitas para atender ao norte dos EUA, enquanto 24 são necessárias para cobrir o equador.
De fato, se sobrepusermos o gráfico de densidade populacional ao gráfico de densidade de satélites, a escolha das órbitas se torna óbvia. Cada histograma representa um dos quatro relatórios da SpaceX no FCC. Pessoalmente, sinto que cada novo relatório é como uma versão aprimorada do anterior, mas, de qualquer forma, não é difícil notar como os satélites adicionais aumentam a largura de banda sobre as regiões correspondentes no hemisfério norte. Em contrapartida, uma impressionante largura de banda não utilizada permanece sobre o hemisfério sul — alegra-te, querida Austrália!
O que acontece com os dados dos usuários quando chegam ao satélite? Na versão inicial, o satélite Starlink imediatamente os retransmitia de volta para uma estação terrestre dedicada próxima às áreas de cobertura. Essa configuração é chamada de "retransmissão direta". No futuro, os satélites Starlink terão a capacidade de se comunicar entre si por meio de laser. O pico da troca de dados ocorrerá sobre cidades densamente povoadas, mas os dados poderão ser distribuídos pela rede de lasers em duas dimensões. Na prática, isso significa que existe uma enorme possibilidade de uma rede de transporte de comunicação oculta na rede de satélites, ou seja, os dados dos usuários podem ser "retransmitidos de volta à Terra" em qualquer local adequado. Na prática, parece-me que as estações terrestres da SpaceX se combinarão com fora das cidades.
Aparentemente, a comunicação entre satélites não é uma tarefa trivial, se os satélites não se movem juntos. Nos relatórios mais recentes do FCC, são mencionados 11 grupos orbitais distintos de satélites. Dentro de um grupo específico, os satélites se movem a uma mesma altitude, sob um mesmo ângulo, com a mesma excentricidade, o que significa que os lasers podem localizar os satélites nas proximidades relativamente fácil. Mas as velocidades de aproximação entre grupos são medidas em km/seg., então a comunicação entre grupos, se possível, deve ocorrer por meio de conexões de microondas curtas e rapidamente controladas.
A topologia dos grupos orbitais é como a teoria corpuscular-ondas da luz e não se relaciona muito com o nosso exemplo, mas, na minha opinião, é magnífica, por isso a incluí no artigo. Se este tópico não lhe interessa, vá diretamente para "Restrições da Física Fundamental".
O toro — ou donut — é um objeto matemático definido por dois raios. É bastante simples desenhar círculos na superfície de um toro: paralelamente ou perpendicularmente à sua forma. Pode ser interessante para você descobrir — que existem mais duas outras famílias de círculos que podem ser desenhados na superfície do toro, e ambas passam pelo buraco em seu centro e pela circunferência. Isso é o chamado. , e eu utilizei essa construção quando projetei em 2015 um toroide para a bobina de Tesla "Homem em Chamas".
E embora as órbitas dos satélites sejam, estritamente falando, elipses e não círculos, a mesma construção se aplica no caso do Starlink. O agrupamento de 4.500 satélites em vários planos orbitais, todos sob um mesmo ângulo, forma uma camada que se move continuamente sobre a superfície da Terra. A camada direcionada para o norte se desdobra acima de um ponto de latitude fixo e se move de volta para o sul. Para evitar colisões, as órbitas serão ligeiramente alongadas, de modo que a camada que se dirige para o norte ficará alguns quilômetros acima (ou abaixo) da camada que se dirige para o sul. Juntas, essas duas camadas formam um toro de forma oblata, como mostrado abaixo em um diagrama bastante exagerado.
Lembro que, dentro desse toro, a comunicação ocorre entre satélites vizinhos. De maneira geral, não há conexões diretas e prolongadas entre satélites em camadas diferentes, pois as velocidades de aproximação para a orientação a laser são extremamente altas. A trajetória de transmissão de dados entre as camadas, por sua vez, passa por cima ou por baixo do toro.
No total, 30.000 satélites estarão dispostos em 11 toros aninhados, muito aquém da órbita da ISS! Este diagrama mostra como todas essas camadas estão empacotadas, sem exagerar no excêntrismo.
E, finalmente, devemos considerar a altura ideal de operação. Existe um dilema: uma altura baixa que proporciona maior capacidade com raios menores, ou uma altura maior que cobre todo o planeta com menos satélites? Com o tempo, os relatórios da FCC da SpaceX mencionaram alturas cada vez menores, pois, à medida que se aprimora, o Starship torna possível o rápido desdobramento de grupos maiores.
Altura baixa também traz outras vantagens, incluindo um risco reduzido de colisão com detritos espaciais ou consequências negativas devido à falha de equipamentos. Devido ao aumento da resistência atmosférica, os satélites Starlink localizados mais baixos (a 330 km) irão queimar em questão de semanas após a perda de controle de orientação. De fato, 300 km é uma altura na qual os satélites raramente operam, e manter essa altitude exigirá um motor de foguete elétrico de Krypton embutido, assim como uma estrutura aerodinâmica. Teoricamente, um satélite com contorno afilado pode manter estável a altura de 160 km com motor elétrico, mas é improvável que a SpaceX lance satélites tão baixos, pois ainda há algumas táticas reservadas para aumentar a capacidade.
Limitações da física fundamental
Parece improvável que os preços para o lançamento de um satélite caiam significativamente abaixo de 35 mil, mesmo que a produção avance e seja totalmente automatizada, e que as naves Starship sejam completamente reutilizáveis. Além disso, não está claro quais limitações a física imporá ao satélite. A análise acima presume uma capacidade máxima de 80 Gb/s (arredondando para 100 raios, cada um capaz de transmitir 100 Mb/s).
O limite extremo da capacidade de canal é estabelecido em e é dado em estatísticas de largura de banda (1+SNR). A largura de banda é frequentemente limitada pelo , enquanto SNR é a energia disponível do satélite, o ruído de fundo e as interferências no canal devido à . Outro obstáculo notável é a velocidade de processamento. Os mais recentes FPGA Xilinx Ultrascale+ têm , o que é bom considerando as atuais limitações de capacidade informacional do canal sem desenvolver ASIC personalizados. Mas mesmo assim, 58 Gb/s exigirão uma distribuição significativa das frequências, provavelmente nas bandas Ka ou V. A banda V (40–75 GHz) tem ciclos mais acessíveis, mas é mais suscetível à absorção atmosférica, especialmente em áreas de alta umidade.
São práticos 100 feixes? Este problema tem dois aspectos: a largura do feixe e a densidade do elemento da matriz de antena faseada. A largura do feixe é determinada pelo comprimento de onda dividido pelo diâmetro da antena. A matriz de antena faseada digital ainda é uma tecnologia especializada, mas as dimensões úteis máximas são determinadas pela largura (aprox. 1 m), e usar comunicações por radiofrequência pode sair caro. A largura de onda na banda Ka é de cerca de 1 cm, com a largura do feixe devendo ser de 0,01 radiano — com largura de espectro em 50% da amplitude. Suponhamos que o ângulo sólido do feixe seja de 1 estereoradiano (similar ao campo de visão de uma câmera de 50 mm), então nessa área 2500 feixes individuais seriam suficientes. A linearidade implica que 2500 feixes exigiriam pelo menos 2500 elementos de antena na matriz, o que, em princípio, é viável, embora desafiador. E tudo isso vai aquecer bastante!
Completamente 2500 canais, cada um suportando 58 Gb/s, é um volume enorme de informação — grosseiramente, cerca de 145 Tb/s. Para comparação, todo o tráfego da internet em 2020 . Boas notícias para aqueles que estão preocupados com a largura de banda intrinsecamente baixa da internet por satélite. Se um grupo de 30.000 satélites estiver operacional até 2026, o tráfego global da internet pode potencialmente atingir 800 Tb/s. Se metade desse volume for fornecida por cerca de 500 satélites sobre áreas densamente povoadas em qualquer momento, a capacidade máxima de cada satélite seria de aproximadamente 800 Gb/s, o que é 10 vezes superior às nossas contagens iniciais, ou seja, o influxo de recursos pode potencialmente crescer 10 vezes.
Para um satélite em uma órbita de 330 quilômetros, um feixe de 0,01 radianos cobre uma área de 10 km². Em áreas especialmente densamente povoadas, como Manhattan, até 300.000 pessoas podem viver nessa área. E se todos eles decidirem assistir Netflix ao mesmo tempo (7 Mbps em qualidade HD)? A demanda total de dados seria de 2000 GB/s, cerca de 35 vezes superior ao rigoroso limite atual imposto pela interface FPGA de saída serial. Dentre essa situação, existem duas saídas, das quais apenas uma é fisicamente viável.
A primeira é lançar mais satélites em órbita, para que, a qualquer momento, haja mais de 35 acima das áreas com alta demanda. Se tomarmos novamente 1 estereorradiano para uma seção aceitável do céu e uma altitude orbital média de 400 km, obtemos uma densidade de agrupamento de 0,0002/km², ou 100.000 ao todo — se distribuídos uniformemente por toda a superfície da Terra. Lembrando que as órbitas selecionadas da SpaceX aumentam drasticamente a densidade de cobertura sobre áreas densamente povoadas entre 20–40 graus de latitude norte, e já o número de 30.000 satélites parece mágico.
A segunda ideia é muito mais interessante, mas, infelizmente, irrealizável. Lembrando que a largura do feixe é determinada pela largura da matriz de antenas faseadas. E se várias matrizes em diferentes satélites unirem suas potências, criando um feixe mais estreito — assim como telescópios de rádio como o (Very Large Array)? Este método enfrenta um desafio: a base entre os satélites precisaria ser calculada com precisão — até o submilímetro — para estabilizar a fase do feixe. E mesmo que isso fosse possível, o feixe resultante dificilmente manteria lóbulo lateral, devido à baixa densidade do agrupamento de satélites no céu. No chão, a largura do feixe seria reduzida a alguns milímetros (suficiente para rastrear uma antena de celular), mas haveria milhões delas — devido ao fraco zero intermediário. Obrigado .
Descobriu-se que a separação de canais por dispersão angular — já que os satélites estão espaçados no céu — proporciona melhorias adequadas na capacidade sem violar as leis da física.
Aplicação
Qual é o perfil dos clientes da Starlink? Por padrão, são centenas de milhões de usuários que têm antenas do tamanho de uma caixa de pizza nos telhados de suas casas, mas também existem outras fontes de receita alta.
Em áreas remotas e rurais, as estações terrestres não precisam de redes de antenas faseadas para maximizar a largura do feixe, portanto, é possível utilizar um dispositivo de assinatura menor: desde rastreadores de ativos IoT até telefones por satélite portáteis, sinalizadores de emergência ou dispositivos científicos para monitoramento de animais.
Em ambientes urbanos densamente povoados, a Starlink fornecerá uma rede de transporte primária e de backup para a rede celular. Uma estação terrestre de alto desempenho pode ser instalada no topo de cada torre de celular, mas utilizando fontes de energia terrestre para reforçar e transmitir através da "última milha".
E, finalmente, mesmo em áreas superlotadas, durante o lançamento inicial, há a possibilidade de usar satélites de baixa órbita com latência excepcionalmente mínima. As empresas financeiras estão dispostas a lhe oferecer grandes quantias de dinheiro — apenas para obter dados vitais de forma um pouco mais rápida de todos os cantos do mundo. E mesmo que os dados transmitidos pela Starlink percorram um caminho mais longo — através do espaço — a velocidade da luz no vácuo é 50% superior à do vidro de quartzo, o que mais que compensa a diferença ao transmitir em maiores distâncias.
Consequências negativas
A última seção aborda as consequências negativas. O objetivo do artigo é libertá-lo de equívocos sobre o projeto, e as potenciais consequências negativas da controvérsia são as que mais preocupam. Apresentarei algumas informações, evitando interpretações excessivas. Afinal, não sou vidente, e não tenho informações privilegiadas da SpaceX.
Na minha opinião, as consequências mais sérias vêm do acesso ampliado à internet. Mesmo na minha cidade natal, Pasadena, um agitado e tecnicamente avançado município de um milhão de habitantes, que abriga vários observatórios, uma universidade de classe mundial e o maior centro da NASA, as opções em serviços de internet são bastante limitadas. Nos Estados Unidos e no resto do mundo, a internet se transformou em um serviço básico orientado à renda, onde os provedores buscam arrecadar 50 milhões de dólares por mês em um ambiente acolhedor e não competitivo. Talvez qualquer serviço fornecido a apartamentos e casas residenciais seja um serviço público, mas a qualidade dos serviços de internet é muito mais incerta do que a de água, eletricidade ou gás.
O problema do status quo é que, ao contrário de água, eletricidade ou gás, a internet ainda é jovem e está em rápida evolução. Estamos sempre encontrando novas aplicações para ela. O mais revolucionário ainda não foi descoberto, mas os planos de pacotes sufocam a capacidade de concorrência e inovação. Bilhões de pessoas permanecem de fora por causa das circunstâncias de seu nascimento, ou porque seu país está muito longe da grande rota dos cabos submarinos. Em grandes regiões do planeta, a internet ainda é entregue por satélites geoestacionários, a preços exorbitantes.
Starlink, por outro lado, que fornece internet constantemente do céu, desafia esse modelo. Não conheço outra maneira melhor de conectar bilhões de pessoas à internet. A SpaceX está se tornando um provedor de internet e, potencialmente, uma empresa de internet que pode competir com Google e Facebook. Aposto que você nem havia pensado nisso.
Que a internet via satélite é a melhor opção, não é óbvio. A SpaceX, e somente a SpaceX, está em uma posição para rapidamente criar uma vasta constelação de satélites, pois só ela passou uma década quebrando o monopólio governamental-militar no lançamento de espaçonaves. Mesmo que a Iridium tivesse superado o mercado de telefonia celular dez vezes, ela ainda assim não teria alcançado uma ampla adoção usando plataformas de lançamento tradicionais. Sem a SpaceX e seu modelo de negócios único, é bem provável que a internet via satélite global simplesmente nunca aconteça.
O segundo grande impacto será na astronomia. Após o lançamento dos primeiros 60 satélites Starlink, uma onda de críticas surgiu da comunidade astronômica internacional, apontando que a quantidade aumentada de satélites obstruirá o acesso ao céu noturno. Existe um ditado: entre os astrônomos, quem tem o telescópio maior é considerado o melhor. Sem exagero, fazer astronomia na era moderna é uma tarefa extremamente difícil, assemelha-se a uma luta incessante para melhorar a qualidade da análise diante do crescente poluição luminosa e outras fontes de ruído.
Menos ainda um astrônomo precisa de milhares de satélites brilhantes piscando no foco do telescópio. De fato, a primeira constelação Iridium ganhou má fama por causar 'brilhamentos' devido aos grandes painéis que refletiam a luz solar em pequenas áreas da Terra. Houve ocasiões em que eles alcançaram o brilho de um quarto da Lua e, por vezes, até danificaram acidentalmente sensores astronômicos sensíveis. Não são infundadas as preocupações de que a Starlink invadirá as faixas de rádio utilizadas na radioastronomia.
Se você baixar um aplicativo para rastrear satélites, poderá ver dezenas de satélites voando no céu em uma noite clara. Os satélites são visíveis após o pôr do sol e antes do amanhecer, mas apenas quando iluminados pelos raios solares. Mais tarde, durante a noite, os satélites ficam invisíveis à sombra da Terra. Pequenos e extremamente distantes, movem-se muito rapidamente. Há uma chance de que eles cubram uma estrela distante por menos de um milissegundo, mas, penso eu, até detectar isso é um grande aborrecimento.
Uma forte preocupação em relação ao brilho do céu surgiu porque a primeira leva de satélites foi posicionada próxima ao terminador da Terra, ou seja, noite após noite, a Europa — e isso aconteceu no verão — observou uma cena épica de satélites cruzando o céu ao anoitecer. Além disso, simulações baseadas em relatórios do FKC mostraram que os satélites na órbita a 1150 km ainda seriam visíveis mesmo após o término do crepúsculo astronômico. Na verdade, o crepúsculo passa por três estágios: civil, náutico e astronômico, ou seja, quando o sol está a 6, 12 e 18 graus abaixo da linha do horizonte, respectivamente. No final do crepúsculo astronômico, os raios solares estão aproximadamente a 650 km da superfície no zênite, bem acima da atmosfera e da maior parte da órbita terrestre baixa. Com base nos dados do , acredito que todos os satélites serão posicionados a uma altitude inferior a 600 km. Nesse caso, eles poderão ser vistos durante o crepúsculo, mas não após a chegada da noite, o que reduzirá significativamente as possíveis consequências para a astronomia.
O terceiro problema é o lixo orbital. No eu apontei que satélites e lixo abaixo de 600 km reentrarão na atmosfera dentro de alguns anos — devido à resistência atmosférica, diminuindo bastante a possibilidade do síndrome de Kessler. A SpaceX está lidando com isso como se não pensasse em lixo espacial algum. Aqui estou revisando os detalhes da implementação do Starlink, e me é difícil imaginar uma maneira melhor de reduzir a quantidade de lixo na órbita.
Os satélites são elevados a 350 km, e então partem para a órbita designada usando motores internos. Qualquer satélite que falhe durante o lançamento descerá à órbita em algumas semanas e não ficará vagando por aí nos próximos milhares de anos. Essa configuração estrategicamente implica testes para uma reentrada livre. Além disso, os satélites Starlink têm seção transversal plana, o que significa que, ao perder o controle de altitude, eles entram nas camadas densas da atmosfera.
Poucos sabem que a SpaceX se tornou pioneira na exploração espacial ao começar a usar métodos alternativos de fixação em vez de propulsores pirotécnicos. Praticamente todas as plataformas de lançamento utilizam propulsores pirotécnicos para implantar estágios, satélites, carenagens e afins, aumentando assim a quantidade potencial de detritos. Além disso, a SpaceX intencionalmente remove os estágios superiores da órbita, evitando que eles fiquem vagando pelo espaço eternamente, para que não se deteriorem e se desintegrem em um ambiente espacial hostil.
E, finalmente, o último problema que gostaria de mencionar é a possibilidade de a SpaceX substituir o atual monopólio da internet ao criar o seu próprio. Em seu nicho, a SpaceX já monopolizou os lançamentos. Apenas o desejo de governos concorrentes de garantir acesso ao espaço impede a aposentadoria de foguetes caros e obsoletos, frequentemente construídos por grandes contratantes monopolistas do setor de defesa.
Não é tão difícil imaginar que, em 2030, a SpaceX comece a lançar 6000 de seus satélites anualmente, além de alguns satélites espiões — por uma questão de tradição. Os satélites baratos e confiáveis da SpaceX estarão oferecendo 'espaços para equipamentos' de terceiros. Qualquer universidade que crie uma câmera utilizável no espaço poderá colocá-la em órbita sem ter que arcar com os custos de construção de toda uma plataforma espacial. Com esse acesso avançado e ilimitado ao espaço, a Starlink já é associada a satélites, enquanto os fabricantes históricos desaparecem.
Na história, há exemplos de empresas visionárias que ocuparam um nicho tão grande no mercado que seus nomes se tornaram genéricos: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
O problema pode surgir quando a empresa pioneira adota práticas anticompetitivas para manter sua participação no mercado, embora isso muitas vezes não seja proibido desde a era do presidente Reagan. A SpaceX pode manter o monopólio da Starlink, forçando outros desenvolvedores de constelações de satélites a lançarem seus satélites em antigos foguetes soviéticos. Ações semelhantes foram empreendidas , juntamente com a fixação dos preços de transporte de correio, levou-a ao colapso em 1934. Felizmente, a SpaceX dificilmente manterá uma monopolização absoluta de foguetes reutilizáveis para sempre.
Outra preocupação é que a implantação de dezenas de milhares de satélites da SpaceX em órbita baixa pode ser projetada como uma coaptação do patrimônio comum. Uma empresa privada, buscando lucro pessoal, poderá apropriar-se permanentemente de posições orbitais que antes eram de acesso público e não ocupadas. Embora as inovações da SpaceX tenham realmente permitido gerar receita no vácuo, a maior parte do capital intelectual da SpaceX foi construída com bilhões de dólares do orçamento destinado a pesquisas.
Por um lado, são necessárias leis que protejam os investimentos privados, pesquisas e desenvolvimentos. Sem essa proteção, os inovadores não conseguirão financiar projetos ambiciosos ou poderão transferir suas empresas para lugares onde essa proteção está assegurada. De qualquer forma, o público sofre, pois não há formação de lucro. Por outro lado, é necessário que existam leis que protejam as pessoas, os proprietários nominalmente dos bens comuns, incluindo o céu — de entidades privadas orientadas para a renda, que anexam bens públicos. Uma coisa ou outra, sozinhas, não são justas nem mesmo possíveis. As inovações da SpaceX oferecem a chance de encontrar um meio-termo nesse novo mercado. Saberemos que isso foi encontrado quando maximizarmos a frequência de inovações e a formação de riqueza pública.
Pensamentos finais
Escrevi este artigo assim que terminei outro — . Foi uma semana intensa. Tanto a Starship quanto a Starlink são tecnologias revolucionárias que estão sendo desenvolvidas diante de nossos olhos, em nossas vidas. Quando eu vir meus netos crescerem, eles estarão mais surpresos por eu ser mais velho que a Starlink do que pelo fato de que na minha infância não havia celulares (exemplares de museu) ou internet acessível como um todo.
Os ricos e os militares já estão usando internet via satélite há muito tempo, mas uma Starlink geral, acessível e barata sem a Starship é simplesmente impossível.
Fala-se há muito sobre o lançamento, mas a Starship, que é uma plataforma bastante barata e interessante, não é viável sem a Starlink.
A exploração espacial com tripulação é um tema debatido há muito tempo, e se você é um , então você está com luz verde. Com o Starship e o Starlink, a exploração espacial pelo ser humano é um futuro alcançável e próximo, onde a distância entre um posto orbital e cidades industrializadas no espaço profundo é mínima.
Fonte: habr.com
