Så här kan bara fyra satelliter tillhandahålla internet över hela världen

Satellit på hög höjd Pixabay

Trots vad SpaceX och andra företag föreslår med projekt som Starlink, behöver du inte megakonstellationer som består av tusentals satelliter – och alla försämringar de orsakar – för att tillhandahålla global internettäckning till världen. Vi har vetat sedan 1980-talet att om du är okej med att nöja dig med en anslutning ett snäpp under hastigheter av spelarkvalitet (ungefär en halv sekunds fördröjning), så är kontinuerlig världsomspännande täckning möjlig med en konstellation av bara fyra satelliter placerade på mycket högre höjder .

Men HughesNet och ViaSat, världens största satellit-internetleverantörer som verkar i dessa omloppsbanor, erbjuder ingenting i närheten av global täckning. Andra satellitnätverk som tillhandahåller fjärranalys och navigationstjänster faller också beklagligt under den standarden. Vad ger?

Föga överraskande är det stora hindret kostnaden. Flera faktorer verkar för att försämra en satellits omloppsbana. Dessa inkluderar naturligt motstånd, störningar i jordens gravitationsfält, den störande gravitationskraften från solen och månen och till och med tryck orsakat av solstrålning. För att bekämpa dessa problem behöver du en enorm mängd drivmedel på satelliten för att konsekvent stabilisera dess omloppsbana - en mängd som vanligtvis fördubblar satellitens massa. Tillverknings-, lanserings- och driftskostnader är alldeles för höga för tricket med fyra satelliter.

En ny studie ledd av ingenjörer vid The Aerospace Corporation och publicerad i Naturkommunikation föreslår ett kontraintuitivt tillvägagångssätt som förvandlar dessa förnedrande krafter till sådana som faktiskt hjälper till att hålla dessa satelliter i omloppsbana. Om det fungerade skulle det innebära att bara fyra satelliter skulle kunna ge kontinuerlig global täckning för en bråkdel av kostnaden.

För närvarande är banorna för dessa satelliter elliptiska, och krafter från solen och månen skapar instabiliteter som bryter isär konstellationen över tid. Patrick Reed vid Cornell University och hans kollegor ville göra banorna mer cirkulära och låta satelliterna klara sig med färre framdrivningsmanövrar och lägre krav på drivmedel. Och de ville göra detta på ett sådant sätt att satelliterna fortfarande kunde ge nästan global täckning.

Teamet körde simuleringar som tittade på vilka typer av omloppskonfigurationer som bäst kunde förvandla förnedrande krafter till sådana som faktiskt främjade en stabil, cirkulär bana. Exempel där solens gravitation normalt skulle bryta isär konstellationen kunde nu binda samman konstellationen. Simuleringarna var för konstellationer med fyra satelliter som skulle tillbringa minst 6 000 dagar (16,4 år i omloppsbana).

Efter att ha analyserat simuleringarna med Blue Waters superdator vid University of Illinois i Urbana-Champaign, hittade teamet två modeller som kunde fungera. I den ena avslutar stjärnbilden en omloppsbana under en 24-timmarsperiod, på en höjd av 22 000 miles, och uppnår kontinuerlig täckning för cirka 86% av jordklotet. Den andra arbetar på en 48-timmarsperiod på en höjd av 42 000 miles och täcker 95% av jordklotet. Alla områden som upplevde avbrott skulle inte möta mer än cirka 80 minuters driftstopp om dagen.

Visst, internethastigheterna skulle vara långsammare på grund av den extra tid det tar att skicka signalen från en mycket högre omloppsbana. För de flesta som använder datasystem är dock ytterligare en kvartssekundsfördröjning svår att känna, eftersom det finns så många andra förseningar i datorer och datanätverk, säger Roger Rusch, vd för telekomkonsultföretaget TelAstra.

I dessa system skulle satelliterna (som var och en väger cirka 1,2 ton) behöva cirka 60 % mindre drivmedel under hela 6 000-dagarsperioden än om de kretsade i mer konventionella konfigurationer, vilket potentiellt skulle minska deras massa med över hälften och göra den mycket lättare att bygga och lansera dem. Det kan också ge utrymme för att installera bättre instrumentering och kraftsystem (höghöjdsatelliter behöver mer kraft för att skicka signaler tillbaka till jorden).

Reed säger att arbetet motiverades av en önskan att låta mindre länder eller företag driva konstellationer som ger nästan kontinuerlig täckning. Argumentet går att med lägre kostnader skulle det vara lättare för dessa grupper att bygga, skjuta upp, driva och spåra bara några satelliter i en högre omloppsbana, jämfört med en vidsträckt konstellation med tusentals i låg omloppsbana om jorden.

Experter som Rusch är positiva till den nya studiens resultat: han säger att kapital- och driftskostnaderna för ett LEO-satellitsystem är tre till fem gånger högre än för ett höghöjdssystem med samma kapacitet. Astronomer och experter på rymdskräp som är nervösa över de negativa effekterna av projekt som Starlink kanske också uppskattar konceptet.

Andra är lite mer försiktiga. Anton Dolgopolov, senioranalytiker på analys- och ingenjörsföretaget Bryce Space and Technology, påpekar att LEO-system fortfarande har några kraftfulla fördelar – till exempel har de lättare att säkerställa täckning för samhällen nära polerna. Dessutom, i ett nätverk som består av hundratals till tusentals satelliter, kommer det inte riktigt att störa tjänsten om ett fåtal misslyckas med att starta eller fungerar korrekt. Och LEO-satelliter kan deorbiteras och ersättas mycket snabbare.

Med andra ord är de nya modellerna bara teoretiska möjligheter, hur intressanta de än är. I den verkliga världen kan tekniska och ekonomiska hinder dämpa förhoppningarna om en enkel lösning.

Rättelse 1/20: Det här inlägget har uppdaterats för att rätta till ett tekniskt fel angående designen av den nya konstellationen.

Dölj