Dieser Artikel stammt aus einer Reihe über Bildungstechnologie in der Raumfahrttechnik .
Starlink - SpaceXs Plan, das Internet über Zehntausende von Satelliten zu verbreiten, ist das Hauptthema in der Weltraumpresse. Artikel über die neuesten Erfolge werden wöchentlich veröffentlicht. Wenn das Schema im Allgemeinen klar ist, aber nach dem Lesen der Berichte in der Federal Communications Commission , kann eine gut motivierte Person (sagen wir, Ihr bescheidener Diener) viele Details ausgraben. Es gibt jedoch immer noch viele Missverständnisse im Zusammenhang mit dieser neuen Technologie, auch unter aufgeklärten Beobachtern. Oft gibt es Artikel, in denen Starlink mit OneWeb und Kuiper (unter anderem) verglichen wird, als würden sie sich zu gleichen Bedingungen messen. Andere Autoren, die eindeutig mit dem Wohl des Planeten beschäftigt sind, schreien über Weltraummüll, Weltraumgesetze, die Standards und die Sicherheit der Astronomie. Ich hoffe, dass der Leser nach dem Lesen dieses ziemlich langen Artikels die Idee von Starlink besser versteht und durchdringt.
Der vorige Artikel berührte unerwartet einen sensiblen Faden in den Seelen meiner wenigen Leser. Darin erklärte ich, wie Starship SpaceX für lange Zeit an die Spitze führen und gleichzeitig einen Mechanismus für die Erforschung des Weltraums bereitstellen würde. Der Untertext besagt, dass die traditionelle Satellitenindustrie mit SpaceX nicht Schritt halten kann. SpaceX baut ständig Kapazitäten auf und senkt die Kosten für die Falcon-Raketenfamilie, was SpaceX in ein Dilemma bringt. Einerseits bildete es einen Markt im Wert von bestenfalls mehreren Milliarden pro Jahr. Andererseits entfachte es einen unermüdlichen Appetit auf Geld - eine riesige Rakete zu bauen, auf der jedoch fast niemand zum Mars geschickt werden konnte, und es gab keinen Grund, auf unmittelbaren Profit zu warten.
Die Lösung für dieses Pairing-Problem ist Starlink. Durch die Zusammenstellung und den Start eigener Satelliten könnte SpaceX einen neuen Markt für einen hocheffizienten und demokratisierten Zugang zur Kommunikation über das Weltall schaffen und definieren, Finanzmittel für den Bau einer Rakete bereitstellen, bevor das Unternehmen ertrinkt, und seinen wirtschaftlichen Wert auf Billionen steigern. Unterschätzen Sie nicht den Umfang der Ambitionen von Ilon. Insgesamt gibt es nicht viele Branchen, in denen Billionen von Dollar anfallen: Energie, Hochgeschwindigkeitsverkehr, Kommunikation, IT, Gesundheitswesen, Landwirtschaft, Regierung und Verteidigung. Trotz allgemeiner Missverständnisse sind Weltraumbohrungen , Mondwasserproduktion und Weltraumsonnenkollektoren kein rentables Geschäft. Ilon drang mit seinem Tesla in den Energiesektor ein, aber nur die Telekommunikation wird einen zuverlässigen und ausreichenden Markt für Satelliten und Raketenstarts bieten.
Zum ersten Mal wandte sich Elon Musk dem Weltraum zu, als er 80 Millionen Dollar in eine Mission investieren wollte, um Pflanzen auf einer Mars-Sonde spurlos anzubauen. Das Bauen einer Stadt auf dem Mars wird wahrscheinlich das 100.000-fache kosten. Starlink ist also die Hauptwette von Musk, ein Meer von Geld bereitzustellen, das für das Sponsern einer autonomen Stadt auf dem Mars erforderlich ist.
Wofür?
Ich hatte diesen Artikel vor langer Zeit geplant, aber erst letzte Woche hatte ich ein vollständiges Bild. Dann gab SpaceX-Präsident Gwynn Shotwell Rob Baron ein großartiges Interview, das er dann für CNBC auf Michael Schitz, einem ausgezeichneten Twitter-Thread , hervorhob, dem mehrere Artikel gewidmet waren. Dieses Interview zeigte einen großen Unterschied in den Ansätzen zur Satellitenkommunikation zwischen SpaceX und allen anderen.
Das Starlink- Konzept wurde 2012 geboren, als SpaceX feststellte, dass seine Kunden - hauptsächlich Satellitenanbieter - enorme Summen hatten. Die Startrampen brechen die Preise für den Einsatz von Satelliten auf und verpassen gleichzeitig in gewisser Weise eine Phase der Arbeit - wie also? Ilon träumte davon, eine Satellitenkonstellation für das Internet zu schaffen, und konnte der fast unmöglichen Aufgabe nicht widerstehen. Die Entwicklung von Starlink verlief nicht ohne Schwierigkeiten , aber am Ende dieses Artikels werden Sie, mein Leser, wahrscheinlich überrascht sein, wie klein diese Schwierigkeiten sind - angesichts des Umfangs der Idee.
Ist für das Internet überhaupt eine so große Gruppierung notwendig? Und warum jetzt?
Nur in meiner Erinnerung verwandelte sich das Internet von rein akademischer Verwöhnung in die erste und einzige revolutionäre Infrastruktur. Dies ist kein Thema, dem sich ein ausführlicher Artikel widmen sollte, aber ich gehe davon aus, dass der weltweite Bedarf an Internet und die damit verbundenen Einnahmen weiterhin um etwa 25% pro Jahr zunehmen werden.
Heutzutage beziehen wir fast alle das Internet von einer kleinen Anzahl von geografisch isolierten Monopolen. In den USA teilten sich AT & T, Time Warner, Comcast und eine Handvoll kleinerer Spieler das Territorium, um Konkurrenz zu vermeiden. Sie rissen nach Diensten in drei Fellen und sonnten sich in den Strahlen eines fast universellen Hasses.
Für wettbewerbsfeindliches Verhalten haben Anbieter einen guten Grund - zusätzlich zur alles verzehrenden Gier. Der Aufbau der Infrastruktur für das Internet - Mikrowellenzellentürme und Glasfaser - ist sehr, sehr teuer. Die wunderbare Natur des Internets ist leicht zu vergessen. Meine Großmutter hat im Zweiten Weltkrieg zuerst als Signalistin gearbeitet, und der Telegraph hat sich dann mit Brieftauben um eine strategische Führungsrolle beworben! Für die meisten von uns ist die Datenautobahn eine kurzlebige, nicht greifbare Angelegenheit, aber Teile reisen durch die physische Welt, die Grenzen, Flüsse, Berge, Ozeane, Stürme, Naturkatastrophen und andere Hindernisse aufweist. Bereits 1996, als die erste Glasfaserleitung über den Meeresboden verlegt wurde, verfasste Neil Stevenson einen ausführlichen Aufsatz über Cybertourismus . Mit seinem unverkennbar scharfen Stil beschreibt er anschaulich die Kosten und die Komplexität der Verlegung dieser Linien, entlang derer später die verdammten "Hütten" immer noch getragen werden. In den meisten 2000er Jahren wurden die Kabel so stark gezogen, dass die Bereitstellungskosten erstaunlich waren.
Früher habe ich in einem optischen Labor gearbeitet und (wenn der Speicher zur Verfügung steht) haben wir den damaligen Rekord gebrochen, indem wir eine Multiplex-Übertragungsgeschwindigkeit von 500 Gb / s herausgegeben haben. Durch elektronische Beschränkungen konnte jede Faser mit 0,1% des theoretischen Durchsatzes beladen werden. Fünfzehn Jahre später sind wir bereit, die Schwelle zu überschreiten: Wenn die Datenübertragung darüber hinausgeht, schmilzt die Faser, und wir sind bereits sehr nahe daran.
Es ist aber notwendig, den Datenstrom über die sündige Erde zu heben - in den Weltraum, wo der Satellit in fünf Jahren 30.000 Mal frei um den „Ball“ fliegt. Eine naheliegende Lösung, wie es scheint. Warum hat das noch niemand gemacht?
Die Iridium-Satellitenkonstellation, die Motorola Anfang der neunziger Jahre entwickelt und eingesetzt hat (erinnern Sie sich noch an sie?), Wurde zum ersten globalen Kommunikationsnetz mit niedriger Umlaufbahn (wie es in diesem Buch verlockend zu beschreiben ist). Zum Zeitpunkt der Bereitstellung erwies sich die Möglichkeit, kleine Datenpakete von Asset Trackern weiterzuleiten, als einzige Möglichkeit: Mobiltelefone wurden so günstig, dass Satellitentelefone nie reinkamen. Iridium hatte 66 Satelliten (plus ein paar Ersatzsatelliten) in 6 Umlaufbahnen - das Minimum, um den gesamten Planeten abzudecken.
Wenn Iridium 66 Satelliten hätte, warum dann SpaceX Zehntausende? Wie ist sie so anders?
SpaceX ist vom anderen Ende in dieses Geschäft eingestiegen - es begann mit dem Start. Sie wurde eine Pionierin im Bereich der Konservierung der Trägerrakete und eroberte damit den Markt für billige Trägerraketen. Versuche, ihr Angebot zu einem niedrigeren Preis zu unterbrechen, bringen nicht viel Geld. Der einzige Weg, um ihre überschüssige Kapazität irgendwie zu schweißen, besteht darin, ihr Kunde zu werden. Die Kosten für den Start eigener Satelliten durch SpaceX betragen ein Zehntel der Kosten (pro 1 kg) von Iridium und sind daher in der Lage, in einen viel größeren Markt einzutreten.
Die weltweite Reichweite von Starlink ermöglicht Ihnen einen qualitativ hochwertigen Internetzugang an jedem Ort der Welt. Zum ersten Mal hängt die Verfügbarkeit des Internets nicht von der Nähe eines Landes oder einer Stadt zur Glasfaserleitung ab, sondern von der Reinheit des Himmels über Ihrem Kopf. Benutzer auf der ganzen Welt haben unabhängig von ihrem eigenen, in unterschiedlichem Maße, schlechten und / oder unehrlichen Regierungsmonopolen Zugang zum freien globalen Internet. Die Fähigkeit von Starlink, diese Monopole zu brechen, katalysiert unglaublich große positive Veränderungen, die schließlich Milliarden von Menschen in der globalen kybernetischen Gemeinschaft der Zukunft zusammenbringen werden.
Ein kleiner lyrischer Exkurs: Was bedeutet das überhaupt?
Für die Menschen, die heute in einer Zeit allgegenwärtiger Konnektivität wachsen, ist das Internet wie die Luft, die wir atmen. Er ist es einfach. Aber das ist - wenn man seine unglaubliche Kraft vergisst, positive Veränderungen herbeizuführen - und wir stehen bereits im Mittelpunkt. Mithilfe des Internets können die Menschen ihre Führungskräfte zur Rechenschaft ziehen, mit anderen Menschen auf der anderen Seite der Welt kommunizieren, ihre Gedanken austauschen und etwas Neues erfinden. Das Internet verbindet die Menschheit. Die Geschichte der Modernisierung ist die Geschichte der Entwicklung von Möglichkeiten zum Datenaustausch. Erstens durch Reden und epische Gedichte. Dann - auf einem Brief, der den Toten eine Stimme gibt, und sie wenden sich an die Lebenden; Schreiben ermöglicht das Speichern von Daten und ermöglicht asynchrone Kommunikation. Die Printpresse hat die Nachrichtenproduktion in Betrieb genommen. Elektronische Kommunikation - beschleunigter Datentransfer rund um den Globus. Persönliche Geräte zum Speichern von Notizen wurden nach und nach komplexer und entwickelten sich von Notebooks zu Mobiltelefonen, von denen jeder ein mit dem Internet verbundener Computer ist, der mit Sensoren gefüllt ist und unsere Bedürfnisse jeden Tag besser vorhersagt.
Eine Person, die beim Erkennen mit Schreiben und Computer arbeitet, überwindet mit größerer Wahrscheinlichkeit die Grenzen eines unvollständig entwickelten Gehirns. Umso erfreuter, dass Mobiltelefone sowohl leistungsstarke Datenspeicher als auch ein Mechanismus für den Austausch von Ideen sind. Wenn sich frühere Menschen, die ihre Gedanken teilten, auf die in Notizbücher geschriebene Rede stützten, ist es heute die Norm - wenn Notizbücher selbst Ideen teilen, die von Menschen generiert wurden. Das traditionelle Schema hat eine Inversion erfahren. Die logische Fortsetzung des Prozesses ist eine Form der kollektiven Metakognition durch persönliche Geräte, die noch enger in unser Gehirn integriert und miteinander verbunden sind. Und selbst wenn wir immer noch nostalgisch sind für die verlorene Verbindung mit Natur und Einsamkeit, ist es wichtig zu bedenken, dass Technologie und nur Technologie für den Löwenanteil unserer Befreiung von den „natürlichen“ Zyklen von Unwissenheit, vorzeitigem Tod (die vermieden werden können), Gewalt, Hunger und Zahnverfall verantwortlich sind.
Wie?
Lassen Sie uns über das Geschäftsmodell und die Architektur des Starlink-Projekts sprechen.
Damit Starlink zu einem profitablen Unternehmen wird, müssen die Mittelzuflüsse die Bau- und Betriebskosten übersteigen. Traditionell sind Investitionen mit erhöhten Vorlaufkosten, dem Einsatz hoch entwickelter spezialisierter Finanzierungs- und Versicherungsmechanismen verbunden, um einen Satelliten zu starten. Ein geostationärer Kommunikationssatellit kann 500 Millionen US-Dollar kosten und die Montage und der Start können 5 Jahre dauern. Unternehmen in diesem Bereich bauen daher gleichzeitig Jet- oder Containerschiffe. Riesige Ausgaben, ein Mittelzufluss, der die Finanzierungskosten kaum deckt, und ein relativ kleines Betriebsbudget. Umgekehrt war der Zusammenbruch des ursprünglichen Iridium die Folge, dass Motorola den Betreiber zur Zahlung tödlicher Lizenzgebühren zwang und das Unternehmen in nur wenigen Monaten bankrott machte.
Um ein solches Geschäft zu betreiben, mussten traditionelle Satellitenunternehmen Privatkunden bedienen und hohe Datenübertragungsraten verlangen. Fluggesellschaften, entfernte Außenposten, Schiffe, Kriegsgebiete und wichtige Infrastruktureinrichtungen zahlen etwa 5 USD pro 1 MB, was trotz der Verzögerung bei der Datenübertragung und der relativ geringen Satellitenbandbreite 5.000-mal teurer als herkömmliche ADSL-Kommunikation ist.
Starlink plant, mit terrestrischen Dienstleistern zu konkurrieren, was bedeutet, dass Daten billiger geliefert werden müssen und im Idealfall weniger als 1 US-Dollar pro 1 MB benötigt werden. Ist das möglich Oder wenn dies möglich ist, sollte man fragen: Wie ist das möglich?
Die erste Zutat in dem neuen Gericht ist eine billige Einführung. Heute verkauft Falcon einen 24-Tonnen-Start für etwa 60 Millionen US-Dollar, das sind 2.500 US-Dollar pro Kilogramm. Es fallen jedoch weitaus mehr interne Kosten an. Starlink-Satelliten werden auf wiederverwendbaren Trägerraketen gestartet, sodass die Grenzkosten für einen Start die Kosten für eine neue zweite Stufe (etwa 4 Mio. USD), Verkleidungen (1 Mio. USD) und Bodenunterstützung (~ 1 Mio. USD) betragen. Insgesamt: ungefähr 100.000 Dollar pro Satellit, d. H. mehr als 1000-mal billiger als der Start eines herkömmlichen Kommunikationssatelliten.
Die meisten Starlink-Satelliten werden jedoch auf Starship gestartet. In der Tat gibt die Entwicklung von Starlink, wie aktualisierte Berichte der FCC zeigen, einen Einblick in die Entwicklung der internen Architektur des Projekts , als die Starship-Idee umgesetzt wurde . Die Gesamtzahl der Satelliten in der Konstellation stieg von 1.584 auf 2.825, dann auf 7.518 und schließlich auf 30.000. Laut Bruttoakkumulation ist die Zahl sogar noch höher. Die Mindestanzahl von Satelliten für die erste Entwicklungsstufe eines Projekts beträgt 60 Stück in 6 Umlaufbahnen (insgesamt 360), während 24 Umlaufbahnen mit 60 Satelliten (insgesamt 1440) für eine vollständige Abdeckung innerhalb eines Abstands von 53 Grad zum Äquator erforderlich sind. Für Falcon sind dies 24 Starts für etwa 150 Millionen US-Dollar inländische Kosten. Starship ist für den gleichzeitigen Start von bis zu 400 Satelliten zum ungefähr gleichen Preis ausgelegt. Starlink-Satelliten werden alle 5 Jahre ausgetauscht, sodass für 6.000 Satelliten 15 Starship-Starts pro Jahr erforderlich sind. Das kostet rund 100 Millionen pro Jahr oder 15 Tausend pro Satellit. Jeder auf dem Falcon angezeigte Satellit wiegt 227 kg. Die auf Starship gehobenen Satelliten könnten 320 kg wiegen und Instrumente von Drittanbietern tragen, etwas größer sein und gleichzeitig die zulässige Zuladung nicht überschreiten.
Was kostet ein Satellit? Unter den Brüdern sind Starlink-Satelliten etwas ungewöhnlich. Sie werden flach zusammengebaut, gelagert und eingeführt und sind daher in der Massenproduktion äußerst einfach. Wie die Erfahrung zeigt, sollten die Produktionskosten in etwa den Kosten des Trägers entsprechen. Wenn der Preisunterschied groß ist, werden die Ressourcen falsch zugeordnet, da eine umfassende Reduzierung der Grenzkosten bei gleichzeitiger Kostensenkung nicht so groß ist. Sind es wirklich 100.000 Dollar pro Satellit für die erste Charge von mehreren hundert - ist das real? Mit anderen Worten, ist der Starlink-Satellit im Gerät nicht komplexer als eine Maschine?
Um diese Frage vollständig zu beantworten, müssen Sie verstehen, warum die Kosten eines Satelliten für die Weltraumkommunikation 1000-mal höher sind, auch wenn sie nicht 1000-mal komplizierter sind. Um es einfach auszudrücken, mit welcher Freude ist der Raum „Eisen“ so teuer? Dafür gibt es viele Gründe, aber der überzeugendste ist in diesem Fall: Wenn der Start eines Satelliten in die Umlaufbahn (vor Falcon) mehr als 100 Millionen Euro kostet, muss sichergestellt sein, dass er viele Jahre funktioniert - um zumindest einen gewissen Gewinn zu erzielen. Diese Zuverlässigkeit beim Betrieb des ersten und einzigen Produkts sicherzustellen, ist ein schmerzhafter Prozess, der sich über Jahre hinziehen kann und die Anstrengungen von Hunderten von Menschen erfordert. Fügen Sie die Kosten hinzu, und jetzt ist es einfach, zusätzliche Prozesse zu rechtfertigen, da der Start bereits teuer ist.
Starlink durchbricht dieses Paradigma, indem es Hunderte von Satelliten erstellt, frühe Konstruktionsfehler schnell korrigiert und Massenproduktionstechniken zur Kostenkontrolle einsetzt. Ich persönlich kann mir leicht den Starlink-Förderer vorstellen, auf dem der Techniker in ein oder zwei Stunden etwas Neues in die Struktur integriert und alles mit einem Kunststoffestrich (natürlich auf NASA-Ebene) befestigt und dabei die erforderliche Ersatzmenge von 16 Satelliten / Tag beibehält. Der Starlink-Satellit enthält viele knifflige Details, aber ich sehe keine Gründe, warum die Kosten des tausendsten vom Fließband kommenden Geräts nicht auf 20.000 gesenkt werden können. Im Mai schrieb Ilon auf Twitter, dass die Satellitenproduktionskosten bereits niedriger sind als die Startkosten .
Nehmen Sie den Durchschnittsfall und analysieren Sie die Amortisationszeit, indem Sie die Zahlen runden. Ein Starlink-Satellit, dessen Zusammenbau und Start 100.000 US-Dollar kostet, ist seit 5 Jahren in Betrieb. Wird er für sich selbst bezahlen, und wenn ja, wie bald?
Der Starlink-Satellit wird 5 Jahre lang 30.000 Mal um die Erde fliegen. In jeder dieser eineinhalb Stunden verbringt er die meiste Zeit über dem Meer und wahrscheinlich 100 Sekunden über einer dicht besiedelten Stadt. In diesem kurzen Fenster sendet er Daten, um Geld zu verdienen. Wenn wir davon ausgehen, dass die Antenne 100 Strahlen unterstützt und jeder Strahl 100 Mb / s mit einer modernen Codierung wie 4096QAM überträgt , generiert der Satellit einen Gewinn von 1.000 USD pro Umdrehung - bei einem Abonnementpreis von 1 USD pro 1 GB. Dies ist ausreichend, um die Bereitstellungskosten von 100.000 pro Woche zu erstatten und die Kapitalstruktur erheblich zu vereinfachen. Die verbleibenden 29.900 Umdrehungen sind Gewinn abzüglich Fixkosten.
Die geschätzten Zahlen können in beide Richtungen stark variieren. Wenn Sie jedoch in der Lage sind, eine Satellitenkonstellation mit niedriger Qualität für 100.000 oder sogar für 1 Million pro Einheit zu starten, ist dies eine ernsthafte Anforderung. Selbst unter Berücksichtigung der lächerlich kurzen Nutzungsdauer kann der Starlink-Satellit über seine gesamte Lebensdauer 30 Pb an Daten zu Amortisationskosten von 0,003 USD pro 1 GB liefern. Gleichzeitig steigen die Grenzkosten beim Umsteigen auf größere Entfernungen praktisch nicht an.
Um die Bedeutung dieses Modells zu verstehen, vergleichen wir es kurz mit zwei anderen Modellen für die Datenübertragung an Verbraucher: das traditionelle ist Glasfaserkabel und die Satellitenkonstellation, die von einem Unternehmen angeboten wird, das sich nicht auf Satellitenstarts spezialisiert hat.
SEA-WE-ME, ein großes U-Boot-Internetkabel , das Frankreich und Singapur verbindet, wurde 2005 in Betrieb genommen. — 1,28 /., — 500 . . 10 100% , 100% , 0,02 1 . , — , . Starlink 8 , « ».
Wie ist das möglich? Starlink , , . , «».
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Architektur
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Ich möchte Sie daran erinnern, dass in diesem Torus die Kommunikation zwischen benachbarten Satelliten stattfindet. Im Allgemeinen gibt es keine direkten und kontinuierlichen Verbindungen zwischen Satelliten in verschiedenen Schichten, da die Annäherungsgeschwindigkeiten für die Laserführung zu hoch sind. Der Datenpfad zwischen den Schichten verläuft wiederum über oder unter dem Torus.
Insgesamt 30.000 Satelliten werden sich in 11 geschlossenen Tori weit hinter der ISS-Umlaufbahn befinden! Dieses Diagramm zeigt, wie alle diese Schichten ohne übertriebene Exzentrizität verpackt sind.
Und schließlich sollten Sie über die optimale Flughöhe nachdenken. Es gibt ein Dilemma: Niedrige Flughöhe, die mehr Bandbreite bei kleineren Strahlengrößen bietet, oder große Flughöhe, mit der Sie den gesamten Planeten mit weniger Satelliten abdecken können? Im Laufe der Zeit sprachen die FCC-Berichte von SpaceX von immer kleineren Höhen, da es mit dem verbesserten Starship möglich ist, schnell größere Gruppen einzusetzen.
Niedrige Flughöhen bieten weitere Vorteile, darunter ein geringeres Kollisionsrisiko mit Weltraummüll oder die negativen Folgen eines Geräteausfalls. Aufgrund des erhöhten Luftwiderstands brennen Starlink-Satelliten (330 km), die sich unter anderen befinden, innerhalb weniger Wochen aus, nachdem sie die Orientierungskontrolle verloren haben. In der Tat sind 300 km die Höhe, in der Satelliten kaum fliegen, und für die Aufrechterhaltung der Höhe ist der in Krypton eingebaute elektrische Raketenmotor sowie ein stromlinienförmiges Design erforderlich. Theoretisch ist der Satellit ziemlich spitz, mit einem elektrischen Raketenmotor kann er eine Höhe von 160 km stabil halten, aber es ist unwahrscheinlich, dass SpaceX Satelliten so niedrig startet, weil es noch ein paar Tricks gibt, um den Durchsatz zu steigern.
Einschränkungen der Grundlagenphysik
Es ist unwahrscheinlich, dass die Satellitenplatzierungspreise jemals deutlich unter 35.000 fallen werden, selbst wenn die Produktion fortgeschritten und vollautomatisch ist und Schiffe von Starship vollständig wiederverwendbar sind, und es ist noch nicht vollständig bekannt, welche Beschränkungen der Physiker dem Satelliten auferlegen wird. Die obige Analyse geht von einem Spitzendurchsatz von 80 Gb / s aus. (Wenn Sie bis zu 100 Strahlen aufrunden, von denen jeder 100 MB / s übertragen kann).
Das maximale Bandbreitenlimit wird im Shannon-Hartley-Theorem festgelegt und in der Statistik zur Bandbreite (1 + SNR) angegeben. Die Bandbreite wird häufig durch das verfügbare Spektrum begrenzt , während das SNR durch die verfügbare Satellitenenergie, das Hintergrundrauschen und das Kanalrauschen aufgrund nicht idealer Antennen begrenzt wird . Eine weitere bemerkenswerte Hürde ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die neuesten Xilinx Ultrascale + FPGAs bieten eine serielle GTM-Bandbreite von bis zu 58 Gbit / s. Das ist gut unter den gegenwärtigen Einschränkungen der Kanalinformationskapazität, ohne kundenspezifische ASICs zu entwickeln. Aber auch dann noch 58 Gb / s. erfordern eine beeindruckende Frequenzverteilung, höchstwahrscheinlich im Ka- oder V-Band. V (40–75 GHz) weist zugänglichere Zyklen auf, ist jedoch einer höheren Luftabsorption ausgesetzt, insbesondere in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit.
Sind 100 Strahlen praktisch? Dieses Problem hat zwei Aspekte: Strahlbreite und Dichte eines phasengesteuerten Array-Elements. Die Strahlbreite wird durch die Wellenlänge geteilt durch den Durchmesser der Antenne bestimmt. Die digitale Phased-Array-Antenne ist nach wie vor eine Spezialtechnologie, die maximalen Nutzabmessungen werden jedoch durch die Breite des Reflow-Ofens (ca. 1 m) bestimmt, und die Verwendung von Hochfrequenzkommunikation ist teurer. Die Wellenlänge im Ka-Band beträgt ca. 1 cm, während die Strahlbreite 0,01 Radiant betragen sollte - bei einer Spektrumsbreite von 50% der Amplitude. Angenommen, der Raumwinkel des Strahls beträgt 1 Steradiant (ähnlich der Abdeckung des Objektivs einer 50-mm-Kamera), dann reichen 2500 separate Strahlen in diesem Bereich aus. Die Linearität impliziert, dass 2500 Strahlen mindestens 2500 Antennenelemente innerhalb des Arrays erfordern, was im Prinzip real ist, wenn auch schwierig. Und das alles wird sehr warm!
Insgesamt 2500 Kanäle, von denen jeder 58 Gbit / s unterstützt, sind eine enorme Informationsmenge - ungefähr 145 Tbit / s. Zum Vergleich: Der gesamte Internetverkehr wird im Jahr 2020 voraussichtlich durchschnittlich 640 Tb / s erreichen . Gute Nachrichten für diejenigen, die sich Sorgen über die grundsätzlich niedrige Bandbreite des Satelliten-Internets machen. Wenn die Konstellation von 30.000 Satelliten bis 2026 betriebsbereit ist, wird der globale Internetverkehr möglicherweise 800 Tb / s betragen. Wenn die Hälfte dieses Volumens zu einem bestimmten Zeitpunkt von ~ 500 Satelliten über dicht besiedelten Gebieten geliefert wird, beträgt der Spitzendurchsatz für jeden Satelliten ungefähr 800 Gb / s, was 10-mal höher ist als nach unseren anfänglichen Grundberechnungen, t. e. Der Zufluss von Finanzmitteln wächst möglicherweise um das Zehnfache.
Bei einem Satelliten in einer Umlaufbahn von 330 km deckt ein Strahl von 0,01 Radiant eine Fläche von 10 km2 ab. In besonders dicht besiedelten Gebieten wie Manhattan leben bis zu 300.000 Menschen. Und wenn sie sich alle hinsetzen, um Netflix auf einmal anzusehen (7 Mb / s in HD-Qualität)? Die gesamte Datenanforderung wird 2.000 GB / s betragen, was etwa dem 35-fachen der aktuellen strengen Grenze entspricht, die von der seriellen FPGA-Ausgangsschnittstelle festgelegt wird. Es gibt zwei Wege aus dieser Situation heraus, von denen nur einer physikalisch möglich ist.
Die erste besteht darin, mehr Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, so dass zu jedem Zeitpunkt über den Bereichen mit erhöhter Nachfrage mehr als 35 Teile hängen. Wenn wir erneut 1 Steradiant für eine akzeptable adressierbare Himmelsstrecke und eine durchschnittliche Umlaufbahnhöhe von 400 km nehmen, erhalten wir eine Gruppendichte von 0,0002 / km² oder 100,000 insgesamt - wenn sie gleichmäßig über die gesamte Erdoberfläche verteilt sind. Erinnern Sie sich daran, dass die ausgewählten SpaceX-Umlaufbahnen die Dichte der Abdeckung in dicht besiedelten Gebieten innerhalb von 20 bis 40 Grad nördlicher Breite stark erhöhen, und dass jetzt die Anzahl von 30.000 Satelliten magisch erscheint.
Die zweite Idee ist viel cooler, aber leider nicht machbar. Denken Sie daran, dass die Strahlbreite durch die Breite der Phased-Array-Antenne bestimmt wird. Was ist, wenn mehrere Arrays auf mehreren Satelliten die Kräfte verbinden und einen schmaleren Strahl erzeugen - genau wie bei Radioteleskopen mit demselben VLA (sehr großes Antennensystem)? Diese Methode ist mit einer Komplexität behaftet: Die Basis zwischen den Satelliten muss sorgfältig berechnet werden - auf einen Submillimeter genau -, um die Phase des Strahls zu stabilisieren. Und selbst wenn dies möglich wäre, würde der resultierende Strahl aufgrund der geringen Dichte der Satellitenkonstellation am Himmel kaum die Nebenkeulen enthalten. Auf der Erde würde sich die Strahlbreite auf einige Millimeter verringern (genug, um die Antenne eines Mobiltelefons zu verfolgen), aber es würden Millionen von ihnen aufgrund einer schwachen Zwischennullung auftreten. Dank dem Fluch des ausgedünnten Antennenfeldes .
Es zeigt sich, dass die Trennung von Kanälen durch Winkeldiversität - da die Satelliten über den Himmel verteilt sind - eine ausreichende Verbesserung des Durchsatzes bewirkt, ohne die Gesetze der Physik zu verletzen.
Bewerbung
Was ist das Starlink-Kundenprofil? Standardmäßig gibt es Hunderte von Millionen von Benutzern, die über Antennen in Dachgröße auf den Dächern ihrer Häuser verfügen, aber es gibt auch andere Quellen mit hohem Einkommen.
In abgelegenen und ländlichen Gebieten benötigen Bodenstationen keine Phased-Array-Antennen, um die Strahlbreite zu maximieren. Daher kann eine kleinere Teilnehmereinheit verwendet werden: vom IoT-Asset-Tracker bis hin zu tragbaren Satellitentelefonen, Notfallbaken oder wissenschaftlichen Tierverfolgungsgeräten.
In dicht besiedelten städtischen Umgebungen wird Starlink ein primäres und Backup-Transportnetz für das Mobilfunknetz bereitstellen. Es wird möglich sein, eine Hochleistungs-Bodenstation über jedem Zellturm zu installieren, aber bodengestützte Stromversorgungen zu verwenden, um die „letzte Meile“ zu verstärken und zu übertragen.
Und schließlich ist es sogar in überfüllten Gebieten während des anfänglichen Roll-outs möglich, Satelliten mit einer extrem geringen Verzögerung für Satelliten mit niedriger Umlaufbahn zu verwenden. Finanzunternehmen stecken selbst eine Menge Geld in Ihre Hände - nur um wichtige Daten aus der ganzen Welt zumindest ein wenig schneller abzurufen. Und selbst wenn Daten über Starlink einen längeren Pfad als gewöhnlich haben - durch den Weltraum -, ist die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum 50% höher als in Quarzglas, und dies zahlt sich mehr als aus, wenn über große Entfernungen übertragen wird.
Negative auswirkungen
Der letzte Abschnitt ist den negativen Folgen gewidmet. Der Artikel soll Sie von Missverständnissen über das Projekt befreien und die potenziellen negativen Folgen von Streitigkeiten am häufigsten hervorrufen. Ich werde einige Informationen geben und auf übermäßige Interpretation verzichten. Ich bin immer noch kein Hellseher und habe keine Insider von SpaceX.
Die schwerwiegendsten Konsequenzen sind meines Erachtens ein verstärkter Zugang zum Internet. Selbst in meiner Heimatstadt Pasadena, einer pulsierenden und technisch hoch entwickelten Millionenstadt mit mehreren Observatorien, einer erstklassigen Universität und dem größten Zentrum der NASA, ist die Auswahl an Internetdiensten sehr begrenzt. In den Vereinigten Staaten und im Rest der Welt hat sich das Internet zu einem mietorientierten Versorgungsunternehmen entwickelt, und die Anbieter könnten ihre monatlichen 50 Millionen US-Dollar nur in einem komfortablen, nicht wettbewerbsorientierten Umfeld verdienen. Möglicherweise ist jede Dienstleistung, die an Wohnungen und Wohngebäuden erbracht wird, eine Gemeinschaftswohnung, aber die Qualität der Internetdienste ist schlechter als die von Wasser, Strom oder Gas.
Das Problem mit dem Status Quo ist, dass das Internet im Gegensatz zu Wasser, Strom oder Gas noch jung ist und sich schnell entwickelt. Wir finden ständig neue Verwendungen dafür. Die revolutionärste ist noch nicht offen, aber Paketpläne schränken die Möglichkeit von Wettbewerb und Innovation ein. Milliarden von Menschen sind aufgrund der Umstände ihrer Geburt oder weil ihr Land zu weit vom U-Boot-Kabelkanal entfernt ist, von der digitalen Revolution ausgeschlossen . Geostationäre Satelliten versorgen immer noch große Regionen des Planeten mit Internet zu einem räuberischen Preis.
Starlink, das das Internet ständig vom Himmel aus verbreitet, verstößt gegen dieses Modell. Ich kenne keinen besseren Weg, um Milliarden von Menschen mit dem Internet zu verbinden. SpaceX ist auf dem Weg, ein Internetdienstanbieter und möglicherweise ein Internetunternehmen zu werden, das mit Google und Facebook konkurriert. Ich wette, daran hast du noch nie gedacht.
Die Tatsache, dass Satelliten-Internet die beste Option ist, ist nicht offensichtlich. SpaceX und nur SpaceX sind in der Lage, schnell eine umfangreiche Satellitenkonstellation zu erstellen, da nur ein Jahrzehnt vergangen ist, um das Monopol der Regierung und des Militärs beim Start von Raumfahrzeugen zu brechen. Selbst wenn Iridium Mobiltelefone auf dem Markt um das Zehnfache übertroffen hätte, wäre es mit herkömmlichen Pads noch nicht weit verbreitet gewesen. Ohne SpaceX und sein einzigartiges Geschäftsmodell ist es wahrscheinlich, dass das globale Satelliten-Internet einfach niemals stattfinden wird.
Der zweite große Schlag wird in der Astronomie sein. Nach dem Start der ersten 60 Starlink-Satelliten setzte in der internationalen astronomischen Gemeinschaft eine Welle der Kritik ein, wonach eine signifikant erhöhte Anzahl von Satelliten den Zugang zum Nachthimmel blockieren würde. Es gibt ein Sprichwort: Unter den Astronomen der Kühlere mit dem größten Teleskop. Ohne Übertreibung ist es eine architruale Aufgabe, sich in der Neuzeit mit Astronomie zu beschäftigen. Dies erinnert an den ständigen Kampf um die Verbesserung der Analysequalität vor dem Hintergrund der wachsenden Lichtverschmutzung und anderer Lärmquellen.
Am allerwenigsten braucht der Astronom Tausende von hellen Satelliten, die im Fokus des Teleskops flackern. In der Tat erlangte die erste Gruppe von Iridium den Ruf, "Licht" zu geben, weil große Tafeln das Sonnenlicht auf kleine Bereiche der Erde reflektierten. Es kam vor, dass sie die Helligkeit eines Viertels des Mondes erreichten und manchmal sogar versehentlich empfindliche astronomische Sensoren beschädigten. Die Befürchtungen, dass Starlink in die in der Radioastronomie verwendeten Radiobänder eindringen wird, sind nicht unbegründet.
Wenn Sie die Satelliten-Tracking-Anwendung herunterladen, können Sie an einem klaren Abend Dutzende von Satelliten am Himmel fliegen sehen. Satelliten sind nach Sonnenuntergang und vor Sonnenaufgang sichtbar, jedoch nur, wenn sie von den Sonnenstrahlen beleuchtet werden. Später in der Nacht sind Satelliten im Schatten der Erde unsichtbar. Sie sind winzig, extrem weit entfernt und bewegen sich sehr schnell. Es besteht die Möglichkeit, dass sie einen fernen Stern für weniger als eine Millisekunde verdecken, aber ich denke, selbst wenn man dies entdeckt, ist dies eine weitere Hämorrhoide.
Eine starke Besorgnis aufgrund von Himmelsreflexen trat auf, weil die Satellitenschicht für den ersten Start in der Nähe des Erdterminators errichtet wurde, d. H. Nacht für Nacht beobachtete Europa - und es war Sommer - ein episches Bild davon, wie in der Abenddämmerung Satelliten in den Himmel fliegen. Weiter zeigten Simulationen, die auf Berichten der FCC basierten, dass Satelliten in einer Umlaufbahn von 1.150 km auch nach astronomischen Dämmerungspässen sichtbar sind. Im Allgemeinen durchläuft die Dämmerung drei Phasen: zivile, marine und astronomische, d.h. wenn die Sonne 6, 12 und 18 Grad unter dem Horizont ist. Am Ende der astronomischen Dämmerung befinden sich die Sonnenstrahlen etwa 650 km von der Oberfläche entfernt im Zenit, weit außerhalb der Atmosphäre und des größten Teils der Erdumlaufbahn. Basierend auf Daten der Starlink-Website glaube ich, dass sich alle Satelliten in einer Höhe unter 600 km befinden werden. In diesem Fall sind sie in der Abenddämmerung zu sehen, jedoch nicht nach Einbruch der Dunkelheit, was die möglichen Konsequenzen für die Astronomie erheblich verringert.
Das dritte Problem sind Trümmer aus der Umlaufbahn. In einem früheren Beitrag habe ich darauf hingewiesen, dass Satelliten und Trümmer unter 600 km aufgrund von atmosphärischem Widerstand innerhalb weniger Jahre ihre Umlaufbahn verlassen werden, was die Wahrscheinlichkeit eines Kessler-Syndroms erheblich verringert. SpaceX stört den Schmutz, als ob sie überhaupt nicht an Weltraummüll denken würden. Wenn ich mir die Details der Starlink-Implementierung anschaue, fällt es mir schwer, mir den besten Weg vorzustellen, um die Menge an Müll im Orbit zu reduzieren.
Die Satelliten werden in einer Höhe von 350 km angezeigt und fliegen dann mit den eingebauten Motoren in die vorgesehene Umlaufbahn. Jeder Satellit, der beim Start gestorben ist, wird in wenigen Wochen die Umlaufbahn verlassen und nicht höher als in den nächsten tausend Jahren gewickelt sein. Eine solche Platzierung beinhaltet strategisch das Testen auf freien Eintritt. Darüber hinaus haben Starlink-Satelliten einen flachen Querschnitt, was bedeutet, dass sie, wenn sie die Kontrolle über die Höhe verlieren, in dichte Schichten der Atmosphäre eindringen.
Nur wenige wissen, dass SpaceX zu einem Pionier der Astronautik wurde und statt Zündpillen alternative Arten von Reittieren einsetzte. Fast alle Startrampen verwenden die Zündpille, wenn Stufen, Satelliten, Verkleidungen usw. eingesetzt werden, wodurch die potenzielle Menge an Müll erhöht wird. SpaceX entfernt auch absichtlich die oberen Stufen aus der Umlaufbahn und verhindert, dass sie für immer im Weltraum hängen, damit sie dort nicht zerfallen und in einer starren Weltraumumgebung nicht zerfallen.
Das letzte Problem, das ich erwähnen möchte, ist die Möglichkeit, dass SpaceX das bestehende Monopol im Internet ablöst und ein eigenes schafft. SpaceX hat in seiner Nische bereits Markteinführungen monopolisiert. Nur der Wunsch rivalisierender Regierungen nach einem garantierten Zugang zum Weltraum erlaubt es ihnen nicht, teure und veraltete Raketen abzuschreiben, die häufig von großen monopolistischen Verteidigungsunternehmen zusammengebaut werden.
Es ist nicht so schwer vorstellbar, wie SpaceX im Jahr 2030 6.000 seiner Satelliten sowie mehrere Spionagesatelliten aus einer alten Erinnerung starten wird. Günstige und zuverlässige SpaceX-Satelliten werden ab sofort Rack-Speicher für Geräte von Drittanbietern anbieten. Jede Universität, die eine Kamera entwickelt hat, die für den Einsatz im Weltraum geeignet ist, kann sie in die Umlaufbahn befördern, und es ist nicht erforderlich, die Kosten für den Bau einer gesamten Weltraumplattform zu tragen. Mit diesem fortschrittlichen und uneingeschränkten Zugang zum Weltraum ist Starlink bereits mit Satelliten verbunden, während historische Hersteller der Vergangenheit angehören.
Es gibt Beispiele für weitsichtige Unternehmen in der Geschichte, die auf dem Markt eine so große Nische besetzt haben, dass ihre Namen zu gebräuchlichen Substantiven geworden sind: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Ein Problem kann entstehen, wenn ein Pionierunternehmen wettbewerbswidrige Praktiken anwendet, um seinen Marktanteil zu halten, obwohl dies seit Präsident Reagan oftmals nicht verboten wurde. SpaceX behält möglicherweise das Monopol von Starlink, indem andere Entwickler von Satellitenkonstellationen gezwungen werden, Satelliten auf alten sowjetischen Raketen zu starten. Ähnliche Maßnahmen des United Aircraft and Transportation-Unternehmens , verbunden mit der Festsetzung des Postpreises, führten 1934 zum Zusammenbruch. Glücklicherweise ist es unwahrscheinlich, dass SpaceX für immer ein absolutes Monopol für wiederverwendbare Raketen behält.
Noch besorgniserregender ist die Tatsache, dass der Einsatz von SpaceX von Zehntausenden von Satelliten im niedrigen Orbit als Kooptation des öffentlichen Raums ausgelegt werden kann. Ein privates Unternehmen, das persönlichen Gewinn anstrebt, erlangt den dauerhaften Besitz von ehemals allgemein zugänglichen und nicht besetzten Orbitalpositionen. Und obwohl die Innovationen von SpaceX es ermöglichten, wirklich Geld im luftleeren Raum zu verdienen, wurde der größte Teil des intellektuellen Kapitals von SpaceX aus Milliarden von Dollar finanziert, die aus dem Forschungsbudget bereitgestellt wurden.
Einerseits sind Gesetze erforderlich, um private Investitionen, Forschung und Entwicklung zu schützen. Ohne diesen Schutz können Innovatoren keine ehrgeizigen Projekte finanzieren oder ihre Unternehmen dorthin verlegen, wo ihnen ein solcher Schutz gewährt wird. In jedem Fall leidet die Öffentlichkeit, weil kein Gewinn gebildet wird. , , , — , . , . SpaceX . , , .
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