Przestrzeń kosmiczna jako motor jakości życia

Nastały dobre czasy dla sektora kosmicznego.

Poza głównymi programami eksploracyjnymi (powrót próbek asteroid, ponowna wyprawa na Księżyc, łaziki nowej generacji na Marsie i Księżycu zarówno ze Stanów Zjednoczonych, jak i Chin) orbita ziemska cała aż wrze.

Do niedawna branża kosmiczna była bardzo zadowolona z 20 lub 25 zamówień na satelity geostacjonarne (GEO) rocznie. W 2012 r. wystrzelono łącznie 134 satelity (21 GEO, kilka wystrzelonych satelitów do obserwacji Ziemi i konstelacji satelitów do pozycjonowania oraz wiele małych satelitów do różnych zastosowań), podczas gdy w roku 2020 liczba ta wzrosła do... aż 1272 latających ptaków! (a do połowy września 2021 r. wystartowało już prawie 1400 satelitów - więcej niż przez cały poprzedni rok!).

Małe satelity

Odpowiedzialnymi za taki stan rzeczy są małe satelity (SmallSats), które zalały kosmiczną panoramę, atakując na dwóch frontach: nanosatelity (o masie poniżej 10 kg) oraz wielkie konstelacje satelitów komunikacyjnych (każdy o masie wynoszącej zazwyczaj między 150 a 250 kg).

Nanosatelity, obejmujące standard CubeSat, umożliwiają dostęp do przestrzeni kosmicznej za ułamek kosztów związanych z innymi typami pojazdów. Posiadają one niewielki rozmiar, niemniej postęp w zakresie miniaturyzacji komponentów pozwala na wdrażanie zaawansowanych misji, co - wraz z niższymi kosztami wystrzeliwania na orbitę - doprowadziło do ich rozprzestrzenienia: z około 1750 wystrzelonych do tej pory nanosatelitów, niespełna około 100 zostało wystrzelonych na orbitę ponad 10 lat temu. Spółka Planet Labs wystrzeliła około 450 satelitów w różnych konstelacjach, z których ponad 150 „gołębi” wciąż lata, a spółka Spire Global około 100 „lemurów”.

Aby uzyskać więcej informacji na temat nanosatelitów, polecam stronę wprowadzającą hiszpańskiej spółki Alén Space, a także Nanosats Database.

Wielkie konstelacje

Chcę tutaj opowiedzieć o konstelacjach - wielu satelitach, które współpracują ze sobą w ramach realizacji danej misji. Mówimy o „wielkiej konstelacji” w przypadku równoczesnego istnienia wielu satelitów, powiedzmy więcej niż 250. Są one czasem nazywane „mega-konstelacjami”, jednak w nauce i inżynierii przedrostek mega oznacza milion i pomimo tego, że jest ich bardzo wiele, to nie są one jednak aż tak liczne.

Wielkie konstelacje satelitów komunikacyjnych są bardzo modne, a winę za to ponosi nasza żądza dysponowania dużą przepustowością. Jeśli się nad tym lepiej zastanowić, w ciągu ostatnich 5 lub 10 lat zużycie danych wzrosło spokojnie dziesięcio-, a nawet stukrotnie, a wymagamy ich nie tylko w domu, ale i wszędzie indziej: w samolotach, na statkach wycieczkowych, a nawet podczas pieszych wędrówek.

Niemniej jednak, według Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (z ang. ITU), 49% gospodarstw domowych na całym świecie nie dysponuje dostępem do Internetu. I nie mówimy tu tylko o krajach, które dopiero wchodzą na ścieżkę rozwoju: 13 milionów Europejczyków w ogólne go nie posiada, a 65 milionów nie ma dostępu do Internetu szerokopasmowego. Według Federalnej Komisji ds. Komunikacji Stanów Zjednoczonych, 6% populacji nie posiada tego łącza szerokopasmowego, co stanowi nawet jedną czwartą ogółu mieszkańców obszarów wiejskich. Zaledwie 31% gospodarstw domowych na terenie Stanów Zjednoczonych ma możliwość zamówienia Internetu światłowodowego (w Hiszpanii liczba ta przekracza 90%).

Ponieważ do 70% kosztów rozmieszczenia światłowodu stanowią prace budowlane (zasadniczo chodzi tu o kopanie rowów) i z uwagi na fakt, iż promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się przez światłowód z o połowę mniejszą prędkością w próżni, zapewnienie dostępu do Internetu przez satelitę wydaje się rozsądną opcją.

Idea ta nie jest nowa. Tak zwane satelity o wysokiej wydajności (HTS, High Throughput Satellite) zaczęły zapełniać orbitę GEO 2 Gbps Anik F2 w 2004 roku, osiągając 90 Gbps z KA-SAT w 2010 roku (co nagle potroiło przepustowość oferowaną przez europejskiego operatora Eutelsat) i 140 Gb/s ViaSat-1 w 2011 r. (satelita ten sam w sobie miał większą przepustowość niż wszystkie inne satelity amerykańskie łącznie). Nowa generacja satelitów o bardzo wysokiej przepustowości (VHTS) przekroczy 500 Gb/s i istnieje prawdopodobieństwo, że osiągną one prędkość wynoszącą terabit na sekundę (kilka z nich ma zostać wystrzelonych w 2022 r.: Konnect VHTS, Jupiter 3 i być może dwa z trzech satelitów systemu ViaSat-3).

Niemniej opóźnienie (czas potrzebny na przesłanie i pobranie wiadomości WhatsApp) zależy od odległości od satelity, a wynosi on ponad pół sekundy na orbicie GEO. Opóźnienie to jest odpowiednie do oglądania filmów na Netflixie (o ile transmisja nie zostanie przerwana, wszystko jest w porządku), ale nie do krytycznych aplikacji, takich jak usługi finansowe, telemedycyna… czy gry wideo. Musimy zbliżyć satelitę o wiele bardziej, aż do niskiej orbity okołoziemskiej (LEO, Low Earth Orbit), aby uzyskać opóźnienia rzędu 50 ms.

No dobrze, ale mamy problem: podczas gdy satelita GEO przez cały czas widzi 42% Ziemi, satelity LEO widzą znacznie mniejszy jej segment. W jaki zatem sposób docieramy do użytkowników? Odpowiedź brzmi: sadząc wielu satelitów.

Jest to racja bytu wielkich konstelacji satelitów komunikacyjnych - strategia znana od dawna, lecz która dopiero niedawno przekroczyła próg opłacalności (teoretycznie!) za sprawą szeregu postępów technologicznych, takich jak miniaturyzacja anten i wzmacniaczy oraz mniejsze koszty produkcji satelitów i ich wystrzeliwania na orbitę (a to z kolei dzięki rakietom wielokrotnego użytku i małym wyrzutniom). Jednak kluczowym elementem układanki jest antena terminali użytkownika: podczas gdy prosta, nieruchoma parabola z tworzywa sztucznego idealnie nadaje się do komunikacji z satelitami w układzie GEO, konstelacje LEO wymagają wysoce złożonych anten, zdolnych do jednoczesnego śledzenia kilku satelitów, podczas gdy przelatują ze świstem nad naszymi głowami.

Liczba zgłoszonych wielkich konstelacji jest przytłaczająca, choć wydaje się, że wiele z nich pozostanie bezpowrotnie na etapie PowerPoint. Poniższa tabela jest podsumowaniem tych, które uważam za najbardziej opłacalne. Zauważcie, że tylko OneWeb (z udziałem GMV w segmencie sterowania!) i Starlink rozpoczęły ich wdrażanie.

Blaski, ale i cienie

Jak dotąd omówiliśmy jasne strony wielkich konstelacji satelitów komunikacyjnych. Pozwolę sobie jednak na powiedzenie kilku słów o ich cieniach.

Pierwszy nie umknie nikomu: jest nim oddziaływanie na nocne niebo. Wielu z nas widziało „pociąg StarLink” - spektakularny „naszyjnik z pereł”, jaki można podziwiać po każdym wystrzeleniu satelitów SpaceX, dopóki nie wzniosą się one na przypisaną im orbitę operacyjną. Jednak nawet już po dotarciu do celu satelity będą świecić na skutek odbijania się promieni Słońca od ich paneli słonecznych.

Najbardziej zauważalny wpływ wywierany jest na sektor astronomii amatorskiej, ale również astronomii zawodowej (zwłaszcza w przypadku teleskopów optycznych o szerokim polu widzenia), a także radioastronomię. W czerwcu 2019 roku, po pierwszym wystrzeleniu Starlinka, Międzynarodowa Unia Astronomiczna (IAU) wydała oświadczenie w tej sprawie.

Kolejna wada wynika z tej samej ogromnej liczby satelitów. Za 10 lat liczba satelitów krążących wokół Ziemi wyniesie od 50 000 do 10 000 w zależności od ilości udanych konstelacji, tj. pięć lub dziesięć razy więcej niż obecnie latających (choć ze względu na ich mniejszy rozmiar masa na orbicie pomnoży się „zaledwie” przez dwa lub cztery). Zarządzanie tak dużą liczbą obiektów stanowi spore wyzwanie, zarówno pod względem obsługi konstelacji (manewry deorbitacyjne...), jak i zarządzania podejściami między obiektami (w tym wystrzeliwanie rakiet załogowych) oraz możliwego generowania śmieci kosmicznych (z ryzykiem wystąpienia syndromu Kesslera) lub kaskady ablacyjnej: możliwość, że kolizja odpadów na orbicie odbije się negatywnymi skutkami na pojazdach ze względu na efekt domina wytworzonych śmieci).

Wnioski

Przestrzeń kosmiczna jest motorem jakości życia.

Satelity obserwacji Ziemi (meteorologia, klęski żywiołowe, wpływ człowieka na środowisko...) oraz środowisko kosmiczne (pogoda kosmiczna, meteoryty itp.) dostarczają danych, dokładnych faktów, geolokalizowanych dzięki satelitom pozycjonującym. Po przefiltrowaniu, uporządkowaniu i wzajemnym zestawieniu (być może za pomocą technik sztucznej inteligencji) dane te generują przydatne informacje i wiedzę. Satelity komunikacyjne pomagają w rozpowszechnianiu tych i wszelkich innych informacji, z jakich zwyczajowo korzystamy, również w wolnym czasie (transmisje sportowe, kino, gry wideo itp). Satelity obserwacyjne, nawigacyjne i komunikacyjne odegrały istotną rolę w globalnym zarządzaniu pandemią COVID-19.

W szczególności wielkie konstelacje satelitów telekomunikacyjnych przyczynią się do likwidacji przepaści cyfrowej, demokratyzując dostęp do informacji. Stanowi to świetną okazję biznesową dla sektora kosmicznego, podczas gdy budujemy bardziej sprawiedliwe społeczeństwo cyfrowe.

Jednak, jak głosi zasada Petera Parkera, z wielką mocą wiąże się wielka odpowiedzialność.

W firmie GMV opowiadamy się za połączeniem wspólnych sił w tym sektorze, aby uzyskać większy stopień zrównoważenia (co nazwano mianem Green New Deal for space: promowanie wyrzutni wielokrotnego użytku, stosowanie bardziej wydajnych i mniej zanieczyszczających paliw, w szczególności pod względem emisji gazów cieplarnianych, nieprzyczynianie się do zwiększania ilości śmieci kosmicznych, a wręcz przeciwnie, dążenie do jej zmniejszenia, a także zachowanie nieskażonego nocnego nieba dla przyszłych pokoleń…) i działać według zasady Space for everyone, podsumowującej cele inicjatywy ONZ o nazwie Space Economy.

Autor: Juan Carlos Gil Montoro

(Twitter: @ApuntesCiencia)