[Column] Gedoe om LEO

Reageer
Gebruikersavatar
Berichten: 33

[Column] Gedoe om LEO

Iedere seconde sturen 4,5 miljard mensen, computers en andere elektronische apparaten 100.000 Gigabyte aan informatie naar elkaar. Rond de zestig procent van de wereldbevolking heeft een internetaansluiting. Noord-Amerika en Europa hebben penetraties van 95% en 87%. Maar Azië en Afrika komen nog niet verder dan 54% en 40%. Op die continenten zijn veel afgelegen gebieden waar nog geen internet is. Tenminste geen betaalbaar internet. Want als er geen (glasvezel)kabel of radiografische verbindingen zijn, is er nog wel het relatief dure alternatief van satellietcommunicatie. Meestal gaat het om geostationaire (GEO) satellieten die boven de evenaar op 36.000 kilometer hoogte stilstaan omdat zij met dezelfde snelheid ronddraaien als de aarde. De voetafdruk van zo’n satelliet is slechts een deel van het aardoppervlak en een bit doet er even over om op en neer te gaan. Hoewel het bit door het vacuüm van de ruimte met de snelheid van het licht (300.000 km/sec) reist, doet het toch een halve seconde over een retourtje.

Daarbovenop komt nog een halve seconde voor de communicatie tussen de aardse tussenstations via glasvezelverbindingen waar, door breking van het laserlicht in de vezelkabel, de datasnelheid 2/3 van die van het licht is. De totale vertraging, de latency, van de telecommunicatieverbinding via GEO satellieten is daardoor een seconde. Dat is lang als we ons realiseren dat een mens al bij meer dan 0,15 seconde zich bewust is van een vertraging. Het gevolg is dat synchroon bedoelde communicatie zoals het voeren van (beeld)gesprekken en videovergaderen, onaangenaam wordt doordat de gespreksdeelnemers onhandig interrumperen en door elkaar praten.

Wat nu? De oplossing voor het creëren van wereldwijd aanbod van breedbandige internetdiensten zonder vertraging is het gebruikmaken van telecommunicatiesatellieten die in banen draaien die dichter bij de aarde liggen, de zogenaamde Low Earth Orbit (LEO) satellieten. Die staan niet op 36.000 kilometer boven de aarde, maar draaien in banen met een afstand tot de aarde van tussen de 200 en 2.000 km. Het bit is dan sneller op en neer, dus is er veel minder vertraging. Deze satellieten maken, afhankelijk van de hoogte van hun baan, per 24 uur 12 tot 16 rondjes rond de aarde. Door hun lage en snelle banen hebben LEO satellieten een snel voortbewegende en kleine voetafdruk. Daarom zijn er veel satellieten nodig voor een aardbol omspannend netwerk.

Het idee om een dergelijk satellietnetwerk te installeren is al lang geleden ontstaan. De eerste poging werd ondernomen door het Iridium consortium. In 1998 werd de eerste telecommunicatiedienst gestart. Het doel was een netwerk van uiteindelijk 77 satellieten te bouwen. Maar binnen een maand na de feestelijke start ging Iridium failliet en was er vier miljard dollar door het putje gespoeld. Iridium was ten onder gegaan door problemen met de financiering, de ontvangstkwaliteit binnenshuis, de lompheid van de als draagbaar veronderstelde apparaten en het mismanagement. Inmiddels is Iridium doorgestart en vorig jaar is de laatste van de 66 satellieten gelanceerd. Met dit satellietnetwerk worden telecommunicatiediensten aangeboden in afgelegen plaatsen voor de zakelijke markt zoals de olie-industrie, luchtvaart en defensie. Dus echte nichemarkten, geen consumentenmarkt.

De tweede poging om een wereldomspannend satellietnetwerk te bouwen voor het aanbieden breedbandige internetdiensten, was OneWeb. Deze onderneming ging in maart jl. failliet omdat het Japanse Softbank dat met een investering van een miljard dollar een van de belangrijkste financiers was, de stekker er uittrok. Van de geplande 650 LEO satellieten die op een hoogte van 1.200 km hun rondjes zouden draaien, zijn er 74 gelanceerd. Softbank dat in 2019 met het bedrijf waartoe OneWeb behoorde, een verlies leed van zeventien miljard dollar, gaf Covid-19 de schuld. Maar er gaan ook geruchten dat OneWeb het verdienmodel voor consumentgerichte breedbandige internetdiensten met weinig vertraging via een LEO-satellietnetwerk niet kon rond krijgen.

Maar niet getreurd. Er zijn nog veel lopende projecten waarvan er drie het verst gevorderd zijn, namelijk Telesat LEO van het Canadese telecommunicatiebedrijf Telesat met 300 satellieten, Project Kuiper (vernoemd naar de in 1973 overleden Nederlandse astronoom Gerard Kuiper) van de grootste internetwinkelbedrijf Amazon van Jeff Bezos met 3.236 satellieten en Starlink van het ruimtevaartbedrijf SpaceX van Elon Musk met 42.000 satellieten. Verder zijn er nog plannen voor het Athena project van Facebook van Mark Zuckerberg met een nog onbekend aantal satellieten en heeft Google plannen voor Google’s Satellite Constellation met ‘slechts’ duizend satellieten.

Natuurlijk wil China niet achterblijven. Er zijn enkele projecten waaronder Hongyun (regenboogwolk) met 864 satellieten en Hongyan (wilde gans) met 320 satellieten. Ook het Russische staatsbedrijf voor ruimtevaartactiviteiten Roscosmos doet nog een duit in het zakje. Via het bedrijf Gonets (Boodschapper) worden diensten aangeboden voor commerciële en militaire doeleinden. Het satellietnetwerk heeft nu 18 satellieten in twee banen en dat moeten er in de naaste toekomst 36 satellieten in zes banen worden.

Van al deze projecten is ongetwijfeld Starlink van SpaceX het meest vergevorderd. Met grote regelmaat wordt een SpaceX Falcon 9 raket gelanceerd met zestig Starlink satellieten aan boord. In mei 2020 zijn er 422 satellieten in een baan om de aarde gebracht. Dat moeten er in de eerste fase 12.000 worden en later komen er nog eens 30.000 bij. Maar daarvoor is nog veel geld nodig en over niet al te lange tijd zal SpaceX de spin-off Starlink Business naar de beurs brengen om geld op te halen.

De dure race naar het wereldwijde breedbandige satellietinternet wordt in de westerse wereld vooral uitgevochten met armpje drukken tussen de macho techno-miljardairs Elon Musk, Jeff Bezos (rijkste man ter wereld) en Mark Zuckerberg die er een beetje achteraan hobbelt maar wel vindt dat het project een deel is van Facebook’s sleetse missie "to bring the world closer together". De ondernemingsplannen hebben als uitgangspunt dat er veel moet worden geïnvesteerd, maar dat de opbrengsten enorm zullen zijn.

Voor deze partijen staan er minstens vier beren op de weg. De eerste beer is de strijd om de benodigde frequenties. Het frequentiespectrum wordt beheerd door de International Telecommunications Union (ITU) dat verbonden is aan de Verenigde Naties en de Federal Communications Commission (FCC) van de Amerikaanse overheid. Zo heeft SpaceX bij de FCC bezwaar aangetekend tegen de poging van Amazon om mee te doen aan de eerste verdelingsronde, terwijl de formele inschrijfperiode daarvoor al is verstreken. Als Amazon met deze short cut nu al een stukje van de taart zou krijgen, gaat dat ten koste van de voorsprong van SpaceX. Kortom, wij zijn getuige van een partijtje vrij worstelen van Jeff en Elon.

De tweede beer zijn de kosten van de aardse ontvangstapparatuur. Omdat elke satelliet maar beperkte tijd op een beperkt oppervlak ‘te zien’ is, moeten de antennes in de ontvangst- en zendapparatuur de met zeven tot acht duizend kilometer per seconde overvliegende satelliet kunnen volgen. Dat is een technisch hoogstandje dat de apparatuur van de gebruiker behoorlijk duur kan maken. Men denkt nu aan duizend dollar per apparaat en hoopt dat de prijs bij grote aantallen zal zakken naar 200 dollar.

De derde beer is het tegenstribbelen van de astronomische gemeenschap tegen vooral SpaceX omdat al die satellieten met hun zonreflecties de wetenschappelijke waarnemingen met aardse telescopen behoorlijk kunnen verstoren. De laatste tijd spant SpaceX zich fors in om dit probleem van de Starlink satellieten te verkleinen door bijvoorbeeld de stand van de verschillende onderdelen van de satelliet te veranderen en de satellieten te voorzien van licht absorberende coatings. Dat laatste kan maar in beperkte mate want donkere verf absorbeert warmte waardoor de satelliet te veel opwarmt, meer gekoeld moet worden, meer energie nodig heeft, meer zonnepanelen moet hebben en dus meer reflecteert. Een typisch voorbeeld van de wet van behoud van ellende.

De vierde beer is de rommel, de space junk. De hoeveelheid door de mens in de ruimte gebrachte objecten zal door de LEO satellietnetwerkprojecten nog veel groter worden waardoor het gevaar op botsingen van satellieten en raketten met ruimtepuin toeneemt. Dat dergelijk botsingsgevaar reëel is bleek in 2009 toen een op hol geslagen Russische satelliet een toen nog actieve Iridium satelliet ramde, wat leidde tot duizenden nieuwe stukjes ruimteafval. Er moet daarom ook een plan komen van wat er met de satellieten moet gebeuren als zij niet meer actief zijn. Een methode die nu wel wordt toegepast is dat de satelliet na zijn actieve leven naar een lagere baan worden gedirigeerd (deorbiting). In zo’n lagere baan ondervindt de satelliet meer weerstand waardoor de satelliet uiteindelijk zodanig wordt vertraagd dat hij steeds dichter bij de aarde komt en tenslotte in de dampkring uiteenvalt en deels verbrandt. NASA heeft aanbevolen dat 99% van de LEO satellieten na hun missies naar een lagere baan moeten worden gebracht. Een soort palliatieve baan voor satellieten.

Het gevaar van de mogelijke botsingen tussen functionerende en niet-functionerende satellieten onderling en het ruimtepuin bleek een paar maanden geleden. De in Nederland gebouwde Infrarood Astronomische Satelliet (IRAS) die al sinds 1983 niet meer in gebruik is, zeilde slechts enkele meters langs een andere niet meer werkende satelliet. Het Amerikaanse bedrijf LeoLabs heeft voor het volgen van LEO satellieten een systeem gebouwd dat bestaat uit radar en geavanceerde algoritmen. LeoLabs had uitgerekend dat de twee satellieten elkaar boven Pittsburgh op slechts 15 tot 30 meter zouden passeren. Dat gebeurde ook. In de luchtvaart noemen ze dat een near miss.

Sinds de lancering in 1957 van de eerste satelliet, de Russische Sputnik 1, is er heel wat spul de ruimte ingeschoten. Na ongeveer 5,500 lanceringen is een gigantische hoop rommel in de ruimte rond de aarde terechtgekomen: ongeveer 34.000 voorwerpen groter dan 10 cm, een miljoen van een omvang tussen de 1 en 10 cm en zo’n 130 miljoen kleiner dan 1 cm. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA krijgt wekelijks honderden initiële meldingen van mogelijke gevaarlijke situaties die nader moeten worden bekeken. Van die meldingen moeten er wekelijks gemiddeld twee per satelliet worden doorgerekend. Uiteindelijk moet ESA jaarlijks per satelliet meer dan een ontwijkingsmanoeuvre maken. Meestal betreft het dreigende botsingen met ruimtepuin. Deze handmatige aanpak is zeer tijdrovend en langzamerhand niet meer vol te houden.

Geen wonder dat ESA ervoor pleit met behulp van machine learning technieken en satellieten die voortdurend hun positie doorgeven, de verkeersregulering in de ruimte te automatiseren.

Conclusie. Als ik alle ontwikkelingen rond de verrijzenis van een wereldomvattend breedbandig vertragingsvrij en betaalbaar internet op mij laat inwerken, overvalt mij het gevoel dat er nogal wat werk aan de winkel is. Maar als de grote innovatieve ondernemers met diepe zakken als Elon Musk en Jeff Bezos hun zinnen hier op hebben gezet, zal het uiteindelijk wel lukken. Maar voor het zover is zullen er nog wel een paar technische, financiële en wet- en regelgeving hordes moeten worden genomen. In deze hordeloop zal ongetwijfeld zo nu en dan iemand een al dan niet fataal struikelpasje maken.

Reageer