De belofte en het gevaar van satelliet-megaconstellaties

Als je de ontwikkeling van SpaceX's hebt gevolgd Starlink-project Om mondiaal breedbandinternet te creëren, zult u gemerkt hebben dat het bedrijf regelmatig niet alleen individuele satellieten lanceert, maar hele batches van zestig satellieten tegelijk.

Deze batches vormen een netwerk in de lucht, een zogenaamde satellietconstellatie, dat bijna wereldwijde dekking mogelijk maakt op een manier die een enkele satelliet niet kan. En het is niet alleen SpaceX die deze aanpak gebruikt; er wordt gewerkt aan satellietconstellaties door bedrijven van Amazon, via dochteronderneming Kuiper Systems, tot Facebook, via zijn Athena-project.

Maar niet iedereen is het eens met het lanceren van zoveel satellieten in de nachtelijke hemel. Vooral astronomen hebben geklaagd dat dergelijke sterrenbeelden een bedreiging vormen voor hun vermogen om gegevens te verzamelen met behulp van telescopen

Om de ins en outs van dit complexe vraagstuk te begrijpen, spraken we met twee experts: Olivier Hainaut, een astronoom en vooraanstaand onderzoeker op het gebied van hoe satellieten sterrenbeelden beïnvloeden astronomische waarnemingen, en Brad King, CEO van een bedrijf dat voortstuwingssystemen maakt voor satellieten die door het Amerikaanse leger worden gebruikt in sterrenbeelden.

Het goede: wat satellietconstellaties kunnen bieden dat afzonderlijke satellieten niet kunnen

Een van de grootste voordelen van de constellatiebenadering is dat netwerken in de loop van de tijd eenvoudig kunnen worden geüpgraded. Als een systeem één grote satelliet heeft, kan het jaren duren om die hardware te bouwen en te ontwikkelen. Als het eenmaal is gelanceerd, is het uiterst moeilijk om functies toe te voegen of de hardware te verbeteren.

Maar met een constellatie van satellieten kun je de hardware geleidelijk verbeteren terwijl je lanceert. Als een bedrijf satellieten gaat inzetten en deze na een paar jaar steeds nauwkeuriger worden sensoren, ze kunnen de nieuwe sensoren bijvoorbeeld gemakkelijk in de volgende batch satellieten passen en inzetten hen. De bestaande satellieten kunnen nog steeds samenwerken en de vloot kan geleidelijk worden geüpgraded.

Sterrenbeelden worden zo voortdurend ververst, zegt King, de CEO van Orbion, over een smallsat-aandrijving bedrijf dat momenteel het voortstuwingssysteem levert voor de Defense Advanced Research Projects Agentschap Blackjack-satellietconstellatie.

“Als je 100 satellieten vliegt, vlieg je niet met 100 satellieten en wacht je tien jaar en lanceer je er dan nog eens honderd”, zei King. “Je vernieuwt de vloot voortdurend met ongeveer 20% van de vloot per jaar.”

Dit betekent ook dat ze bij langetermijnprojecten de bezuinigingen kunnen overleven door de totale vloot te verkleinen in plaats van een project volledig te schrappen. Dit is belangrijk bij overheidsprogramma's, die tien jaar kunnen duren en vervolgens bezuinigd worden.

Voor overheden en militairen zijn er nog meer specifieke voordelen verbonden aan het gebruik van constellaties. “Het belangrijkste voordeel is veerkracht”, zei King. “Wat je met een constellatie kunt doen en niet met één [satelliet], is dat je veerkrachtig kunt zijn tegen aanvallen. Als je een hele grote, zeer waardevolle satelliet in een baan om de aarde hebt, en je hebt een tegenstander die het gebruik daarvan wil ontkennen satelliet door deze of op een andere manier te beschadigen, er is eigenlijk maar één kogel nodig, als je wilt, om die hele capaciteit te benutten omlaag.

“Als je die functionaliteit in plaats daarvan deelt met 100 satellieten, moet je aanvalsdiepte veel dieper zijn om de functie uit te schakelen. Wat het dus doet, is een afschrikmiddel bieden tegen aanvallen. Het is geen groot, dik, sappig doelwit dat een vijand verleidt om het aan te vallen.’

En als een opstelling eenmaal staat, kan deze voor allerlei communicatiedoeleinden worden gebruikt. Het Starlink-programma van SpaceX heeft tot doel mondiaal breedbandinternet te bieden, wat veel potentiële voordelen heeft. Naast het potentieel om internet aan te bieden aan arme of landelijke regio's waar weinig of geen internetservice is Op dit moment zou het ook van onschatbare waarde kunnen zijn voor veiligheidsdoeleinden, omdat het vliegtuigen en schepen over de hele wereld kan volgen. En als er in een regio meerdere internetproviders beschikbaar zijn, kunnen mensen vrijer toegang krijgen tot internet, zonder beperkingen van overheden.

Het slechte: waarom sterrenbeelden sommige astronomen in de armen hebben

Zoals bij alle technologische ontwikkelingen gaat ook de lancering van satellietconstellaties gepaard met problemen. Het afgelopen jaar was er een soms verhit debat tussen SpaceX en de astronomische gemeenschap over de lancering van Starlink-satellieten.

Wanneer satellieten worden gelanceerd, kunnen ze vertrekken sporen van licht langs de hemel, vooral in de schemering. Hoewel sommigen deze paden prachtig vinden, kunnen ze astronomische metingen verstoren, omdat ze veel helderder zijn dan de sterren of sterrenstelsels die astronomen proberen waar te nemen. Er is ook de vraag of Starlink-satellieten, die zich in een bijzonder lage baan om de aarde bevinden, met het blote oog zichtbaar zouden zijn en de metingen zouden verstoren zodra ze op hun plaats waren.

De Internationale Astronomische Unie heeft een stelling in de zomer van 2019 en a opvolgen in februari van dit jaar, die beiden “hun bezorgdheid uitten over de negatieve impact die de geplande megaconstellaties zullen hebben communicatiesatellieten kunnen hebben op astronomische waarnemingen”, waarbij Starlink specifiek wordt genoemd, de Iridium-satellietconstellatie, OneWeb en anderen.

SpaceX was er snel bij om de problemen aan te pakken die Starlink veroorzaakte in de optische astronomie, door samen te werken met astronomen een oplossing vinden. In eerste instantie probeerden ze de satellieten een donkerdere kleur te geven, wat hun uiterlijk weliswaar verminderde, maar niet genoeg om astronomen tevreden te stellen. Daarom gingen ze over op een nieuw ontwerp met een vizier dat als zonnescherm fungeerde.

“Dat is heel slim”, zegt Henegouwen. “Want als de satelliet niet verlicht is, is hij volkomen donker en onzichtbaar. En dat betekent dus dat het vizier het grootste deel van de satelliet kan verbergen. De manier waarop de satelliet is gebouwd, betekent dat je een vizier kunt hebben waarbij je, vanaf de grond gezien, de achterkant van het vizier ziet, zodat het donker is en de hele onderkant van de satelliet in de schaduw ligt. Dat betekent dat de satelliet een aantal magnitudes zwakker wordt.”

SpaceX heeft ook de hoek van de aan de satellieten bevestigde zonnepanelen aangepast, zodat het verlichte gedeelte vanaf de aarde niet zichtbaar is. Gecombineerd zouden deze oplossingen min of meer het probleem moeten oplossen van operationele Starlink-satellieten die de optische astronomie op de grond verstoren.

Er zijn ook enkele problemen met de satellieten die de radioastronomie verstoren. Er kan een probleem optreden dat frequentiebleed wordt genoemd, waarbij satellieten kleine hoeveelheden radiogolven uitzenden op frequenties boven hun primaire werkfrequentie, wat problemen kan veroorzaken voor radioastronomen. Er is over het algemeen veel achtergrondgeluid waar radiotelescopen mee te maken hebben, en satellietconstellaties kunnen hieraan bijdragen.

SpaceX werkt ook op dit gebied samen met de astronomische gemeenschap, en astronomen lijken dat ook te doen in grote lijnen optimistisch dat er een oplossing gevonden kan worden.

Het laatste probleem bij het lanceren van grote aantallen satellieten is niet een probleem dat technologisch eenvoudig kan worden opgelost. Het probleem van orbitale drukte wordt steeds meer een aandachtspunt in de ruimtevaartgemeenschap, met zorgen over de hoeveelheid rommel in een baan rond onze planeet. Ruimtepuin kan uiterst gevaarlijk zijn en alles bedreigen, van het Internationale Ruimtestation tot ons potentiële vermogen daartoe satellieten lanceren betaalbaar in de toekomst.

De belangrijkste aanpak van dit probleem is dat bedrijven ervoor moeten zorgen dat ze op verantwoorde wijze hun satellieten kunnen verwijderen zodra ze niet langer nodig zijn. Wanneer een Starlink-satelliet het einde van zijn levensduur heeft bereikt, of als een satelliet defect is, is deze relatief eenvoudig weg te gooien omdat de constellatie zich in een lage baan bevindt. De satellieten hoeven alleen maar in een lagere baan te worden gemanoeuvreerd en ze vallen in de atmosfeer en verbranden.

Andere sterrenbeelden kunnen zich in een hogere baan bevinden. In deze gevallen is het gemakkelijker om ze naar een zogenaamde kerkhofbaan te sturen dan ze naar de atmosfeer te brengen. Maar als een satelliet faalt in een hogere obit, kan hij daar heel lang blijven. Daarom worden sommige satellieten nu uitgerust met functies zoals haken, die het gemakkelijker maken nog een satelliet om vast te pakken en gooi ze weg.

Het lelijke: wat houdt de toekomst in voor sterrenbeelden?

Henegouwen benadrukte dat SpaceX inspanningen heeft geleverd die veel verder gingen dan wat ze verplicht waren om de problemen aan te pakken problemen die Starlink heeft veroorzaakt voor de astronomische gemeenschap, en hij is ervan overtuigd dat deze problemen dat ook kunnen zijn opgelost. De vraag is of deze nieuwe spelers, nu sterrenbeelden steeds populairder worden en in de toekomst door steeds meer bedrijven worden gelanceerd, net zo attent zullen zijn op de nachtelijke hemel?

“[SpaceX] doet echt zijn best, veel verder dan waartoe ze wettelijk verplicht zijn, om de problemen op te lossen”, zei Hainuat. “Astronomen hebben een zeer goede werkrelatie met Starlink, maar het is niet duidelijk dat we een soortgelijke relatie met andere [bedrijven] zullen hebben, omdat het alleen maar goede wil is.”

Kunnen andere bedrijven erop vertrouwen dat ze het voorbeeld van SpaceX volgen? Er zijn verdragen en overeenkomsten over het gebruik van de ruimte, inclusief kwesties als de verwijdering van satellieten wanneer ze het einde van hun levensduur bereiken. Veel deskundigen stellen echter dat deze verdragen moeten worden versterkt en dat er consequenties moeten zijn voor bedrijven die deze verdragen niet naleven.

‘Het probleem is dat er geen bestuursorgaan is dat echt op uniforme wijze straffen kan opleggen’, zei King. “Er zijn sterke richtlijnen en verdragen, maar de handhaving daarvan is problematisch.”

Satellietconstellaties zoals Starlink kunnen fantastische nieuwe stappen in de telecommunicatie mogelijk maken, maar we moeten ze vinden een manier om dit vermogen in evenwicht te brengen met de noodzaak om de nachtelijke hemel te bestuderen en het universum buiten onze planeet te begrijpen.

“De ruimte is een publieke commons die we allemaal delen”, zei King. “Er moet als samenleving veel worden uitgewerkt nu de constellaties zich beginnen te verspreiden… Iedereen en niemand bezit ruimte, en we willen die allemaal delen.”

Aanbevelingen van de redactie

• Hoe SpaceX Starlink zou kunnen transformeren in een ultraprecies GPS-netwerk
• Hoe je het SpaceX Dragon-ruimtevaartuig vandaag het ISS kunt zien verlaten
• SpaceX geselecteerd om vracht te leveren aan NASA's Lunar Gateway-ruimtestation
• SpaceX voert morgen zijn zesde Starlink-lancering uit: zo kun je kijken
• SpaceX gaat een ander soort roestvrij staal gebruiken voor zijn Starship-raketten