Starlink to konstelacja satelitarna mająca docelowo składać się z 42 000 satelitów rozmieszczonych na niskiej orbicie okołoziemskiej. Samo nasuwa się pytanie – dlaczego aż tyle? Otóż, aby zapewnić szybki i powszechny dostęp do Internetu na całym świecie. Również w miejscach, gdzie Internet był tradycyjnie drogi, zawodny lub nawet całkowicie niedostępny.
Rozwój sieci Starlink, należącej do firmy SpaceX, rozpoczął się w 2015 roku. Pierwsze prototypowe satelity poleciały na orbitę w 2018 roku. Od tego czasu w przestrzeni kosmicznej znalazło się ponad 1500 funkcjonujących satelitów. Misje Starlink startują z Kennedy Space Center przy wykorzystaniu rakiet wielokrotnego użytku Falcon 9. Rakieta to wynosi również m.in. misje Crew Dragon na ISS. Koszt projektu Starlink oszacowano w 2018 roku na co najmniej 10 miliardów dolarów.
Zasada działania Starlink jest z pozoru prosta, dane są wysyłane i odbierane przez małą przenośną antenę naziemną. Satelita, który aktualnie znajduje się w jej zasięgu pełni funkcję pośrednika – odbiera i przekazuje dane od lub do kolejnego satelity w konstelacji. Proces ten odbywa się obecnie drogą radiową, lecz za rok po zakończeniu testów rolę tę przejmie laser. Więcej na temat komunikacji laserowej można przeczytać w tym artykule. Dane po pokonaniu „łańcuszka” satelitów-pośredników przesyłane są drogą radiową na Ziemię. Trafiają do odbiorcy w postaci użytkownika prywatnego lub węzła, który kieruje je dalej.
Im więcej satelitów w konstelacji, tym krótszą drogę pakiet danych ma do pokonania. Brzmi to trochę paradoksalnie, ale wystarczy sobie wyobrazić punkty A, B, C, D położone na kątach kwadratu. Aby się dostać z punktu A do C, musimy przejść na około przez B lub D. Kiedy narysujemy przekątną mamy już prostą drogę na skróty. Mając więcej satelitów, odciążamy również sieć, przez co zwiększamy prędkość transferu, unikając zatorów. Konstelacja Starlink w większości znajduje się ponad 60 razy bliżej Ziemi niż tradycyjne satelity, co skutkuje mniejszymi opóźnieniami.
Satelita Starlink
„Spróbujemy zrobić dla satelitów to, co zrobiliśmy dla rakiet”. „Aby zrewolucjonizować kosmos, musimy zająć się zarówno satelitami, jak i rakietami”
Elon Musk
Do tej pory przetestowano i wykorzystano pięć modeli satelitów Starlink: MicroSat, Tintin, V0.9, V1.0 (w konfiguracjach z laserem i bez) oraz DarkSat. W trakcie rozwoju są modele V1.5 i V2.0.
Satelity docelowo mają wykorzystywać optyczne łącza międzysatelitarne i fazowane układy wiązek laserowych oraz technologie przetwarzania cyfrowego w pasmach Ku-band i Ka-band. Międzysatelitarne łącza laserowe pomyślnie przetestowano pod koniec 2020 roku.
Satelity Starlink wyposażono w silniki wykorzystujące efekt Halla z gazem kryptonowym pełniącym funkcje masy reakcyjnej. Pędniki Krypton Hall mają tendencję do wykazywania znacznie większej erozji kanału przepływowego w porównaniu z podobnym elektrycznym układem napędowym działającym z ksenonem, ale koszt paliwa jest niższy. Satelity Starlink należą do klasy smallsat o masie od 100 do 500 kg.
Satelity są produkowane masowo, po znacznie niższych kosztach w przeliczeniu na jednostkę niż dotychczas istniejące modele.
Orbity
Starlink ma trzy fazy lotu: podnoszenie orbity, orbita parkingowa (380 km) i orbita operacyjna (550 km). Podczas podnoszenia orbity satelity używają swoich silników kryptonowych, aby zwiększy wysokość w ciągu kilku tygodni. Niektóre satelity kierują się bezpośrednio na orbitę operacyjną. Inne natomiast zatrzymują się na orbicie parkingowej, by z biegiem czasu przyjąć dogodniejszą pozycję względem pozostałych obiektów konstelacji. Gdy satelity znajdą się na orbicie operacyjnej, zmieniają konfigurację, tak aby anteny były skierowane w stronę Ziemi. Panele słoneczne zaś ustawiają się pionowo, tak by mogły śledzić Słońce i zmaksymalizować wytwarzanie energii. W wyniku tego manewru satelity stają się znacznie ciemniejsze, ponieważ widoczność paneli słonecznych z Ziemi zostaje ograniczona.
Obecnie około połowa satelitów znajduje się na orbicie operacyjnej, a druga połowa podnosi orbitę lub znajduje się na orbicie parkingowej. Na szczęście satelity spędzają niewielką część swojego życia na podnoszeniu orbity lub parkowaniu. Większość swego istnienia przebywają na orbicie operacyjnej.
Podczas podnoszenia orbity satelity muszą minimalizować swoje pole przekroju poprzecznego względem szczątkowej atmosfery, w przeciwnym razie jej opór będzie zbyt wielki w stosunku do mocy silnika. Utrudnia to operowanie satelitami, jednak przynosi to również korzyści. Duży opór oznacza, że każdy satelita, który ulegnie nieodwracalnej awarii, szybko i bezpiecznie spali się w atmosferze. Zmniejsza to ilość „śmieci kosmicznych” na orbicie.
Model komunikacji sieciowej
Ruch internetowy za pośrednictwem satelity geostacjonarnego ma teoretyczne opóźnienie w obie strony wynoszące co najmniej 477 ms. W praktyce obecne satelity mają opóźnienia 600 ms lub więcej. Satelity Starlink znajdują się na wysokości, która wynosi 1⁄30 orbity geostacjonarnej. Dzięki temu oferują znacznie niższe opóźnienia między Ziemią a satelitą wynoszące od 25 do 35 ms. System będzie używał protokołu Peer-to-peer oraz szyfrowania typu end-to-end.
Protokół Peer-to-peer (P2P) to przeciwieństwo architektury klient-serwer, zapewnia wszystkim hostom te same uprawnienia. W sieciach P2P każdy węzeł sieci pełni równocześnie rolę klienta i serwera. Wymiana danych jest prowadzona bezpośrednio pomiędzy hostami.
W przypadku tradycyjnego modelu klient-serwer, oprócz zwykłych satelitów pełniących funkcję „kabla” należałoby rozmieścić na orbicie satelity-serwery. Istniałaby też możliwość umieszczenia serwerów na stacjach naziemnych. Powodowałoby to jednak opóźnienia związane z drogą, jaką dane musiałyby pokonać.
Zanieczyszczenie świetlne nocnego nieba
Starlink wywołuje liczne kontrowersje wśród astronomów i obserwatorów gwiazd. Po zbudowaniu pełnej konstelacji nad naszą głową będzie przelatywał przynajmniej jeden satelita konstelacji, a gdy ten zniknie za horyzontem, kolejny pojawi się po przeciwnej stronie nieba i zajmie jego miejsce. Powoduje to problem sztucznego świetlnego zanieczyszczenia nieba. Przykładowo trudno będzie uzyskać zdjęcie z długim czasem naświetlania bez widocznych „kresek” w postaci satelitów Starlink.
Podczas podnoszenia orbity, gdy panel fotowoltaiczny znajduje się w pozycji „open book”, światło słoneczne może odbijać się zarówno od niego, jak i korpusu satelity w kierunku Ziemi. Na orbicie operacyjnej tylko niektóre części są w stanie odbijać promienie świetlne w kierunku naszej planety. Trwają prace nad tym, aby satelity Starlink nie odbijały światła słonecznego w kierunku Ziemi.
SpaceX w ogólnym rozrachunku chce osiągnąć dwa cele. Po pierwsze sprawić, by wszystkie satelity konstelacji Starlink były niewidoczne z Ziemi gołym okiem w ciągu tygodnia od wystrzelenia. Po drugie maksymalnie zminimalizować wpływ konstelacji na badania astronomiczne prowadzone z powierzchni naszej planety.
Pierwszy cel ma zostać osiągnięty poprzez zmianę charakterystyki lotu satelitów na orbicie operacyjnej. Mają ustawiać się tak, aby leciały „ostrzem” w kierunku Słońca. Aby zrozumieć, co oznacza „ostrzem” musimy poznać budowę satelity Starlink. Jak widać na załączonym obrazku, ich konstrukcja przypomina literę „L”, ostrzem zatem będzie cieńszy bok.
Po drugie, do każdego satelity ma być montowana rozkładana osłona przeciwrefleksyjna. Ma ona pochłaniać promieniowanie słoneczne tak, by nie było odbijane w kierunku Ziemi.
Pierwsze próby zmniejszenia albedo konstelacji firma SpaceX przeprowadziła na satelicie DarkSat, w którym przyciemniono układ fazowany i anteny paraboliczne. Zmniejszyło to albedo satelity o około 55%. To niemal tyle, by satelita przestał być widoczny gołym okiem. Taka konfiguracja spowodowała jednak liczne problemy. Zastosowanie czarnych elementów pochłaniających promieniowanie sprawiło, że zachwiana została skuteczna termoregulacja urządzenia.
Aby ułatwić astronomom planowanie obserwacji powstała strona space-track.org. Za jej pomocą można w czasie rzeczywistym wygenerować prognozę przelotu poszczególnych satelitów konstelacji Starlink.
Inne kontrowersje
Duża liczba satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej stwarza również długoterminowe zagrożenie kosmicznymi śmieciami, ponieważ potęguje ryzyko orbitalnych kolizji. W skrajnym przypadku może nawet wywołać zjawisko znane jako Syndrom Kesslera, który przypomina efekt domino. Odłamki powstałe z kolizji dwóch satelitów mogą niszczyć kolejne obiekty na orbicie. Co w najgorszym przypadku może spowodować globalny brak łączności.
SpaceX zapewnia, że większość satelitów jest umieszczana na niższych wysokościach i oczekuje się, że uszkodzone satelity zdeorbitują w ciągu pięciu lat. ESA natomiast planuje zainwestować w technologie automatyzacji manewrów unikania kolizji satelitów.
Gęstość konstelacji utrudnia również wystrzeliwanie misji kosmicznych, przeszkadzając przy obliczaniu trajektorii oraz zmuszając do wczesnego planowania manewrów mijania.
Budowa konstelacji Starlink została zakwestionowana w lutym 2021, kiedy National Rural Electric Cooperative Association naciskało na Federal Communications Commission, aby „aktywnie, agresywnie i przemyślnie sprawdzała” wnioski o dotacje.
Firma SpaceX otrzymała 886 milionów dolarów za zobowiązanie do świadczenia usług dla 642 925 lokalizacji w 35 stanach w ramach Rural Digital Opportunity Fund. NRECA skrytykowała przydzielenie środków, ponieważ Starlink obejmie usługi w lokalizacjach, które nie są wiejskie oraz ponieważ będzie obsługiwać wszystkich klientów, którzy zażądają usługi z lub bez dotacji FCC.
Starlink szczególnie skrytykowano za to, że nadal jest w fazie testów beta i nie jest pewną technologią.
Konkurencja
Największymi konkurentami SpaceX w segmencie sieci satelitarnych jest OneWeb, Samsung, Telesat oraz Amazon ze swoim Project Kuiper. Znaczny wzrost przepustowości sieci satelitarnej na niższych orbitach spowodował, że inwestycje w nowe geosynchroniczne satelity łączności szerokopasmowej anulowano.
Jak odbierać Internet Starlink?
Obecnie sieć Starlink jest w fazie beta. Podczas testów użytkownicy mogą spodziewać się przesyłu danych w granicach od 50 Mb/s do 150 Mb/s i opóźnień od 20 ms do 40 ms w większości lokalizacji. Na tym etapie mogą również zdarzyć się krótkie okresy braku łączności. Usługa działa obecnie jedynie w USA i Kanadzie.
W Polsce Internet ze Starlink będzie dostępny we wrześniu tego roku. Aby uzyskać dostęp, musimy zamówić usługę na starlink.com. Otrzymamy wtedy router Wi-Fi, zasilacz, kable i statyw montażowy, oraz antenę, która po rozstawieniu automatycznie nakieruje się na najbliższego satelitę sieci. Antenę również wyposażono w system topienia zalegającego na niej śniegu. Aby wybrać najlepsze miejsce do instalacji, możemy skorzystać z aplikacji Starlink. Usługa kosztuje 99 USD miesięcznie plus podatki oraz opłata aktywacyjna w wysokości 500 USD.
Źródła:
