עתיד התקשורת הלוויינית

פוסט המשך ל״לידתה של התקשורת הלוויינית״.

לווייני התקשורת הגיאוסטציונריים מילאו וימשיכו למלא תפקיד חיוני בקידמה האנושית, אך חשוב להבין שיש להם גם מספר חסרונות קריטיים הנובעות מכך שהמסלול שלהם מכתיב מיקום מדוייק: גובה של 35,785 ק״מ מעל נקודה כלשהי על קו המשווה. יש לכך יתרונות, אך גם  חסרונות בולטים שבגללם עיקר המאמץ כיום בשיגור לוויינים מושקע בכיוון הפוך – אלפי ואף עשרות אלפי לוויינים מהירים שיקיפו את כדור הארץ בגובה נמוך.

היתרונות של לוויינים בגובה רב

יתרון אחד שיש ללוויינים גיאוסטציונריים על פני לוויינים בגובה נמוך (מעבר לעובדה הברורה שהם תמיד מעל אותה נקודה ביחס לאדמה) הוא גודלם והעובדה שהם רואים כשליש מכדור הארץ בכל רגע נתון. לוויין גיאוסטציונרי אופייני שוקל בין 2 ל 3 טון והינו בגודל של מיניבוס, ולעומת זאת כל אחד מלווייני ספייס-אקס שוקל רק כ 200 ק״ג וגודלו כשל שולחן מטבח. זה נובע מכך שהלוויינים המקיפים בגובה נמוך רואים חלק קטן מכדור הארץ ולכן צריכים לתת שירות למעט אנשים יחסית בו זמנית, ויכולים להיות קטנים, ולעומתם לוויינים גיאוסטציונריים משרתים עשרות מיליוני אנשים ויותר על פני מספר יבשות בו זמנית.

היתרון הוא שזה מאפשר ניהול משאבים חכם יותר במקרה של צריכה חריגה. אם למשל יש אסון במקום כלשהו או כל צורך מקומי אחר, אין בעיה להפנות משאבי תקשורת בתוך הלוויין הגיאוסטציונרי המסיבי ולמקד אותם באותו אזור. לעומת זאת אם התקשורת מנוהלת על ידי צי של לוויינים נמוכים, רק הלוויינים שמעל הראש באותו רגע יכולים לתת שירות, ואם מספר האנשים שזקוקים לשירותי תקשורת עולה בחדות התשתית לא תעמוד בעומס – הלוויינים האחרים, שנמצאים מעבר לאופק, לא יכולים להגיש עזרה.

היתרון השני של לוויינים גיאוסטציונריים על פני לוויינים נמוכים הוא יציבות מסלולית.

ככל שמגביהים הופכת האטמוספירה דלילה, כאשר עד לגובה של כ 10,000 ק״מ עדיין יש השפעה למולקולות האוויר. לוויינים המקיפים מתחת לגובה זה יתחככו בשאריות האטמוספיריות, יאטו ויאבדו גובה. ככל שהלוויין מנמיך כך יפגוש אף יותר מולקולות אוויר להתחכך בהן, ולכן ללא תיקון מסלול יווצר מעגל קסמים שיוביל להתרסקות. לוויינים רבים מסיימים כך את חייהם במתכוון אחרי שהפסיקו להיות שימושיים, הם מכוונים (מה שנקרא deorbit) להתפרק ולהישרף באטמוספירה, בכדי לפנות מקום במסלול ולצמצם פסולת חלל.

דוגמאות מפורסמות הן תחנות החלל ההיסטוריות, שבגלל גודלן היה חשש מפני נזק לרכוש או לנפש עם כניסתן לאטמוספירה. תחנת החלל האמריקאית סקיילאב ביצעה deorbit ב 1979, מיר הרוסית ב 2001 וטיאנגונג-1 הסינית ב 2018. החשש לא היה לגמרי לא מבוסס, כי חלקים מהן אכן היו גדולים מכדי להישרף כליל באטמוספירה והגיעו לגובה פני האדמה במהירות ועוצמה גבוהות. למרבה המזל כל חלקיהן נפלו לים או על חלקים לא מיושבים במערב אוסטרליה.

מימין: סקיילאב בכניסתה לאטמוספירה מעל אוסטרליה, יולי 1979, משמאל: מיר מעל איי פיג׳י, מרץ 2001

אי יציבות מסלולית במסלולים היקפיים נמוכים היא בעיה של ממש. תחנת החלל הבינלאומית כיום למשל (ה ISS) מקיפה בגובה של 400 ק״מ ומאבדת גובה ב-90 מטר בכל יום בגלל חיכוך כזה עם מולקולות אוויר. נדרשים תיקוני מסלול תדירים כדי להשאיר אותה בגובה הרצוי, והם עולים יותר מ 200$ מיליון בכל שנה. מסלול גיאוסטציונרי בגובה 36,000 ק״מ, לעומת זאת, נהנה מיתרון של ריחוק מהאטמוספירה ומסלול יציב.

לוויין גיאוסטציונרי נראה אם כך כמו בחירה מושלמת לכל צרכי התקשורת: גם נשאר בנקודה אחד בשמים ביחס לאדמה ולא מצריך אנטנות מסובכות ומעקב ממונע, גם יציב ואמין וגם מאפשר לתת מענה לשעות חירום למקומות שיש בהם משבר מקומי. מה אם כך הבעיות בגללן אלפי לווייני התקשורת הבאים שישוגרו לא יהיו גיאוסטציונריים?

יש שלושה חסרונות, אחד לא נורא, השני חמור יותר והשלישי פטאלי. אז מהקל אל הכבד.

חסרון הכיסוי בקווי רוחב גבוהים

כפי שהוסבר בחלק הראשון, בכדי שלוויין יהיה גיאוסטציונרי עליו להקיף  מעל נקודה שעל קו המשווה. המשמעות היא שהוא אמנם בדיוק מעל לראשו של צופה בנקודה הנכונה על קו המשווה, אך ככל שנצפין או נדרים לקווי רוחב גבוהים יותר כך הוא ייראה נמוך יותר בשמיים. בקווי רוחב גבוהים הלוויין יהיה כבר קרוב לאופק, מה שיגרור שלל בעיות של הפרעות מהאטמוספירה, הפרעות מקרינה מהאדמה, השתקפויות, הסתרה פשוטה על ידי תוואי קרקע ועוד ושיהפכו אותו לבלתי שמיש עבור תושבי אותו אזור.

הפתרון שנמצא היה שיגור לוויינים למסלולים שמסונכרנים עם כדור הארץ (״גיאוסינכרוניים״ – זמן ההקפה שלהם זהה לזמן הסיבוב של כדור הארץ) אך אינם גיאוסטציונריים כיוון שהמסלול שלהם אינו מעל קו המשווה אלא נטוי ביחס אליו.

בחלקו הימני של האיור אפשר לראות דוגמה למסלול כזה. המסלול אליפטי מאד, כך שהחלק הארוך של האליפסה נמצא מעל חצי הכדור בו מעוניינים בתקשורת (במקרה שבאיור – חצי הכדור הצפוני) ואילו מעל חצי הכדור השני הלוויין מבלה זמן מועט, כי במסלול אליפטי הלוויין נע במהירות גבוהה כאשר הוא קרוב לכדור הארץ, ולכן חולף על פני חלק זה במהירות.

בחלקו השמאלי של האיור אפשר לראות את מסלול הלוויין על פני האדמה (הנקודה בה הוא מעל לראש). צורת ה 8 הזו נקראת אנאלמה  (Analemma). החלק הגדול של האנאלמה נמצא אמנם מעל חצי הכדור הדרומי, אבל למעשה מבחינת זמן (כפי שאפשר לראות מחלקו הימני של האיור) הלוויין חולף על פני חלק זה במהירות, כי זה החלק המהיר של המסלול בו הלוויין קרוב לארץ. בפועל, לוויין כזה יהיה רק כ 3 שעות ממסלולו דרומית לקו המשווה ויותר מ 20 שעות הוא מבלה מעל חצי הכדור הצפוני, בחלקו הארוך של המסלול האליפטי.

 מסלולים כאלה (Tundra למסלול באורך יום או Molniya למסלול באורך חצי יום) מהווים פתרון אלגנטי לקווי רוחב גבוהים אך רחוקים מלהיות אופטימליים. ראשית נדרשים שלושה לוויינים, במקומות שונים לאורך המסלול, בכדי לחפות על השעות בהן הלוויינים האחרים מבלים מתחת או סמוך אל קו האופק. באיור למשל ניתן לראות את מיקומם של שלושת לווייני סיריוס (שפעלו בשנים 2000 עד 2016). בנוסף, יש צורך באנטנות קרקע מתוחכמות וממונעות לצורך מעקב אחר כל לוויין בתנועתו בשמים.

חסרון הצפיפות המסלולית

הדרישה למסלול גיאוסטציונרי היא בעצם דרישה לרדיוס סיבוב ספציפי, למסלול מעגלי ולמיקום מעל קו המשווה. לכן ״רצועת קלארק״ בה ניתן למקם לוויינים גיאוסטציונריים הינה מוגבלת למדי,  ומעריכים שיש מקום רק לכ 1,800 לוויינים לפני שהצפיפות תהפוך למסוכנת ולפני שיתחילו הפרעות תקשורת בין הלוויינים. מסיבה זו יש לא מעט תחרות על הנדל״ן הגיאוסטציונרי המוגבל.

תופעת לוואי לא רצויה נוספת של הצפיפות הינה סיכון גבוה יחסית מפסולת חלל. בגלל השימוש האינטנסיבי שנעשה בה, רצועת קלארק מאוכלסת במאות לוויינים קיימים ולוויינים שיצאו משימוש. אבל הלוויינים הם רק קצה הקרחון: ניתוח נתונים מרשות החלל האירופית ESA (העוקבת אחרי פסולת חלל) איתר ברצועת קלארק עשרות אלפי חלקי ״פסולת חלל״ שקוטרם מעל 1 ס״מ  ואלפים בקוטר של מעל 10 ס״מ. זה אולי נשמע קטן ולא מזיק, אבל המהירות שהחפצים הללו נעים בה ביחס ללוויינים שברצועה מגיעים לעד 4 ק״מ לשניה. התנגשות בלוויין גיאוסטציונרי במהירות כזו לא רק תוציא אותו משימוש אלא עלולה גם לגרור תגובת שרשרת כתוצאה מענן הפסולת שיווצר (הבסיס לסרט המצוין Gravity, ועוד על כך עוד רגע).

מפת פסולת החלל אחריה עוקבת ESA: באדום – לוויינים (פעילים ושיצאו משימוש), בצהוב – שלבים עליונים של טילים (שמילאו את תפקידם ונזנחו), בירוק – חפצים שנותרו ממשימות, בכחול – שברים

אך כל החסרונות שפורטו מתגמדים בפני החסרון המכריע, שבעטיו הלוויינים הגיאוסטציונריים עומדים בתוך מספר שנים להפוך למיעוט קטן מתוך כלל לווייני התקשורת.

חסרון זמן השיהוי (Latency)

משטרת התנועה היקומית בראשות המפכ״ל אלברט אינשטיין קבעה את הגבלת המהירות המקסימלית: מהירות האור בוואקום שהינה כמעט 300,000 ק״מ בשניה. מחישוב מהיר נראה שאפילו במהירות המקסימלית נדרשת כרבע שניה רק כדי לעבור את המרחק מהקרקע ללוויין גיאוסטציונרי ובחזרה. בנוסף נדרש עיבוד לאות המשודר בתחנה המשדרת לפני שיגורו ללוויין, ועיבוד נוסף בלוויין לצורך ניקוי והגברה, ושוב טיפול באות בתחנת הקליטה. לכן העיכוב בפועל בין שידור האות לקבלתו בנקודת היעד אחרי המעבר בלוויין יעמוד על כחצי שניה. עיכוב כזה הוא לא עקרוני בשידור חד כיווני כמו רדיו או טלוויזיה, אבל יהפוך תקשורת דו כיוונית כמו שיחת טלפון או אינטראקציה אינטרנטית למעיקה עד בלתי אפשרית.

לכן, לאור העליה ההולכת ומאיצה בדרישות תעבורת האינפורמציה, בעיקר זו האינטראקטיבית והדורשת זמן שיהוי נמוך, מספר חברות משקיעות כמויות עתק של הון ומאמץ בהקמת רשתות לוויינים (Satellite Constellations) בגובה נמוך.

הבולטת ביניהן היא ״סטארלינק״ של SpaceX, ששיגרה עד כה 853 לוויינים למסלול נמוך בגובה של כ 500 ק״מ (60 מהם ממש לפני מספר ימים), בדרך ליעד של 12,000 לווייינים. תקשורת דרך ובין לוויינים כאלה, המתוכננת להתבצע באמצעות פולסים מהירים של לייזר וקרינת רדיו, תתאפיין בזמן שיהוי של כ 30 אלפיות השניה, פי 20 טוב יותר מבתקשורת הלוויינית של היום ודומה לזמן השיהוי המתקבל בחיבור באמצעות סיבים אופטיים. סיבים אופטיים אמנם פרושים על הקרקע, והמרחק בין נקודת השידור והקליטה הוא בהגדרה קצר יותר כשלא צריך לעלות 500 ק״מ ללוויין ולרדת אותם חזרה, אבל זה מתקזז עם העובדה שמהירות האור בזכוכית (כמו בסיב אופטי) נמוכה בכ-30% מאשר מהירות האור בוואקום או באוויר. לאותות יש יותר דרך לעבור כשהתקשורת היא לוויינית, אבל המהירות שלהם גבוהה יותר ב 100,000 ק״מ לשניה. כשהלוויינים נמוכים מספיק (כמו במערך של סטארלינק) זה משתלם.

המערך של סטארלינק מבוסס על רשת צפופה למדי של לוויינים המקיפים את כדור הארץ במהירות גבוהה (זמן הקפה של כשעה ו 45 דקות) ובכיוונים שונים, שתי וערב, כך שבכל רגע נתון יש מספר לוויינים מעל ראשו של המשתמש והמערכת מנתבת את זרימת המידע באופן אוטומטי בין נקודות הקצה.

חסרונות של רשתות לווייניות

מסתמן שזהו הכיוון העתידי לרוב תעבורת המידע, ובהתאם יש גם מספר חברות המתחרות בספייס-אקס ועובדות על הקמת רשתות לוויינים משלהן (אמזון, סמסונג, בואינג ועוד). עם זאת רבים מתריעים בפני שני בעיות אפשריות שייגרמו כתוצאה מרשתות כאלה.

הבעיה הראשונה היא עליה תלולה בסיכוי להיווצרות פסולת חלל ולתאונה בין לוויינים, שבמקרה הרע עלולה לגרור תגובת שרשרת הרסנית הידועה כסינדרום קסלר. כאן יש סרטון מצויין, עם מפות פסולת חלל של ESA (סוכנות החלל האירופאית) שמסביר את הבעיה הקיימת כבר כיום, עוד לפני שסטארלינק מכפילה פי כמה את מספר הלוויינים סביב כדור הארץ.

והבעיה השניה היא שאלפי ואף עשרות אלפי הלוויינים יפריעו למחקר האסטרונומי מכדור הארץ. רוב הטלסקופים פועלים בהגדלה גבוהה וצופים בחלק זעיר מהשמיים, מה שמקטין את ההסתברות שלוויין יחצה את שדה הראיה בזמן התצפית, אך עבור סקרים בשדה ראיה רחב, כמו ה LSST, הבעיה תהיה חריפה יותר.

גם עבור טלסקופי רדיו מדובר בבעיה אמיתית, כיוון שהלוויינים יגזלו תדרים שכיום משמשים למחקר. לכל חומר בטבע ״טביעת אצבע״ משלו עם תדרים אופייניים בהם אפשר להבחין בו. אורכי הגל המשמשים למשל להבחנה במולקולות מים במערכות כוכבים רחוקות ימוסכו כמעט לחלוטין על ידי פעולת הלוויינים.

באור הנראה ובאינפרה-אדום ההפרעה תהיה בעיקר לאסטרונומים המנסים להבחין בתופעות במערכת השמש כגון חיפוש אחר שביטים או אסטרואידים (כולל אלו העשויים להוות סכנה לכדור הארץ). לוויינים נמוכים (בגובה 600 ק״מ, כמו אלה של ספייס אקס) מחזירים את אור השמש בשעות שאחרי השקיעה או לפני הזריחה, בהן כבר חשוך על כדור הארץ אבל בגבהים בהם מקיפים הלוויינים עדיין מואר. לוויינים במסלולים גבוהים יותר, לעומת זאת (כמו 1,200 ק״מ כפי שמתכננת OneWeb) יהוו הפרעה לאורך כל הלילה

שובלי אור של 7 לווייני סטארלינק (השביעי חיוור מאד מימין) בחשיפה שנמשכה 2 שניות. הלוויינים היו בעוצמה שנראית בנקל לעין הרגילה. צולם באפריל 2020.

כינוס מיוחד של 250 מדענים ואנשי תעשיה ביוני ויולי, SATCON1 (קיצור של Satellite Constellations) הביא להכנת דו״ח מיוחד ובו המלצות לנקיטת שלל אסטרטגיות כגון שינוי נתיב ההעלאה למסלול הסופי, צביעת הלוויינים בצבע פחות מחזיר אור ואפילו התקנת מצחיות מיוחדות על הלוויינים כדי לצמצם החזרת קרינת שמש לכדור הארץ.

חלק מההמלצות כבר יושמו על ידי ספייס אקס בלוויינים שהועלו בשיגורים האחרונים, וכרגע יש מספיק מידע מסלולי על הלוויינים בכדי שאסטרונומים יוכלו לתכנן תצפיות כדי להימנע מחציית שדה הראיה על ידי שורות של לוויינים שיהרסו את המדידות. אבל כבר כעת ברור שאנו רק בתחילת הדרך, ושככל שיעלו יותר לוויינים ההתחמקות מהם תהיה בלתי אפשרית.

ימים יגידו איזה פתרון יימצא ואיך יאוזן הרעב לתקשורת מהירה וזמינה מול הרצון להמשיך ולחקור את צפונות היקום. אם לשפוט לפי האיזון שהושג פה על פני האדמה בין שמירה על הטבע לבין ניצולו, לא בטוח שהתחזית אופטימית.