Este artigo é de uma série sobre .
- O plano da SpaceX de distribuir a Internet por dezenas de milhares de satélites é o principal assunto da imprensa espacial. Artigos sobre as últimas conquistas são publicados semanalmente. Se, em geral, o esquema estiver claro, mas após a leitura , uma pessoa bem motivada (digamos, sinceramente) pode desenterrar muitos detalhes. No entanto, ainda existem muitos equívocos associados a esta nova tecnologia, mesmo entre observadores esclarecidos. Não é incomum ver artigos comparando Starlink com OneWeb e Kuiper (entre outros) como se estivessem competindo em igualdade de condições. Outros autores, claramente preocupados com o bem do planeta, clamam por detritos espaciais, lei espacial, normas e segurança da astronomia. Espero que depois de ler este artigo - bastante longo - o leitor entenda e sinta melhor a ideia do Starlink.
inesperadamente tocou uma corda sensível nas almas de meus poucos leitores. Nele, expliquei como a Starship colocaria a SpaceX na liderança por muito tempo e ao mesmo tempo forneceria um mecanismo para uma nova exploração espacial. A implicação é que a indústria tradicional de satélites não consegue acompanhar a SpaceX, que está constantemente aumentando a capacidade e cortando custos na família de foguetes Falcon, colocando a SpaceX em uma posição difícil. Por um lado, formou um mercado que vale, na melhor das hipóteses, vários bilhões por ano. Por outro lado, despertou em si um apetite irreprimível por dinheiro - pela construção de um enorme foguete, no qual, porém, quase não há ninguém para enviar a Marte, e nenhum lucro imediato pode ser esperado.
A solução para esse problema duplo é o Starlink. Ao montar e lançar seus próprios satélites, a SpaceX poderia criar e definir um novo mercado para acesso altamente eficiente e democratizado a comunicações baseadas no espaço, garantir financiamento para construir um foguete antes que ele afogue a empresa e aumentar seu valor econômico para trilhões. Não subestime a escala das ambições de Elon. No total, não existem tantos setores onde trilhões de dólares estão girando: energia, transporte de alta velocidade, comunicações, TI, saúde, agricultura, governo, defesa. Apesar dos equívocos comuns, , и O negócio não é viável. Elon invadiu a indústria de energia com seu Tesla, mas apenas as telecomunicações fornecerão um mercado confiável e amplo para satélites e lançamentos de foguetes.
Pela primeira vez, Elon Musk voltou os olhos para o espaço quando quis doar US$ 80 milhões para uma missão de cultivo de plantas em uma sonda marciana. Provavelmente custaria 100 vezes mais construir uma cidade em Marte, então Starlink é a principal aposta de Musk para garantir um mar de dinheiro de patrocínio tão necessário. .
Para quê?
Venho planejando este artigo há muito tempo, mas só na semana passada tive um quadro completo. Então, o presidente da SpaceX, Gwynn Shotwell, deu a Rob Baron uma ótima entrevista, que mais tarde ele cobriu para a CNBC em um grande Michael Schitz, e a quem dedicaram . Esta entrevista mostrou uma enorme diferença nas abordagens das comunicações por satélite entre a SpaceX e todos os outros.
Conceito nasceu em 2012, quando a SpaceX percebeu que seus clientes - principalmente provedores de satélite - tinham enormes reservas de dinheiro. As plataformas de lançamento estão aumentando os preços para a implantação de satélites e, ao fazê-lo, de alguma forma, perdendo uma etapa do trabalho - por que? Elon sonhava em criar uma constelação de satélites para a Internet e, não conseguindo resistir a uma tarefa quase impossível, girou o processo. Desenvolvimento de Starlink , mas ao final deste artigo, você, meu leitor, provavelmente ficará surpreso com o quão pequenas essas dificuldades realmente são, dada a abrangência da ideia.
Um agrupamento tão grande é realmente necessário para a Internet? E por que agora?
É apenas em minha memória que a Internet evoluiu de mimos puramente acadêmicos para a primeira e única infraestrutura revolucionária. Este não é um tópico que vale a pena dedicar em um artigo extenso, mas vou assumir que, globalmente, a necessidade da Internet e a renda que ela gera continuarão a crescer cerca de 25% ao ano.
Hoje, quase todos nós obtemos a Internet de um pequeno número de monopólios geograficamente isolados. Nos EUA, AT&T, Time Warner, Comcast e um punhado de players menores dividiram o território para evitar a competição, disputam três skins por serviços e se banham nos raios do ódio quase universal.
Os ISPs têm um bom motivo para comportamento não competitivo, além da ganância que tudo consome. Construir a infraestrutura para a internet – torres de celular de micro-ondas e fibra ótica – é muito, muito caro. É fácil esquecer a natureza maravilhosa da Internet. Minha avó foi trabalhar pela primeira vez na Segunda Guerra Mundial como sinaleiro e, em seguida, o telégrafo competiu pelo papel estratégico de liderança com os pombos-correio! Para a maioria de nós, a supervia da informação é algo efêmero, intangível, mas os bits viajam pelo mundo físico, que tem fronteiras, rios, montanhas, oceanos, tempestades, desastres naturais e outros obstáculos. Em 1996, quando a primeira linha de fibra ótica foi colocada no fundo do oceano, . Com seu estilo marcante, ele descreve vividamente o custo e a complexidade de colocar essas linhas, ao longo das quais os malditos “kotegas” ainda são usados de qualquer maneira. Durante a maior parte dos anos 2000, o cabo foi puxado tanto que o custo de implantação foi surpreendente.
Certa vez, trabalhei em um laboratório óptico e (se não me falha a memória) quebramos o recorde da época emitindo uma taxa de transmissão multiplex de 500 Gb / s. As limitações eletrônicas permitiram que cada fibra fosse carregada em 0,1% da largura de banda teórica. Quinze anos depois, estamos prontos para ultrapassar o limite: se a transferência de dados for além, a fibra derreterá e já estamos muito próximos disso.
Mas é necessário elevar o fluxo de dados acima da terra pecaminosa - para o espaço, onde o satélite gira em torno da "bola" 30 vezes em cinco anos. Uma solução óbvia, ao que parece - então por que ninguém a tomou antes?
A constelação de satélites Iridium, desenvolvida e implantada no início da década de 1990 pela Motorola (ainda se lembra deles?), tornou-se a primeira rede global de comunicações em órbita baixa (como tentadoramente descrito em ). No momento em que foi implantado, a capacidade de nicho para rotear pequenos pacotes de dados de rastreadores de ativos era seu único uso: os telefones celulares eram tão baratos que os telefones via satélite nunca chegaram. O Iridium tinha 66 satélites (mais alguns sobressalentes) em 6 órbitas - o mínimo definido para cobrir todo o planeta.
Se 66 satélites fossem suficientes para o Iridium, por que a SpaceX precisava de dezenas de milhares? Por que ela é tão diferente?
A SpaceX entrou neste negócio pelo lado oposto - começou com lançamentos. Tornou-se um pioneiro no campo da preservação de veículos de lançamento e, assim, conquistou o mercado de plataformas de lançamento baratas. Tentar superá-los com um preço mais baixo não renderá muito dinheiro, então a única maneira de lucrar com o excesso de capacidade é se tornar um cliente. Gastos da SpaceX para lançar seus próprios satélites - (por 1 kg) Iridium e, portanto, podem entrar em um mercado muito mais amplo.
A cobertura mundial da Starlink fornecerá a você acesso à Internet de alta qualidade em qualquer lugar do mundo. Pela primeira vez, a disponibilidade da Internet não dependerá da proximidade de um país ou cidade a uma linha de fibra ótica, mas da pureza do céu acima. Usuários de todo o mundo terão acesso a uma internet global livre de grilhões, independentemente de seus próprios graus variados de monopólios governamentais ruins e/ou desonestos. A capacidade da Starlink de quebrar esses monopólios está catalisando mudanças positivas de incrível magnitude que finalmente unirão bilhões de pessoas na comunidade cibernética global do futuro.
Uma pequena digressão lírica: o que isso significa?
Para as pessoas que crescem hoje em uma era de conectividade onipresente, a internet é como o ar que respiramos. Ele simplesmente é. Mas isso - se você esquecer seu incrível poder de trazer mudanças positivas - e já estamos no centro deles. Com a ajuda da Internet, as pessoas podem chamar seus líderes para prestar contas, se comunicar com outras pessoas do outro lado do mundo, compartilhar pensamentos, inventar algo novo. A Internet une a humanidade. A história das atualizações é a história da evolução dos recursos de compartilhamento de dados. Primeiro, por meio de discursos e poesias épicas. Então - em uma carta que dá voz aos mortos, e eles se voltam para os vivos; a escrita permite que os dados sejam armazenados e possibilita a comunicação assíncrona. A imprensa escrita colocou a produção de notícias em andamento. Comunicação eletrônica - acelerou a transferência de dados em todo o mundo. Dispositivos de anotações pessoais tornaram-se gradualmente mais complexos, evoluindo de notebooks para telefones celulares, cada um dos quais é um computador conectado à Internet, repleto de sensores e melhorando a cada dia a previsão de nossas necessidades.
Uma pessoa que usa a escrita e um computador no processo de cognição tem mais chances de superar as limitações de um cérebro imperfeitamente desenvolvido. Ainda mais encorajador, os telefones celulares são dispositivos de armazenamento poderosos e um mecanismo para troca de ideias. Se antes as pessoas, compartilhando pensamentos, confiavam no discurso que esboçavam em cadernos, hoje é a norma se os próprios cadernos compartilham ideias que as pessoas geraram. O esquema tradicional sofreu uma inversão. A continuação lógica do processo é alguma forma de metacognição coletiva, por meio de dispositivos pessoais, e relacionados entre si. E embora ainda possamos sentir saudades de nossa conexão perdida com a natureza e a solidão, é importante lembrar que a tecnologia, e somente a tecnologia, é responsável pela maior parte de nossa libertação dos ciclos "naturais" de ignorância, morte prematura (que podem ser evitados), violência, fome e cárie dentária.
Como?
Vamos falar sobre o modelo de negócios e a arquitetura do projeto Starlink.
Para que a Starlink se torne uma empresa lucrativa, a entrada de recursos deve exceder os custos de construção e operação. Tradicionalmente, o investimento de capital envolveu aumento dos custos iniciais, o uso de financiamento especializado sofisticado e mecanismos de seguro, e tudo para lançar um satélite. Um satélite de comunicações geoestacionário pode custar US$ 500 milhões e levar cinco anos para ser construído e lançado. Portanto, as empresas nesta área estão construindo simultaneamente navios a jato ou porta-contêineres. Despesas enormes, uma entrada de fundos que mal cobre os custos de financiamento e um orçamento operacional relativamente pequeno. Em contraste, o fracasso do Iridium original foi que a Motorola forçou a operadora a pagar uma taxa de licença matadora, levando a empresa à falência em apenas alguns meses.
Para administrar esse negócio, as empresas de satélite tradicionais precisavam atender a clientes particulares e cobrar altas taxas de dados. Companhias aéreas, postos avançados remotos, navios, zonas de guerra e locais de infraestrutura chave pagam cerca de US$ 5 por MB, o que é 1 vezes o custo do ADSL tradicional, apesar da latência de dados e largura de banda de satélite relativamente baixa.
A Starlink planeja competir com provedores de serviços terrestres, o que significa que terá que entregar dados mais baratos e, idealmente, cobrar bem menos de US$ 1 por 1 MB. É possível? Ou, já que isso é possível, deve-se perguntar: como isso é possível?
O primeiro ingrediente do novo prato é um lançamento barato. Hoje, a Falcon está vendendo um lançamento de 24 toneladas por cerca de US$ 60 milhões, ou seja, US$ 2500 o quilo. Acontece, porém, que há muito mais custos internos. Os satélites Starlink serão lançados em veículos de lançamento reutilizáveis, então o custo marginal de um único lançamento é o custo de um novo segundo estágio (algo em torno de $ 1 milhões), carenagens (4 milhão) e suporte de solo (~ 1 milhão). Total: cerca de 1 mil dólares por satélite, ou seja. mais de 100 vezes mais barato do que lançar um satélite de comunicações convencional.
A maioria dos satélites Starlink, no entanto, será lançada em Starship. De fato, a evolução do Starlink, como mostram os relatórios atualizados da FCC, fornece algumas arquitetura interna do projeto. O número total de satélites na constelação cresceu de 1 para 584, depois para 2 e finalmente para 825. Se for para acreditar na formação bruta de capital, o número é ainda maior. O número mínimo de satélites para a primeira fase de desenvolvimento para que o projeto seja viável é de 7 em 518 órbitas (30 no total), enquanto a cobertura total em 000 graus do equador requer 60 órbitas de 6 satélites (360 no total). São 53 lançamentos para o Falcon por cerca de US$ 24 milhões em gastos internos. O Starship, por outro lado, foi projetado para lançar até 60 satélites por vez, pelo mesmo preço. Os satélites Starlink precisam ser substituídos a cada 1440 anos, portanto, 24 satélites exigiriam 150 lançamentos de naves estelares por ano. Vai custar cerca de 400 milhões/ano, ou 5 mil/satélite. Cada satélite Falcon pesa 6000 kg; os satélites levantados no Starship podem pesar 15 kg e transportar dispositivos de terceiros, ser um pouco maiores e ainda não exceder a carga permitida.
Qual é o custo dos satélites? Entre irmãos, os satélites Starlink são um tanto incomuns. Eles são montados, armazenados e lançados na horizontal e, portanto, são excepcionalmente fáceis de produzir em massa. Como mostra a experiência, o custo de produção deve ser aproximadamente igual ao custo do lançador. Se a diferença de preço for grande, significa que os recursos não estão sendo alocados corretamente, pois a redução abrangente dos custos marginais ao reduzir os custos não é tão grande. 100 dólares por satélite para o primeiro lote de várias centenas são realmente reais? Em outras palavras, um satélite Starlink em um dispositivo não é mais complexo que uma máquina?
Para responder completamente a essa pergunta, você precisa entender por que o custo de um satélite de comunicação em órbita é 1000 vezes maior, mesmo que não seja 1000 vezes mais complicado. Simplificando, por que o hardware espacial é tão caro? Existem muitas razões para isso, mas a mais convincente neste caso é esta: se lançar um satélite em órbita (antes do Falcon) custa mais de 100 milhões, deve-se garantir que funcione por muitos anos - para trazer pelo menos alguns lucro. Garantir tamanha confiabilidade na operação do primeiro e único produto é um processo penoso e pode se arrastar por anos, exigindo o esforço de centenas de pessoas. Adicione a isso o custo e é fácil justificar os processos extras quando já é caro lançar.
A Starlink quebra esse paradigma construindo centenas de satélites, corrigindo rapidamente falhas de projeto iniciais e trazendo técnicos de produção em massa para gerenciar custos. É fácil para mim imaginar pessoalmente um oleoduto Starlink onde um técnico integra algo novo ao projeto e prende tudo com uma braçadeira de plástico (nível da NASA, é claro) em uma ou duas horas, mantendo a taxa de substituição necessária de 16 satélites / dia. Um satélite Starlink é feito de muitas peças intrincadas, mas não vejo razão para que o custo de uma milésima unidade saindo da linha de montagem não possa ser reduzido para 20 mil. De fato, em maio, Elon escreveu no Twitter que o custo de fabricar um satélite já é menor que o custo de lançamento.
Vamos pegar o caso médio e analisar o tempo de retorno arredondando os números. Um satélite Starlink, que custa 100 para montar e lançar, está em operação há 5 anos. Ele se pagará e, em caso afirmativo, em quanto tempo?
Em 5 anos, o satélite Starlink dará 30 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 000 segundos sobre uma cidade densamente povoada. Nessa pequena janela, ele transmite dados, com pressa de ganhar dinheiro. Supondo que a antena suporte 100 feixes e cada feixe transmita 100 Mbps, usando uma codificação moderna como , então o satélite gera US$ 1000 em lucro por órbita - a um preço de assinatura de US$ 1 por 1 GB. Isso é suficiente para pagar um custo de implantação de US$ 100 em uma semana e simplifica muito a estrutura de capital. As 29 voltas restantes são lucro menos custos fixos.
Os números estimados podem variar muito e em ambas as direções. Mas, em qualquer caso, se você pode colocar uma constelação de satélites de qualidade em órbita baixa por 100 - ou mesmo por 000 milhão / unidade - esta é uma aplicação séria. Mesmo com um tempo de uso ridiculamente curto, um satélite Starlink é capaz de fornecer 1 Pb de dados durante sua vida útil - a um custo amortizado de US$ 30 por GB. Ao mesmo tempo, ao transmitir por distâncias maiores, os custos marginais praticamente não aumentam.
Para entender a importância desse modelo, vamos compará-lo rapidamente com dois outros modelos de entrega de dados aos consumidores: o tradicional cabo de fibra ótica e a constelação de satélites oferecida por uma empresa não especializada em lançamentos de satélites.
conectando a França e Cingapura foi colocado em operação em 2005. Largura de banda - 1,28 Tb / s., Custo de implantação - US $ 500 milhões. Se for executado a 10% da capacidade por 100 anos e os custos indiretos forem 100% dos custos de capital, o preço de transferência será de US$ 0,02 por 1 GB. Os cabos transatlânticos são mais curtos e ligeiramente mais baratos, mas o cabo submarino é apenas uma entidade em uma longa fila de pessoas que querem dinheiro para transferências de dados. A estimativa média do Starlink é 8 vezes mais barata e, ao mesmo tempo, eles têm "tudo incluído".
Como isso é possível? O satélite Starlink inclui todo o material de comutação eletrônica complexo necessário para conectar cabos de fibra ótica, só que usa vácuo em vez de fio caro e frágil para transmissão de dados. A transmissão espacial reduz o número de monopólios aconchegantes e obsoletos, permitindo que os usuários se comuniquem usando ainda menos hardware.
Comparável ao desenvolvedor satélite concorrente OneWeb. A OneWeb planeja criar uma constelação de 600 satélites, que serão lançados por meio de fornecedores comerciais a um preço de cerca de US$ 20 por 000 kg. O peso de um satélite é de 1 kg, ou seja, em um cenário ideal, o lançamento de uma unidade será de aproximadamente 150 milhões. O custo do hardware do satélite é estimado em 3 milhão por satélite, ou seja, até 1, o custo de todo o agrupamento será de 2027 bilhões.Os testes realizados pela OneWeb mostraram uma taxa de transferência de 2,6 Mb / s. no pico, idealmente, para cada um dos 50 feixes. Seguindo o mesmo esquema pelo qual calculamos o custo do Starlink, obtemos: cada satélite OneWeb gera $ 16 por órbita, e em apenas 80 anos trará $ 5 milhões - mal cobrindo os custos de lançamento, se contarmos também a transmissão de dados para remoto regiões . No total, recebemos US $ 2,4 por 1,70 GB.
Gwynn Shotwell foi recentemente citado como tendo dito que , o que implica um preço competitivo de US$ 0,10 por GB. E isso com a configuração original do Starlink: com produção menos otimizada, lançamento no Falcon e restrições de transferência de dados - e apenas com cobertura do norte dos Estados Unidos. Acontece que a SpaceX tem uma vantagem inegável: hoje eles podem lançar um satélite muito mais adequado a um preço (por unidade) 1 vezes menor que o dos concorrentes. A Starship aumentará a liderança por um fator de 15, se não mais, então não é difícil imaginar a SpaceX lançando 100 satélites até 2027 por menos de US$ 30 bilhão, a maior parte dos quais fornecerá de sua própria carteira.
Tenho certeza de que existem análises mais otimistas em relação à OneWeb e a outros desenvolvedores de constelações iniciantes, mas ainda não sei como eles funcionam.
Recentemente Morgan Stanley que os satélites Starlink custarão 1 milhão para montagem e 830 mil para lançamento. . Curiosamente, os números são semelhantes aos nossos cálculos para os gastos da OneWeb e cerca de 10 vezes maiores do que a estimativa original da Starlink. O uso de Starship e a fabricação de satélites comerciais podem reduzir o custo de implantação de satélites para cerca de 35/unidade. E este é um número surpreendentemente baixo.
Resta o último ponto - comparar o lucro por 1 W de energia solar gerada para o Starlink. De acordo com as fotos em seu site, a matriz solar de cada satélite é de aproximadamente 60 m². em média gera aproximadamente 3 kW ou 4,5 kWh por turno. Estima-se que cada órbita gere US$ 1000 e cada satélite gere aproximadamente US$ 220 por kWh. Isso é 10 vezes mais que o custo de atacado da energia solar, o que mais uma vez confirma: . E a modulação de microondas para transmissão de dados é um custo adicional exorbitante.
Arquitetura
Na seção anterior, apresentei aproximadamente uma parte não trivialmente significativa da arquitetura Starlink - como ela funciona com uma densidade populacional altamente desigual do planeta. O satélite Starlink emite feixes focados que formam pontos na superfície do planeta. Os assinantes no local compartilham uma largura de banda. As dimensões do ponto são determinadas pela física fundamental: inicialmente sua largura é (altura do satélite x comprimento da micro-ondas / diâmetro da antena), que para um satélite Starlink é, na melhor das hipóteses, alguns quilômetros.
Na maioria das cidades, a densidade populacional é de cerca de 1000 pessoas/km100, embora em alguns lugares seja maior. Em algumas áreas de Tóquio ou Manhattan, pode haver mais de 000 pessoas por local. Felizmente, qualquer cidade tão densamente povoada tem um mercado doméstico competitivo para internet de banda larga, sem mencionar uma rede de telefonia móvel altamente desenvolvida. Mas seja como for, se em um determinado momento houver muitos satélites da mesma constelação acima da cidade, o throughput pode ser aumentado pela diversificação espacial das antenas, bem como pela distribuição de frequências. Ou seja, dezenas de satélites podem focar o feixe mais potente em um ponto, e os usuários daquela região utilizarão terminais terrestres que distribuirão a requisição entre os satélites.
Se nos estágios iniciais o mercado mais adequado para a venda de serviços for áreas remotas, rurais ou suburbanas, então os fundos para novos lançamentos virão de melhores serviços especificamente para cidades densamente povoadas. O cenário é exatamente o oposto do padrão padrão de expansão do mercado, no qual os serviços competitivos centrados na cidade inevitavelmente sofrem um declínio nos lucros à medida que tentam se expandir para áreas mais pobres e menos densamente povoadas.
Alguns anos atrás, quando fiz as contas, .
Peguei os dados desta imagem e compilei os 3 gráficos abaixo. O primeiro mostra a frequência da área de terra por densidade populacional. O mais interessante é que a maior parte da Terra não é habitada, enquanto praticamente nenhuma região tem mais de 100 pessoas por quilômetro quadrado.
O segundo gráfico mostra a frequência de pessoas por densidade populacional. E embora a maior parte do planeta seja desabitada, a maior parte das pessoas vive em áreas onde há 100-1000 pessoas por quilômetro quadrado. A natureza estendida desse pico (uma ordem de grandeza maior) reflete a bimodalidade nos padrões de urbanização. 100 pessoas/km1000. - esta é uma área rural relativamente pouco povoada, enquanto a figura de 10 pessoas / sq. km. característica dos subúrbios. Os centros das cidades mostram facilmente 000 pessoas/km25, mas a população de Manhattan é de 000 pessoas/kmXNUMX.
O terceiro gráfico mostra a densidade populacional por latitude. Pode-se ver que quase todas as pessoas estão concentradas na faixa de 20 a 40 graus de latitude norte. Assim, em geral, desenvolveu-se geográfica e historicamente, já que grande parte do hemisfério sul é ocupada pelo oceano. No entanto, essa densidade populacional é um grande desafio para os arquitetos do grupo, pois os satélites passam a mesma quantidade de tempo em ambos os hemisférios. Além disso, um satélite orbitando a Terra, em um ângulo de, digamos, 50 graus, passará mais tempo próximo aos limites indicados em latitude. É por isso que o Starlink precisa de apenas 6 órbitas para servir o norte dos EUA, enquanto 24 para cobrir o equador.
De fato, se combinarmos o gráfico da densidade populacional com o gráfico da densidade da constelação de satélites, a escolha das órbitas torna-se óbvia. Cada gráfico de barras representa um dos quatro relatórios da SpaceX para a FCC. Pessoalmente, parece-me que cada novo relatório é como um acréscimo ao anterior, mas, de qualquer forma, não é difícil ver como os satélites adicionais aumentam a capacidade nas regiões correspondentes do hemisfério norte. Em contraste, há uma quantidade impressionante de largura de banda não utilizada no hemisfério sul - regozije-se, querida Austrália!
O que acontece com os dados do usuário quando chegam ao satélite? Na versão original, o satélite Starlink os transmitia imediatamente de volta para uma estação terrestre dedicada perto das áreas de serviço. Essa configuração é chamada de "relé direto". No futuro, os satélites Starlink poderão se comunicar uns com os outros via laser. A troca de dados atingirá o pico em cidades densamente povoadas, mas os dados podem ser distribuídos por uma rede de lasers em duas dimensões. Na prática, isso significa que existe uma grande oportunidade para um backhaul oculto em uma rede de satélites, ou seja, os dados do usuário podem ser “retransmitidos para a Terra” em qualquer local adequado. Na prática, parece-me que as estações terrestres da SpaceX serão combinadas com fora das cidades.
Acontece que a comunicação satélite a satélite não é uma tarefa trivial se os satélites não se movem juntos. Os relatórios mais recentes da FCC relatam 11 grupos orbitais de satélites distintos. Dentro de um determinado grupo, os satélites se movem na mesma altura, na mesma inclinação, com a mesma excentricidade, o que significa que os lasers podem encontrar satélites próximos com relativa facilidade. Mas as velocidades de aproximação entre os grupos são medidas em quilômetros por segundo, portanto a comunicação entre os grupos, se possível, deve ser feita por meio de links de micro-ondas curtos e rapidamente controlados.
A topologia de grupos orbitais é como a teoria onda-partícula da luz e realmente não se aplica ao nosso exemplo, mas acho que é ótimo, então incluí no artigo. Se você não estiver interessado nesta seção, pule diretamente para "Limitações da Física Fundamental".
Um toro - ou rosquinha - é um objeto matemático definido por dois raios. É bastante simples desenhar círculos na superfície de um toro: paralelos ou perpendiculares à sua forma. Você pode achar interessante descobrir que existem duas outras famílias de círculos que podem ser desenhadas na superfície de um toro, e ambas passam por um orifício em seu centro e ao redor do contorno. Este é o chamado. , e usei esse design quando projetei o toróide para a bobina de Tesla do Burning Man em 2015.
E embora as órbitas dos satélites sejam, estritamente falando, elipses, não círculos, a mesma construção se aplica no caso do Starlink. Uma constelação de 4500 satélites em vários planos orbitais, todos no mesmo ângulo, formam uma camada em movimento contínuo acima da superfície da Terra. Uma camada voltada para o norte acima de um determinado ponto de latitude gira e se move de volta para o sul. Para evitar colisões, as órbitas serão ligeiramente alongadas, de modo que a camada que se move para o norte ficará vários quilômetros mais alta (ou mais baixa) do que a que se move para o sul. Juntas, essas duas camadas formam um toro em forma de sopro, conforme mostrado abaixo em um diagrama altamente exagerado.
Deixe-me lembrá-lo de que dentro deste toro, a comunicação é realizada entre satélites vizinhos. Em termos gerais, não há conexões diretas e de longo prazo entre satélites em diferentes camadas, pois as taxas de convergência para guiamento a laser são muito altas. A trajetória de transmissão de dados entre as camadas, por sua vez, passa acima ou abaixo do toro.
Um total de 30 satélites estarão localizados em 000 tori aninhados muito atrás da órbita da ISS! Este diagrama mostra como todas essas camadas são compactadas, sem excentricidade exagerada.
E, finalmente, você deve pensar na altitude ideal de voo. Existe um dilema: baixa altitude, que dá mais rendimento com tamanhos de feixe menores, ou alta altitude, que permite cobrir todo o planeta com menos satélites? Com o tempo, os relatórios da SpaceX para a FCC falaram de altitudes cada vez mais baixas à medida que a Starship melhora para permitir a implantação mais rápida de constelações maiores.
A baixa altitude também traz outros benefícios, incluindo um risco reduzido de impacto de detritos espaciais ou os efeitos negativos da falha do equipamento. Devido ao aumento do arrasto atmosférico, os satélites Starlink mais baixos (330 km) queimarão dentro de algumas semanas após a perda do controle de atitude. De fato, 300 km é uma altitude na qual os satélites quase nunca voam, e manter a altitude exigirá um motor de foguete elétrico Krypton embutido, bem como um design aerodinâmico. Teoricamente, um satélite com uma forma bastante pontiaguda, movido por um motor de foguete elétrico, pode manter uma altitude estável de 160 km, mas é improvável que a SpaceX lance satélites tão baixos, porque ainda existem alguns truques para aumentar o rendimento.
Limitações da física fundamental
Parece improvável que os preços de implantação de satélites caiam muito abaixo de $ 35, mesmo que a fabricação seja avançada e totalmente automatizada e as naves sejam totalmente reutilizáveis, e ainda não se sabe totalmente quais restrições a física colocará em um satélite. A análise acima assume uma taxa de transferência de pico de 80 Gb/s. (se arredondado para 100 feixes, cada um dos quais é capaz de transmitir 100 Mb / s).
O limite de largura de banda do canal é definido como e é fornecido nas estatísticas de largura de banda (1+SNR). Largura de banda é frequentemente limitada , enquanto SNR é a energia de satélite disponível, ruído de fundo e interferência de canal devido a . Outro obstáculo notável é a velocidade de processamento. Os mais recentes FPGAs Xilinx Ultrascale+ têm , o que é bom devido às atuais limitações de largura de banda sem desenvolver ASICs personalizados. Mas mesmo assim 58 Gb / s. exigirá uma distribuição de frequência impressionante, provavelmente na banda Ka ou na banda V. V (40-75 GHz) tem ciclos mais acessíveis, mas está sujeito a maior absorção pela atmosfera, principalmente em áreas de alta umidade.
100 raios são práticos? Este problema tem dois aspectos: largura de feixe e densidade de elementos phased array. A largura de feixe é determinada pelo comprimento de onda dividido pelo diâmetro da antena. A antena Phased Array digital ainda é uma tecnologia especializada, mas as dimensões máximas utilizáveis são determinadas pela largura (aprox. 1m), e usar comunicações de radiofrequência é mais caro. A largura da onda na banda Ka é de cerca de 1 cm, enquanto a largura do feixe deve ser de 0,01 radianos - com uma largura de espectro de 50% da amplitude. Assumindo um ângulo sólido de feixe de 1 esterradiano (semelhante à cobertura de uma lente de câmera de 50 mm), então 2500 feixes individuais seriam suficientes nesta área. A linearidade implica que 2500 feixes exigiriam um mínimo de 2500 elementos de antena dentro do arranjo, o que é, em princípio, viável, embora difícil. E tudo vai ficar muito quente!
Um total de 2500 canais, cada um com suporte para 58 Gb / s, é uma quantidade enorme de informações - se aproximadamente, 145 Tb / s. Para efeito de comparação, todo o tráfego da Internet em 2020 . Boas notícias para aqueles preocupados com a largura de banda fundamentalmente baixa da internet via satélite. Se uma constelação de 30 satélites estiver operacional até 000, o tráfego global da Internet atingirá potencialmente 2026 Tb/s. Se metade disso for entregue por aproximadamente 800 satélites em áreas densamente povoadas a qualquer momento, o pico de taxa de transferência por satélite é de cerca de 500 Gb/s, o que é 800 vezes maior do que nossa estimativa de linha de base original, ou seja, a entrada de financiamento cresce potencialmente 10 vezes.
Para um satélite em uma órbita de 330 km, um feixe de 0,01 radianos cobre uma área de 10 quilômetros quadrados. Em áreas especialmente densamente povoadas como Manhattan, até 300 pessoas vivem nesta área. E se todos se sentarem para assistir à Netflix (000 Mbps em qualidade HD) ao mesmo tempo? A solicitação total de dados será de 7 GB/s, que é cerca de 2000 vezes o limite rígido atual imposto pelo FPGA de saída serial. Existem duas maneiras de sair dessa situação, das quais apenas uma é fisicamente possível.
A primeira é colocar mais satélites em órbita, de modo que, a qualquer momento, mais de 35 peças pairam sobre áreas de maior demanda. Se tomarmos novamente 1 esterradiano para uma área endereçável razoável do céu e uma altitude orbital média de 400 km, obteremos uma densidade de constelação de 0,0002/km100, ou 000 no total - se forem distribuídos uniformemente por toda a superfície do globo. Lembre-se de que as órbitas selecionadas da SpaceX aumentam drasticamente a cobertura em áreas densamente povoadas entre 20 e 40 graus de latitude norte, e agora o número de 30 satélites parece mágico.
A segunda ideia é muito mais legal, mas, infelizmente, irrealizável. Lembre-se de que a largura de feixe é determinada pela largura do conjunto de antenas em fase. E se muitas matrizes em vários satélites combinarem os poderes, criando um feixe mais estreito - assim como os radiotelescópios como o mesmo (sistema de antena muito grande)? Esse método vem com uma complicação: a base entre os satélites precisará ser calculada com cuidado - com precisão submilimétrica - para estabilizar a fase do feixe. E mesmo que isso fosse possível, o feixe resultante dificilmente conteria os lóbulos laterais, devido à baixa densidade da constelação de satélites no céu. No solo, a largura do feixe diminuiria para alguns milímetros (o suficiente para rastrear uma antena de telefone celular), mas haveria milhões deles devido à fraca anulação intermediária. Obrigado .
Acontece que a separação de canal por separação de ângulo - porque os satélites estão espaçados no céu - fornece melhorias adequadas no rendimento sem violar as leis da física.
Aplicação
Qual é o perfil do cliente Starlink? Por padrão, são centenas de milhões de usuários que possuem antenas do tamanho de uma caixa de pizza em seus telhados, mas existem outras fontes de alta renda.
Em áreas remotas e rurais, as estações terrestres não precisam de antenas Phased Array para maximizar a largura de feixe, portanto, equipamentos de usuário menores podem ser usados, desde rastreadores de ativos IoT a telefones via satélite de bolso, sinalizadores de emergência ou instrumentos científicos de rastreamento de animais.
Em ambientes urbanos densos, a Starlink fornecerá o backhaul primário e de backup para a rede celular. Cada torre de celular pode ter uma estação terrestre de alto desempenho no topo, mas usar fontes de alimentação terrestres para amplificação e transmissão na última milha.
E, finalmente, mesmo em áreas lotadas durante o lançamento inicial, existe a possibilidade de usar satélites de órbita baixa com atraso excepcionalmente mínimo. As próprias empresas financeiras estão colocando muito dinheiro em suas mãos - apenas um pouco mais rápido para obter dados vitais de todo o mundo. E mesmo que os dados pelo Starlink tenham um caminho mais longo que o normal - pelo espaço - a velocidade de propagação da luz no vácuo é 50% maior do que no vidro de quartzo, e isso mais do que compensa a diferença ao transmitir por distâncias maiores.
Efeitos negativos
A última seção é dedicada às consequências negativas. O objetivo do artigo é livrar você de equívocos sobre o projeto e as possíveis consequências negativas das disputas que mais causam. Darei algumas informações, evitando interpretações desnecessárias. Ainda não sou um clarividente e também não tenho membros da SpaceX.
As consequências mais graves, na minha opinião, são o aumento do acesso à Internet. Mesmo em minha cidade natal, Pasadena, uma cidade movimentada e rica em tecnologia com uma população de mais de um milhão, lar de vários observatórios, uma universidade de classe mundial e a maior instalação da NASA, a escolha é limitada quando se trata de serviços de internet. Nos Estados Unidos e no resto do mundo, a Internet tornou-se um serviço de utilidade pública, com os ISPs apenas espremendo seus US$ 50 milhões por mês em um ambiente aconchegante e não competitivo. Talvez qualquer serviço fornecido a apartamentos e prédios residenciais seja um apartamento comunitário, mas a qualidade dos serviços de Internet é menor do que água, eletricidade ou gás.
O problema com o status quo é que, ao contrário da água, eletricidade ou gás, a Internet ainda é jovem e evolui rapidamente. Estamos constantemente encontrando novos usos para ele. O mais revolucionário ainda não está aberto, mas os planos de pacotes sufocam a possibilidade de competição e inovação. Bilhões de pessoas são deixadas para trás devido a circunstâncias de nascimento, ou porque seu país está muito longe do principal cabo submarino. Em grandes regiões do planeta, a Internet ainda é entregue por satélites geoestacionários, a preços exorbitantes.
A Starlink, por outro lado, distribuindo continuamente a Internet do céu, viola esse modelo. Ainda não conheço outra maneira melhor de conectar bilhões de pessoas à Internet. A SpaceX está a caminho de se tornar um ISP e potencialmente uma empresa de internet que rivaliza com o Google e o Facebook. Aposto que você não pensou nisso.
Que a internet via satélite é a melhor opção não é óbvio. A SpaceX, e apenas a SpaceX, está em posição de criar rapidamente uma vasta constelação de satélites que, sozinha, matou uma década para quebrar o monopólio governamental-militar no lançamento de espaçonaves. Mesmo que a Iridium superasse as vendas de telefones celulares por um fator de dez, ainda não conseguiria uma adoção ampla usando plataformas de lançamento tradicionais. Sem a SpaceX e seu modelo de negócios único, as chances são altas de que a internet via satélite global simplesmente nunca aconteça.
O segundo grande golpe virá para a astronomia. Após o lançamento dos primeiros 60 satélites Starlink, houve uma onda de críticas da comunidade astronômica internacional, dizendo que o número multiplicado de satélites bloquearia seu acesso ao céu noturno. Existe um ditado: entre os astrônomos, é mais legal quem tem um telescópio maior. Sem exagero, fazer astronomia na era moderna é uma tarefa extremamente difícil, que lembra uma luta contínua para melhorar a qualidade da análise em um cenário de crescente poluição luminosa e outras fontes de ruído.
A última coisa que um astrônomo precisa é de milhares de satélites brilhantes piscando no foco de um telescópio. De fato, a constelação original de Iridium era famosa por ter "flores" devido a grandes painéis que refletiam a luz do sol em pequenas áreas da Terra. Acontece que eles atingiram o brilho de um quarto da Lua e às vezes até danificaram acidentalmente sensores astronômicos sensíveis. O medo de que o Starlink invada as bandas de rádio usadas na radioastronomia também não é infundado.
Se você baixar um aplicativo de rastreamento por satélite, 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 somente quando são iluminados pelos raios do sol. Mais tarde, durante a noite, os satélites ficam invisíveis na sombra da Terra. Minúsculos, extremamente distantes, eles se movem muito rápido. Há uma chance de que eles obscureçam uma estrela distante por menos de um milissegundo, mas acho que mesmo detectar isso é mais uma hemorróida.
A forte preocupação com o sky flare nasceu do fato de que a camada de satélites do primeiro lançamento estava alinhada perto do terminador da Terra, ou seja, noite após noite, a Europa - e era verão - assistia à imagem épica de satélites voando pelo céu no crepúsculo da noite. Além disso, simulações baseadas em relatórios da FCC mostraram que os satélites em órbita de 1150 km serão visíveis mesmo após o crepúsculo astronômico ter passado. Em geral, o crepúsculo passa por três fases: civil, marítima e astronômica, ou seja, quando o sol está 6, 12 e 18 graus abaixo do horizonte, respectivamente. No final do crepúsculo astronômico, os raios do sol estão a cerca de 650 km da superfície no zênite, bem fora da atmosfera e na maior parte da órbita baixa da Terra. Baseado em dados de , acredito que todos os satélites serão colocados em uma altitude abaixo de 600 km. Nesse caso, eles podem ser vistos ao entardecer, mas não após o anoitecer, o que reduzirá significativamente as possíveis consequências para a astronomia.
O terceiro problema são os detritos em órbita. EM Salientei que satélites e detritos abaixo de 600 km sairiam de órbita dentro de alguns anos devido ao arrasto atmosférico, reduzindo muito a possibilidade da síndrome de Kessler. A SpaceX mexe com a sujeira como se não se importasse com o lixo espacial. Aqui estou olhando os detalhes da implementação do Starlink, e é difícil para mim imaginar uma maneira melhor de reduzir a quantidade de detritos em órbita.
Os satélites são lançados a uma altitude de 350 km e, em seguida, voam com motores embutidos para a órbita pretendida. Qualquer satélite que morrer no lançamento estará fora de órbita em algumas semanas, e não vai cambalear em nenhum outro lugar por milhares de anos. Essa colocação envolve estrategicamente o teste de entrada gratuita. Além disso, os satélites Starlink são planos em seção transversal, o que significa que, ao perder o controle da altitude, eles entram nas camadas densas da atmosfera.
Poucas pessoas sabem que a SpaceX se tornou pioneira na astronáutica, passando a usar tipos alternativos de montagem em vez de squibs. Praticamente todas as plataformas de lançamento usam squibs ao implantar estágios, satélites, radomes, etc., aumentando o potencial de detritos. A SpaceX também tira de órbita deliberadamente os estágios superiores, impedindo-os de ficarem pendurados no espaço para sempre, para que não se deteriorem e se desintegrem no ambiente espacial hostil.
Por fim, a última questão que gostaria de mencionar é a chance de a SpaceX substituir o monopólio existente da Internet criando o seu próprio. Em seu nicho, a SpaceX já monopolizou os lançamentos. Somente o desejo de governos rivais de obter acesso garantido ao espaço impede que foguetes caros e obsoletos, muitas vezes montados por grandes empreiteiros monopolistas de defesa, sejam descartados.
Não é difícil imaginar a SpaceX lançando 2030 de seus satélites por ano em 6000, além de alguns satélites espiões para garantir. Satélites SpaceX baratos e confiáveis venderão "espaço em rack" para dispositivos de terceiros. Qualquer universidade que construa uma câmera espacial pode colocá-la em órbita sem ter que cobrir o custo de construção de uma plataforma espacial inteira. Com um acesso tão avançado e ilimitado ao espaço, o Starlink já está associado a satélites, enquanto os fabricantes históricos estão se tornando coisa do passado.
Existem exemplos na história de empresas visionárias que ocuparam um nicho tão grande no mercado que seus nomes se tornaram nomes familiares: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
O problema pode surgir quando uma empresa pioneira se envolve em práticas anticompetitivas para manter sua participação no mercado, embora isso tenha sido permitido desde o presidente Reagan. A SpaceX poderia manter o monopólio da Starlink forçando outros desenvolvedores de constelações a lançar satélites em antigos foguetes soviéticos. Ações semelhantes realizadas , juntamente com a fixação de preços para o transporte de correio, levou-o ao colapso em 1934. Felizmente, é improvável que a SpaceX mantenha um monopólio absoluto de foguetes reutilizáveis para sempre.
Ainda mais preocupante é que a implantação de dezenas de milhares de satélites de órbita baixa pela SpaceX pode ser projetada como uma cooptação dos bens comuns. Uma empresa privada, buscando ganhos pessoais, está assumindo a propriedade permanente das posições orbitais outrora públicas e desocupadas. E enquanto as inovações da SpaceX tornaram possível ganhar dinheiro no vácuo, muito do capital intelectual da SpaceX foi construído com bilhões de dólares em orçamentos de pesquisa.
Por um lado, precisamos de leis que protejam os meios de investimento privado, pesquisa e desenvolvimento. Sem essa proteção, os inovadores não poderão financiar projetos ambiciosos, ou mudarão suas empresas para onde essa proteção lhes for oferecida. De qualquer forma, o público sofre porque os lucros não são gerados. Por outro lado, são necessárias leis para proteger as pessoas, os proprietários nominais do domínio público, incluindo o céu, de entidades privadas rentistas que anexam bens públicos. Por si só, nenhum dos dois é verdadeiro ou mesmo possível. Os desenvolvimentos da SpaceX oferecem uma chance de encontrar um meio termo neste novo mercado. Perceberemos que foi encontrado quando maximizarmos a frequência da inovação e a criação de bem-estar social.
Pensamentos finais
Escrevi este artigo assim que terminei outro - . Tem sido uma semana quente. Tanto o Starship quanto o Starlink são tecnologias revolucionárias que estão sendo criadas bem diante de nossos olhos, em nossas vidas. Se eu ver meus netos crescerem, eles ficarão mais surpresos por eu ser mais velho que Starlink, e não que na minha infância não houvesse celular (peças de museu) ou Internet pública propriamente dita.
Os ricos e os militares usam a Internet via satélite há muito tempo, mas o Starlink onipresente, genérico e barato simplesmente não é possível sem o Starship.
O lançamento já se fala há muito tempo, mas o Starship, que é bastante barato e por isso uma plataforma interessante, é impossível sem o Starlink.
A astronáutica tripulada é falada há muito tempo, e se você - então você tem a luz verde. Com Starship e Starlink, a exploração humana do espaço é um futuro próximo alcançável, com um tiro de pedra de um posto orbital avançado para cidades industrializadas no espaço profundo.
Fonte: habr.com