Starlink-satellieten voor wereldwijd internet

Een gigantisch netwerk van laagvliegende satellieten moet afgelegen oorden kunnen voorzien van internet. Niet iedereen is daar blij mee: astronomen maken zich er druk over.

Op veel plaatsen ontbreekt een snelle internettoegang, en dan vooral daar waar geen zendmasten en 4G-netwerken beschikbaar zijn. Bijvoorbeeld op zee, in woestijnen of grote bossen – of een afgelegen boerderij op het Brabantse platteland of in de Belgische Kempen. Het gigantische satellietnetwerk Starlink is bedoeld om de gaten in de toegang tot het terrestrische netwerk op te vullen. Meer dan 30.000 satellieten zullen in een baan om de aarde ­worden gebracht voor die zogenaamde megaconstellatie. Er hangen er al 715.

Vijf Starlink-weetjes:

Waar komt de naam vandaan?
De naam Starlink is volgens een tweet van Elon Musk geinspireerd door het boek The Fault in Our Stars van John Green, een tragisch verhaal over jongeren die aan kanker lijden.

Welke bandbreedte bieden de satellieten?
Voor de eerste fase berekenden onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 2018 een netto capaciteit van 23,7 terabit per seconde – na aftrek van negatieve effecten zoals het gebrek aan grondstations. Elke massale lancering van 60 satellieten verhoogt de transmissiecapaciteit met maximaal 1 terabit per seconde. Door de toevoeging van de Ka-band zou de netto capaciteit nu hoger moeten zijn.

Wat is de snelheid voor gebruikers?
Theoretisch zouden individuele verbindingen tot 1 Gbit per seconde mogelijk zijn, downloadsnel­heden van 610 Mbit per seconde zijn gedemonstreerd. Per gebruiker zou het in eerste instantie 40 tot 100 Mbit per seconde moeten zijn.

Wat heb je ervoor nodig?
Gebruikers hebben een terminal nodig die er volgens de foto’s uitziet als een conventionele schotel­antenne.

Hoeveel kost het?
Elon Musk heeft de totale kosten in 2015 publiekelijk geschat op 10 tot 15 miljard dollar. In een TED-interview in 2018 schatte SpaceX-voorzitter Gwynne Shotwell de kosten op ongeveer 10 miljard.

Starlink is een project van het privébedrijf SpaceX, bekend om zijn herbruikbare hulpraketten genaamd Falcon en om de uiterst ambitieuze ruimtevaartprojecten zoals het kolonialiseren van Mars. De oprichter van het bedrijf, Elon Musk, presenteerde in januari 2015 het idee van een wereldwijd satellietnetwerk.

Het is bedoeld om overal goedkope snelle internettoegang te bieden, zelfs op plaatsen waar voorheen geen internetverbinding was. Op de lange termijn is Starlink bedoeld om een volledige netwerkstructuur in de ruimte op te bouwen.

Daartoe moeten duizenden satellieten in lage ­banen om de aarde draaien – de zogenaamde LEO’s (Low Earth Orbit) op een hoogte van ongeveer 550 kilo­meter. Dergelijke omloopbanen slaan twee vliegen in een klap: het lanceren van de satellieten kost minder en gebruikers profiteren van een kortere afstand tot de satellieten door de aanzienlijk kortere voortplantingstijden van de signalen in vergelijking met andere satellieten.

Het huidige satellietinternet maakt voornamelijk gebruik van geostationaire satellieten in banen op een hoogte van 35.786 km.

Die enorme afstand veroorzaakt een signaalvertraging van 700 milliseconden. Dat is te veel voor bijvoorbeeld videoconferenties of Voice-over-IP. Bij Starlink moeten de pingtijden tussen de 20 en 50 milliseconden liggen. Dat is op hetzelfde niveau als de terrestrische vertragingen.

Wat er beloofd wordt klinkt goed en zou gevestigde internetproviders kunnen doen vrezen voor hun businessmodel. Daar hoeven ze volgens Elon Musk echter niet bang voor te zijn: Starlink is niet geschikt voor internettoegang in dichtbevolkte regio’s omdat de bandbreedte van de satellieten wordt verdeeld over het aantal gebruikers in het ontvangstgebied.

Starlink is dan ook van meet af aan ontworpen om dunbevolkte gebieden te bedienen, waarvoor kabels leggen of zendmasten bouwen niet lonend is.

Volgens Musk vult Starlink een niche die niemand ooit eerder heeft willen opvullen. Dat kan de boeren op het platteland misschien een beetje opvrolijken, want Musk wil de dienst ook in Europa aanbieden. De testfase begon al vorig jaar juni, aanvankelijk alleen bedrijfsintern. SpaceX heeft momenteel lancerings- en exploitatievergunningen voor in totaal 11.943 satellieten, en dat worden er naar verwachting circa 30.000, waarvan sommige oudere zullen vervangen.

Hoewel de vele verschillende getallen die op internet over het project circuleren verwarrend zijn, is de opzet van het project alleen in details gewijzigd: hier en daar zijn er koersaanpassingen en een nieuwe technologie die nog hogere datasnelheden moet opleveren – en wordt er gesleuteld aan de veel te hoge zichtbaarheid in de nachtelijke hemel. Vanaf eind 2020 hebben de satel­lieten laserterminals gekregen waarmee ze ook hun onderlinge dataverkeer kunnen afhandelen.

Dat is op zich een belangrijke stap, omdat Starlink een eigen autonome infrastructuur geeft voor het routeren van datapakketten van de zender naar de ontvanger. Op dit moment zijn de grondstations nog steeds verantwoordelijk voor de routering, omdat sommige satel­lieten nog geen laserterminals aan boord hebben, en vooral ook omdat het Starlink-netwerk nog incompleet is. De satellieten zijn nu in massaproductie en SpaceX bouwt er momenteel zeven per dag.

Ze zouden ongeveer vijf jaar moeten meegaan. Een enkele satelliet kost ongeveer 500.000 dollar, plus nog eens lanceringskosten van dezelfde orde van grootte. Elke satelliet weegt 260 kilo.

Momenteel is de Starlink-constellatie nog verre van volledig. Slechts een klein aantal banen is bezet.

Ze worden aange­dreven door een ionenmotor die gebruik maakt van het Hall-effect. Die biedt een hoge stuwkracht-efficiëntie en kan langdurig worden ingezet. De motor maakt gebruik van kryptongas en niet van het veelgebruikte xenon.

Krypton is iets zwaarder, maar kost slechts een tiende daarvan. Met behulp van optische meetinstrumenten, bekend als star-trackers, richten de satel­lieten zich op de aarde en oriënteren ze zich op heldere sterren. Door gebruik te maken van optische sensoren en door toegang tot de NASA-database van ruimte­schroot kunnen de satellieten objecten in hun baan vermijden.

Generatie V 1.0 gebruikt de Ku-band (12 tot 18 gigahertz) en ook de Ka-band (26,5 tot 40 giga­hertz), waardoor de zendcapaciteit vergroot wordt. De Amerikaanse telecommunicatieautoriteit FCC heeft het gebruik van de V-band (40 tot 75 gigahertz) al goed­gekeurd voor nieuwere generaties. De signalen worden gebundeld door vier antennes, zogenaamde phased-­arrays.

Volgens de beschikbare aanvragen wilde SpaceX eerst nog eens 2825 satellieten in veel hogere banen brengen, tussen 1110 en 1325 kilometer hoogte met hellingen van 53,8 tot 81 graden ten opzichte van de evenaar. SpaceX is echter van gedachten veranderd en de satellieten gaan nu in een baan om de aarde draaien tussen 540 en 570 kilometer hoogte, met hellingen van 53,2 tot 97,6 graden, en bestrijken dus ook gebieden die verder naar het noorden liggen.

In een tweede fase is het bedrijf van plan om nog lagere banen te voorzien van in totaal 7518 satellieten die rond 340 kilometer boven ons cirkelen.

De tijdsdruk is enorm. Tegen het einde van 2024 zou het bedrijf immers precies de helft van de als eerste aangevraagde hoeveelheid in een baan om de aarde moeten hebben, oftewel 5972 Starlink-satellieten. Met de Falcon 9-raket zou dat 100 lanceringen van 60 satellieten per stuk vereisen. Met één of twee lanceringen per maand mag er dan nauwelijks iets misgaan.

Daarom moeten de nieuwe raketten Starship en Super Heavy voor meer marge zorgen en binnenkort 400 Starlink-satellieten per keer lanceren. Maar het is de vraag of de nieuwe transportraketten op tijd klaar zullen zijn.

Blijf op de hoogte en schrijf je in voor de nieuwsbrief:

Ongeacht de voortdurende aanpassingen zijn de lanceringen nu net zo routinematig geworden als het ­aanzetten van de koffieautomaat ’s ochtends: twee en een halve minuut na de lancering schakelt de eerste trap van de Falcon 9-raket uit en snelt terug naar het aardoppervlak, afgescheiden van de tweede trap en de satellieten. Iets meer dan drie minuten na het opstijgen werpt de tweede trap de behuizing af.

Na zeven minuten stopt de motor van de eerste trap, die weer richting aarde vliegt, en na iets minder dan negen minuten landt hij op een schip en kan hij worden hergebruikt. Tegelijkertijd worden ook de motoren uitgeschakeld van de tweede trap, die de satellieten naar hun eindbestemming brengt.

Starlink-satellieten zijn vooral vlak, zoals een rechaud in een restaurant. Daardoor kunnen er veel gestapeld en gezamenlijk gelanceerd worden.

Bij sommige lanceringen zijn naast de Starlink-­satellieten ook andere satellieten betrokken, die dan onderweg afgezet worden. Na 45 minuten wordt de hele batterij van maximaal 60 Starlink-satellieten in een voorlopige baan om de aarde losgelaten, ongeveer 300 kilometer boven het aardoppervlak, allemaal tege­lijk. Ze ontvouwen hun zonnepanelen en ont­steken hun Krypton-ionenstuwraketten om te klimmen naar de beoogde hoogte van hun huidige drie reguliere ­banen.

In de huidige fase worden de satellieten verdeeld over 72 banen met elk 22 satellieten, op een hoogte van 550 kilometer. Eenmaal in hun banen bewegen ze zich geleidelijk aan verder uit elkaar, totdat na ­enkele ­dagen het parelsnoer aan de hemel zijn definitieve vorm heeft bereikt.

Op sommige avonden – bij voorkeur kort na een lancering – kan men al echte treintjes van satellieten voorbij zien komen in de nachtelijke hemel. Die formatievluchten vallen zoals beschreven na enkele dagen uiteen. Nu echter steeds meer banen geleidelijk aan gevuld raken, verschijnen er al foto’s van de nachtelijke hemel met een streepjespatroon. De oorzaak daarvan is het licht dat door de satellieten wordt gereflecteerd.

Veel mensen ergeren zich daar aan, vooral astronomen. Zij zien de ‘lichtvervuiling’ van de Starlink-­satellieten als een drastische verslechtering van de waar­nemingsmogelijkheden. SpaceX test coatings op zijn satellieten en gaf eerder dit jaar een satelliet genaamd DarkSat een donkerder oppervlak als test, maar dat veroorzaakte thermische problemen.

Starlink L7 kreeg een soort schild dat het zonlicht afschermt. Alle satellieten die na half augustus zijn gelanceerd, zouden minder fel moeten schijnen. De kritiek van de astronomen is daardoor echter niet minder geworden. Ze klagen ook over het feit dat SpaceX pas laat in de projectfase en pas na massale protesten met sterrenkundige onderzoeksinstellingen is gaan praten.

Een tweede probleem, zo zeggen critici van het project, is dat het grote aantal satellieten het risico op een botsing met andere hemellichamen sterk kan vergroten. Als ergste gevolg daarvan vrezen ze het zogenaamde Kessler-effect. Daarbij maken verdere botsingen als gevolg van rondvliegend puin nieuwe lanceringen praktisch onmogelijk.

De internationale ruimtevaartagentschappen verplichten de satelliet­exploitanten dan ook om hun satellieten aan het einde van de levensduur veilig uit de omloopbaan terug te brengen. Daarom moeten de Starlink-satellieten voldoende brandstof aan boord hebben om ze snel naar de atmosfeer te brengen, waar ze zullen opbranden. Drie Starlink-satellieten zijn op die manier al aan hun einde gekomen.

Met een lange belichtingstijd zie je aan de nachtelijke hemel waar Starlink-satellieten het zonlicht weerkaatsen.

Een derde golf van kritiek heeft betrekking op het feit dat SpaceX, een individueel bedrijf zonder internationale overeenkomsten, een groot deel van de waardevolle LEO-banen min of meer in beslag heeft genomen door middel van een verrassingsaanval. Lage baanhoogtes zijn ook zeer aantrekkelijk voor andere doeleinden, zoals aardobservatie, astronomie en weersatellieten.

Bovendien vindt niet elke regering het misschien prettig dat Starlink internettoegang biedt die buiten de regelgeving valt. Dat betekent dat ongewenste inhoud niet zomaar kan worden geblokkeerd. Andersom geldt ook dat SpaceX zelf gevoelig is voor filter­praktijken en dat het als Amerikaans bedrijf ook volledige toegang moet geven aan de Amerikaanse geheime diensten.

Starlink is niet de enige satellieten-constellatie, maar wel de meest geavanceerde. OneWeb, een bedrijf gevestigd in Londen, wilde een soortgelijk concept lanceren met 1980 satellieten, maar vroeg in maart faillissement aan. Er waren al 74 van de OneWeb-­satellieten met succes gelanceerd. Eind juli nam een Brits-­Indiaans consortium OneWeb over.

Ook over Project Kuiper is al tijdens de planningsfase veel ophef geweest, waarschijnlijk omdat Amazon er achter zit. In totaal zullen 3236 satellieten in een baan om de aarde worden gebracht. Samsung kondigde in 2015 een plan aan voor een constellatie van 4600 satellieten, maar lijkt daar op teruggekomen te zijn. Het heeft de afgelopen tijd daar niets meer over laten horen. Ook rond Facebooks project Athena is het stil geworden.

Het Canadese bedrijf Telesat wil een constellatie van 117 satellieten in een baan om de aarde sturen op een hoogte van ongeveer 1000 kilometer. De Chinese autofabrikant Geely plant ook een eigen satellietnetwerk, maar dat is meer gericht op het besturen van auto­nome voertuigen.

Het netwerk van Starlink-satellieten wordt steeds dichter en dichter, dat is een feit. Het netwerk wordt een ernstige bedreiging voor de investeringsbereidheid van netwerkoperators in minder centraal gelegen gebieden. Voor de nabije toekomst zal iedereen die daar internettoegang nodig heeft een beroep moeten doen op Starlink.

Het valt nog te bezien hoe gereguleerd de internettoegang via de satelliet zal zijn en hoe het bedrijf gaat reageren op verzoeken van geheime diensten en opsporingsinstanties die inbreuk kunnen maken op de privacy van gebruikers.

(informatie afkomstig uit het artikel van Michael Link en Marco den Teuling, c’t magazine 12/2020, p. 54)

Nadelige gevolgen aantal satellieten

Deskundigen waarschuwen voor botsingen en daaruit voortkomende kettingreacties in de ruimte als gevolg van het toenemende aantal satellieten in een baan om de aarde. Zie het artikel:
Internet: Satellieten en bijna-botsingen van SpaceX en OneWeb