Löftet och faran med satellit-megakonstellationer

Om du har följt utvecklingen av SpaceX Starlink-projekt för att skapa globalt bredbandsinternet har du märkt att företaget regelbundet lanserar inte bara enskilda satelliter utan hela satser med 60 satelliter åt gången.

Dessa partier bildar ett nätverk på himlen, kallat en satellitkonstellation, som tillåter nästan global täckning på ett sätt som en enskild satellit inte kan. Och det är inte bara SpaceX som använder detta tillvägagångssätt – det finns satellitkonstellationer som bearbetas av företag från Amazon, via dess Kuiper Systems dotterbolag, till Facebook, genom sitt Athena-projekt.

Men alla är inte med på att skjuta upp så många satelliter på natthimlen. Särskilt astronomer har klagat på att sådana konstellationer hotar deras förmåga att samla in data med hjälp av teleskop och kan hämma vetenskapliga framsteg.

För att förstå detaljerna i denna komplexa fråga pratade vi med två experter: Olivier Hainaut, en astronom och ledande forskare i ämnet hur satellit konstellationer påverkar astronomiska observationer, och Brad King, VD för ett företag som tillverkar framdrivningssystem för satelliter som används av den amerikanska militären i konstellationer.

Det goda: Vad satellitkonstellationer kan erbjuda som enstaka satelliter inte kan

En av de största fördelarna med konstellationsmetoden är att den tillåter nätverk att enkelt uppgraderas över tid. När ett system har en enda stor satellit kan det ta år att bygga och utveckla den hårdvaran. När den väl har lanserats är det extremt svårt att lägga till funktioner eller förbättra hårdvaran.

Men med en konstellation av satelliter kan du gradvis förbättra hårdvaran allt eftersom du startar. Om ett företag börjar distribuera satelliter och sedan, efter ett par år, utvecklas de mer exakt sensorer, till exempel, kan de enkelt passa in de nya sensorerna i nästa batch av satelliter och distribuera dem. De befintliga satelliterna kan fortfarande fungera tillsammans och flottan kan gradvis uppgraderas.

Konstellationer uppdateras därför kontinuerligt, sa King, VD för Orbion, en smallsat-framdrivning företag som för närvarande tillhandahåller framdrivningssystemet för Defense Advanced Research Projects byråns Blackjack satellitkonstellation.

"Om du flyger 100 satelliter flyger du inte 100 satelliter och väntar sedan 10 år och skjuter sedan upp 100 till," sa King. "Du uppdaterar kontinuerligt flottan med cirka 20 % av flottan per år."

Detta innebär också att de för långsiktiga projekt kan överleva budgetnedskärningar genom att minska den totala flottan istället för att skrota ett projekt helt. Detta är viktigt i statliga program, som kan pågå i ett decennium och sedan få sina budgetar nedskurna.

För regeringar och militärer finns det ytterligare specifika fördelar med att använda konstellationer. "Den främsta fördelen är motståndskraft," sa King. "Vad du kan göra med en konstellation som du inte kan göra med en [satellit] är att du kan vara motståndskraftig mot attacker. Om du har en mycket stor, mycket värdefull satellit i omloppsbana, och du har en motståndare som vill förneka användningen av den satellit genom att skada den eller på annat sätt, det kräver egentligen bara en kula, om du vill, för att ta hela den förmågan ner.

"Om du istället har den funktionen delad mellan 100 satelliter, måste ditt attackdjup vara mycket djupare för att ta ner funktionen. Så vad den gör är att avskräcka mot attacker. Det är inte ett stort, fett, saftigt mål som frestar en fiende att attackera det."

Och när en konstellation väl är på plats kan den användas för alla möjliga kommunikationsändamål. SpaceX: s Starlink-program syftar till att tillhandahålla globalt bredbandsinternet, vilket har många potentiella fördelar. Förutom möjligheten att tillhandahålla internet till fattiga eller landsbygdsregioner som har liten eller ingen internettjänst på för tillfället kan det också vara ovärderligt för säkerhetsändamål genom att kunna spåra flygplan och fartyg över hela världen. Och att ha flera internetleverantörer tillgängliga i en region kan göra det möjligt för människor att få åtkomst till internet mer fritt, utan begränsningar införda av regeringar.

Det dåliga: varför konstellationer har vissa astronomer i vapen

Som med alla tekniska framsteg kommer lanseringen av satellitkonstellationer också med problem. Det senaste året har sett en ibland het debatt mellan SpaceX och det astronomiska samfundet om uppskjutningen av Starlink-satelliter.

När satelliter skjuts upp kan de lämna spår av ljus över himlen, särskilt i skymningen. Även om vissa tycker att dessa stigar är vackra, kan de störa astronomiska avläsningar eftersom de är mycket ljusare än de stjärnor eller galaxer som astronomer försöker observera. Det finns också en fråga om Starlink-satelliter, som sitter i en särskilt låg omloppsbana, skulle vara synliga för blotta ögat och störa avläsningar när de väl var på plats.

International Astronomical Union släppte en påstående sommaren 2019 och en uppföljning i februari i år, som båda ”uttryckte oro över den negativa påverkan som de planerade megakonstellationerna av kommunikationssatelliter kan ha på astronomiska observationer", särskilt namnger Starlink, satellitkonstellationen Iridium, OneWeb och andra.

SpaceX var snabb med att ta itu med problemen som Starlink orsakade inom optisk astronomi, och arbetade med astronomer för att hitta en lösning. Först försökte de måla satelliterna i en mörkare färg, vilket minskade deras utseende men inte tillräckligt för att tillfredsställa astronomerna. Så de gick över till en ny design som innehöll ett visir som skulle fungera som solskydd.

"Det är verkligen smart," sa Hainaut. "För att om satelliten inte är upplyst är den helt mörk, den är osynlig. Och så det betyder att visiret kan dölja det mesta av satelliten. Sättet som satelliten är byggd på innebär att du kan ha ett visir där du, sett från marken, ser baksidan av visiret så att det är mörkt och hela botten av satelliten är i skugga. Det betyder att satelliten blir flera magnituder svagare.”

SpaceX har även justerat vinkeln på solpanelerna som är fästa på satelliterna, så att den upplysta delen inte syns från jorden. Tillsammans borde dessa korrigeringar mer eller mindre lösa problemet med operativa Starlink-satelliter som stör markbaserad optisk astronomi.

Det finns också vissa problem med satelliterna som stör radioastronomi. Det kan finnas ett problem som kallas frekvensavfall där satelliter sänder ut små mängder radiovågor vid frekvenser utanför deras primära arbetsfrekvens, vilket kan orsaka problem för radioastronomer. Det finns i allmänhet mycket bakgrundsljud som radioteleskop måste hantera, och satellitkonstellationer kan bidra till detta.

SpaceX arbetar med det astronomiska samfundet i denna fråga också, och astronomer verkar i stort sett optimistisk att en lösning kan hittas.

Det sista problemet med att skjuta upp ett stort antal satelliter är inte en som har en enkel teknisk lösning. Problemet med orbital trängsel blir alltmer ett fokus i rymdgemenskapen, med oro över mängden skräp i omloppsbana runt vår planet. Rymdskräp kan vara extremt farligt och hotar allt från den internationella rymdstationen till vår potentiella förmåga att skjuta upp satelliter överkomligt i framtiden.

Det huvudsakliga tillvägagångssättet i den här frågan har varit att företagen ska se till att de på ett ansvarsfullt sätt kan bryta sina satelliter när de inte längre behövs. När en Starlink-satellit tar slut, eller om en satellit är defekt, är den relativt lätt att kassera eftersom konstellationen sitter i en låg omloppsbana. Satelliterna behöver bara manövreras in i en lägre omloppsbana och de kommer att falla ner i atmosfären och brinna upp.

Andra konstellationer kan sitta i en högre bana. I dessa fall är det lättare att skicka upp dem till vad som kallas en kyrkogårdsbana än att föra ner dem till atmosfären. Men om en satellit misslyckas i en högre obit kan den stanna där under mycket lång tid. Så vissa satelliter är nu utrustade med funktioner som krokar, som gör det lättare för ytterligare en satellit att ta tag i och kassera dem.

Den fula: Hur ser framtiden ut för konstellationer?

Hainaut betonade att SpaceX hade gjort ansträngningar långt utöver vad de var skyldiga att ta itu med problem som Starlink orsakade för det astronomiska samhället, och han är övertygad om att dessa problem kan vara det löst. Frågan är, med konstellationer som blir mer populära och lanseras av fler företag i framtiden, kommer dessa nya aktörer att vara lika hänsynsfulla mot natthimlen?

"[SpaceX] går verkligen ut ur deras sätt, långt utöver vad de är juridiskt skyldiga att göra, för att lösa problemen," sa Hainuat. "Astronomer har ett mycket bra samarbete med Starlink, men det är inte klart att vi kommer att ha samma typ av relation med andra [företag], eftersom det bara är goodwill."

Kan andra företag lita på att följa SpaceX: s ledning? Det finns fördrag och överenskommelser om användningen av rymden, inklusive frågor som bortskaffande av satelliter när de når slutet av sitt liv. Men många experter hävdar att dessa fördrag måste stärkas och att det måste få konsekvenser för företag som inte följer dem.

"Problemet är att det inte finns ett styrande organ som verkligen kan tillämpa påföljder på ett enhetligt sätt," sa King. "Det finns starka riktlinjer och fördrag, men upprätthållandet av dem är problematiskt."

Satellitkonstellationer som Starlink kan möjliggöra fantastiska nya steg inom telekommunikation, men vi måste hitta ett sätt att balansera denna förmåga med behovet av att studera natthimlen och förstå universum bortom vår planet.

"Rymden är en allmän allmänning som vi alla delar," sa King. "Det måste utarbetas mycket som ett samhälle när konstellationer börjar spridas... Alla och ingen äger utrymme, och vi vill alla dela det."

Redaktörens rekommendationer

• Hur SpaceX kunde förvandla Starlink till ett ultraprecis GPS-nätverk
• Hur man ser rymdfarkosten SpaceX Dragon lämna ISS idag
• SpaceX valt att leverera last till NASA: s Lunar Gateway-rymdstation
• SpaceX genomför sin sjätte Starlink-lansering i morgon: Så här tittar du
• SpaceX kommer att använda en annan sorts rostfritt stål för sina Starship-raketer