Starlink all’ombra delle visiere parasole

SpaceX sta lanciando Starlink per fornire connettività a banda larga, ad alta velocità e bassa latenza, in tutto il mondo – anche in luoghi in cui Internet è attualmente troppo costoso, inaffidabile o non disponibile affatto. La sfida di SpaceX si sta dimostrando piuttosto invasiva per chi vorrebbe continuare a osservare un cielo libero da treni di puntini che lo attraversano, e molte sono le critiche sollevate alla costellazione di satelliti dell’imprenditore Elon Musk, che peraltro dice di credere nell’importanza di preservare il cielo notturno, di cui tutti devono poter godere. Proprio per questo motivo la sua azienda – SpaceX, appunto – ha lavorato negli ultimi tempi con gli astronomi di tutto il mondo per comprendere meglio le specifiche delle loro osservazioni e i cambiamenti tecnici che occorre apportare ai satelliti per ridurne la luminosità.

In questo contesto, gli obiettivi della compagnia sono essenzialmente due. Primo, rendere i satelliti invisibili a occhio nudo entro una settimana dal lancio. Si tratta di una modifica software e la società sta lavorando per implementarla al più presto, cambiando il modo in cui i satelliti si portano alla loro altitudine operativa. Il secondo obiettivo prevede di ridurre al minimo l’impatto di Starlink sull’astronomia, oscurando i satelliti in modo da non saturare i rivelatori degli astronomi. L’azienda ci sta provando con l’aggiunta di una “visiera” ai satelliti, così da impedire alla luce solare di colpire le loro parti più riflettenti. La prima unità ad avere questa miglioria sta per essere lanciata, dopodiché tutti i futuri satelliti Starlink avranno queste alette parasole. Inoltre, per facilitare agli astronomi la pianificazione delle osservazioni, le informazioni sulle orbite dei satelliti sono disponibili su space-track.org.

Ma vediamo nel dettaglio come funzionano alcuni aspetti dei satelliti Starlink, per capire come la compagnia si sta muovendo per mitigarne la luminosità.

Orbite Starlink

Starlink ha tre fasi di volo: innalzamento dell’orbita (orbit raise, passaggio da un orbita provvisoria a quella corretta), orbita di parcheggio (parking orbit, a una quota di 380 km dalla superficie terrestre) e orbita operativa (on-station, 550 km sopra la superficie terrestre). Durante la fase di raggiungimento dell’orbita, i satelliti usano i loro propulsori per aumentare l’altitudine nel corso di alcune settimane. Alcuni satelliti vanno direttamente nell’orbita operativa, mentre altri si fermano nell’orbita di parcheggio, per permettere ai satelliti stessi di raggiungere un piano orbitale diverso. Una volta che i satelliti sono attivi, si riconfigurano in modo tale che le antenne siano rivolte verso la Terra e il pannello solare si disponga verticalmente, così da poter seguire il Sole per massimizzare la produzione di energia. Come risultato di questa manovra, i satelliti diventano molto più scuri, perché la visibilità del pannello solare dalla Terra è notevolmente ridotta. Attualmente, circa la metà degli oltre 400 satelliti di Starlink è nella sua orbita operativa e l’altra metà la sta raggiungendo oppure è nell’orbita di parcheggio. I satelliti trascorrono una piccola parte della loro vita nella fase di orbit raise o nell’orbita di parcheggio, mentre trascorrono la maggior parte della loro vita nell’orbita operativa. In qualsiasi momento, solo alcune centinaia di satelliti circa si stanno innalzando o sono nell’orbita di parcheggio. Il resto dei satelliti si trova nell’orbita operativa.

I satelliti Starlink

Il design del satellite Starlink è stato guidato dal fatto che vola a un’altitudine molto bassa rispetto ad altri satelliti per comunicazioni, per privilegiare la sicurezza del traffico spaziale e per ridurre al minimo la latenza del segnale tra il satellite e gli utenti che utilizzano il servizio Internet. A causa della bassa altitudine, il drag (la resistenza o frenamento indotto dalle particelle dell’atmosfera sul satellite, che causa una diminuzione dell’altezza dell’orbita) è un fattore estremamente rilevante di cui tenere conto nella fase di progettazione. Durante la fase di innalzamento dell’orbita, i satelliti devono ridurre al minimo l’area della sezione trasversale rispetto al “vento”, altrimenti rischierebbero di cadere fuori dall’orbita. Un drag elevato è un’arma a doppio taglio: far volare i satelliti è complicato, ma di fatto tutti i satelliti che manifestano problemi escono dall’orbita rapidamente per poi bruciare nell’atmosfera, riducendo la quantità di “spazzatura spaziale” in orbita. Questa configurazione di volo, in cui la resistenza è particolarmente ridotta, assomiglia a un libro aperto, dove l’array solare è disposto su piano, come le pagine di un libro aperto, di fronte al veicolo. Quando i satelliti Starlink sono nella fase di innalzamento dell’orbita, rollano un poco rispetto al vettore velocità per generare energia, mantenendo sempre al minimo l’area della sezione trasversale, e le antenne rivolte verso la Terra quanto basta per rimanere in contatto con le stazioni terrestri.

Anche quando i satelliti raggiungono la loro orbita operativa di 550 km, il drag è ancora un fattore rilevante — quindi qualsiasi satellite non funzionante uscirà dall’orbita rapidamente — ma il sistema di controllo dell’assetto è in grado di controllare il satellite utilizzando il pannello solare sollevato sopra il satellite stesso, in un orientamento verticale che si chiama pinna di squalo. È questo l’orientamento in cui il satellite trascorre la maggior parte della sua vita operativa.

Visibilità satellitare

I satelliti sono visibili da Terra all’alba o al tramonto, perché sono illuminati dal Sole quando le persone o i telescopi a Terra sono al buio. Queste condizioni si verificano solo per una frazione della loro orbita di 90 minuti. L’immagine a sinistra (cliccare per ingrandire) evidenzia perché i satelliti che sono in fase di innalzamento dell’orbita sono molto più luminosi dei satelliti che si trovano nell’orbita operativa: durante l’innalzamento dell’orbita, quando l’array solare è aperto, la luce solare si riflette sia sull’array che sul corpo del satellite stesso, per poi arrivare al suolo. Raggiunta l’orbita operativa, solo alcune parti dello chassis del satellite possono riflettere la luce del Sole sulla Terra. Vediamo in che modo.

La fisica della luminosità del satellite

La magnitudine apparente di un oggetto è una misura della luminosità dell’oggetto rilevabile dalla Terra. Viene espressa in scala logaritmica perché inizialmente, nel XIX secolo, si credeva che l’occhio umano non fosse sensibile alle differenze di luminosità in modo direttamente proporzionale alla quantità di energia ricevuta, bensì su scala logaritmica. Maggiore è la luminosità dell’oggetto, minore è la sua magnitudine. Una stella di magnitudine 3 è circa 2.5 volte più luminosa di una stella di magnitudine 4. Sulla base delle osservazioni che sono state fatte da SpaceX e dai membri della comunità astronomica, gli attuali satelliti Starlink hanno una magnitudine apparente media di 5.5 quando sono nella loro orbita operativa mentre sono più luminosi durante la fase di innalzamento dell’orbita. Gli oggetti fino a circa magnitudo 6.5 – 7 sono visibili a occhio nudo (nelle periferie, la visibilità a occhio nudo si avvicina a 4) e l’obiettivo di SpaceX è che i satelliti Starlink raggiungano una magnitudine 7 (o anche migliore) durante quasi tutte le fasi della loro missione.

Sono due i tipi di riflessi che si possono avere sui satelliti Starlink: i riflessi diffusi e quelli speculari. I riflessi diffusi si verificano quando la luce viene diffusa in molte direzioni diverse (immaginate di illuminare con una torcia un muro bianco). I riflessi speculari si verificano quando la luce viene riflessa in una direzione particolare. La riflessione speculare è la classica riflessione che si ha sulla superficie di uno specchio, dove ogni raggio incidente viene riflesso sulla superficie dello specchio dello stesso angolo di incidenza, rispetto alla perpendicolare alla superficie, ma dalla parte opposta del piano formato dal raggio incidente, dal raggio riflesso e dalla normale alla superficie. Il risultato è che un’immagine riflessa in questo modo è speculare.

Contrariamente a quando si potrebbe essere portati a pensare, sono i riflessi diffusi che contribuiscono maggiormente alla luminosità osservata sulla Terra, perché vanno in tutte le direzioni. Sono visibili finché il satellite è visibile, motivo per il quale i satelliti Starlink possono creare l’effetto “filo di perle” nel cielo notturno. È strano a dirsi, ma le riflessioni speculari che avvengono sui satelliti Starlink sono un problema molto minore rispetto a quelle diffuse. Che sia diffusa o speculare, avere un’alta riflettività aiuta i satelliti a rimanere freddi nello spazio. Quando la luce solare colpisce una superficie del satellite e si riflette, la stragrande maggioranza della luce si riflette nella direzione speculare (come su uno specchio), e questa direzione generalmente è verso lo spazio, non verso la Terra. Occasionalmente, quando è diretta verso la Terra, il luccichio che ne deriva dura solo per un secondo o anche meno. Le superfici che danno origine a riflessioni speculari tendono a essere la parte meno luminosa del satellite, a meno che l’osservatore non abbia un allineamento particolare con il satellite, nel qual caso ne sarebbe disturbato.

Le parti che contribuiscono maggiormente alla luminosità dei satelliti Starlink sono le antenne phased-array bianche poste sul fondo del satellite, quelle paraboliche sui lati (sempre bianche, non mostrate nell’immagine qui di seguito) e il lato posteriore bianco dei pannelli solari. Queste superfici sono tutte bianche per mantenere basse le temperature, affinché i componenti non si surriscaldino. La chiave per rendere più “scuro” Starlink è impedire che la luce del Sole le illumini. Mentre nella fase di innalzamento dell’orbita e nell’orbita di parcheggio domina il contributo del pannello solare, per via della sua superficie molto più ampia, quando i satelliti raggiungono la loro altitudine operativa, sono le antenne che danno un contributo dominante, perché il retro del pannello solare è in ombra.

Possibili soluzioni su cui si sta lavorando

Per ridurre la luminosità dei satelliti Starlink, SpaceX ha adottato un approccio sperimentale e iterativo. La luminosità orbitale è un problema estremamente difficile da affrontare in modo analitico, quindi la società ha lavorato su test effettuati sia a terra che in orbita. Ad esempio, all’inizio di quest’anno ha lanciato DarkSat, un satellite sperimentale nel quale ha oscurato il phased-array e le antenne paraboliche, riducendo la luminosità del satellite di circa il 55 per cento, come è stato verificato da misurazioni ottiche differenziali che hanno confrontato DarkSat con altri satelliti Starlink vicini. Questa soluzione li rendi quasi invisibili a occhio nudo mentre si trovano nell’orbita operativa. Tuttavia, le superfici nere nello spazio si surriscaldano e riflettono un po’ di luce, anche nello spettro infrarosso, quindi SpaceX sta procedendo con una nuova soluzione che vede l’implementazione di una “visiera parasole”. Questa soluzione permette di evitare problemi termici dovuti alla vernice nera e si prevede che renda i satelliti più scuri di DarkSat, poiché bloccherà tutta la luce, evitando che raggiunga le antenne bianche.

Manovra di rollio della prima parte della missione (Orbit Raise e Parking Orbit)

La visiera permetterà di diminuire la luminosità del satellite nell’orbita operativa ma, non oscurando di fatto il retro del pannello solare, non riuscirà a diminuire la sua luminosità durante la fase di innalzamento dell’orbita e quando si trova nell’orbita di parcheggio. Per questo motivo, SpaceX si sta attivando per cambiare l’assetto del satellite dall’inserimento nell’orbita di parcheggio a quella operativa. Attualmente SpaceX sta testando manovre di rollio del satellite in modo che la direzione del Sole sia quella del piano del corpo del satellite, con il satellite messo di taglio, rispetto al Sole. Ciò ridurrebbe la luce riflessa sulla Terra, riducendo di fatto la superficie del satellite che viene investita dalla luce del Sole. È possibile farlo mentre il satellite si sta innalzando e durante l’orbita di parcheggio perché in questi casi non è necessario puntare le antenne al nadir per fornire copertura Internet agli utenti.

Tuttavia, ci sono alcune complicazioni che rendono questa soluzione è difficilmente implementabile. Innanzitutto, il rollio del pannello solare lontano dal Sole riduce la quantità di energia disponibile per il satellite. In secondo luogo, poiché la soluzione prevede che le antenne vengano puntate in direzione diversa dalla Terra, il tempo di contatto con i satelliti verrebbe ridotto. In terzo luogo, gli star tracker si trovano ai lati dello chassis (l’unico posto dove possono stare, con un campo di vista adeguato). Il rollio del satellite posto di taglio potrebbe portare ad avere uno star tracker puntato verso la Terra e uno verso il Sole, il che porterebbe inevitabilmente a un degrado della conoscenza del puntamento del satellite. Ci sarà una piccola percentuale di casi in cui i satelliti non possono rollare fino a mettersi di taglio rispetto al Sole a causa di uno dei suddetti vincoli, e questo potrebbe comportare il fatto che i satelliti Starlink non siano invisibili mentre stanno innalzando la loro orbita, almeno per una parte dell’orbita.

Luminosità nell’orbita operativa

Come abbiamo detto, i satelliti trascorrono gran parte della loro vita nell’orbita operativa in cui, durante i passaggi visibili, saranno sempre nella configurazione “a pinna di squalo”. È possibile regolare il posizionamento del pannello solare in questa configurazione affinché rifletta la luce proveniente dalle sue celle solari lontano dalla Terra e nasconderla in parte dietro lo chassis. Un importante obiettivo da raggiungere è fare in modo che ai phased-array e alle antenne non arrivi la luce diretta del Sole, quindi occorre coprirle in qualche modo ai lati del satellite. Per fare questo, sfruttando l’orbita bassa e la geometria del satellite, SpaceX ha progettato una visiera trasparente alle radiofrequenze che impedisce alla luce di raggiungere la maggior parte del corpo del satellite, nonché tutte le parti del corpo principale sulle quali potrebbe essere diffusa. Questa visiera durante il lancio si appoggerà sullo chassis e verrà dispiegata solo durante la separazione dal Falcon 9. La visiera impedisce alla luce di riflettersi sulle antenne, bloccandola del tutto. Questo approccio non solo evita gli impatti termici causati dall’oscuramento delle antenne, ma dovrebbe anche portare a una maggiore riduzione della luminosità. Il primo prototipo di VisorSat doveva partire il 17 maggio ma il lancio è stato rimandato per via della tempesta tropicale Arthur. SpaceX fa sapere che entro giugno queste visiere dovrebbero essere installate su tutti i satelliti. Anche le antenne paraboliche ai lati del satellite Starlink avranno visiere che li oscurano.

Ridurre al minimo l’impatto sull’astronomia

Per arrivare a queste soluzioni, SpaceX ha lavorato con i principali enti di riferimento americani per l’astronomia, in particolare con la American Astronomical Society e l’Osservatorio Vera C. Rubin, con i quali ha avuto intensi scambi al fine di comprendere i metodi e gli strumenti impiegati dalla comunità astronomica, e per avere dalla comunità scientifica stessa le specifiche tecniche delle osservazioni con le quali ha poi ideato le soluzioni ingegneristiche proposte per la mitigazione della luminosità. Oltre alle soluzioni su cui si sta lavorando, SpaceX ha reso disponibili le traiettorie di Starlink, pubblicandole attraverso space-track.org e celestrak.com, che molti astronomi usano nel progettare le loro osservazioni per evitare le strisce satellitari. Su richiesta degli astronomi, la compagnia sta pubblicando dati predittivi prima del lancio, in modo tale da permettere agli osservatori di programmare le osservazioni intorno ai satelliti nelle prime ore del loro spiegamento (quando i satelliti si disgregano ed entrano nella rete).

Il Large Synoptic Survey Telescope, rinominato in Vera Rubin Survey Telescope in onore della “mamma della materia oscura”, è stato preso come caso limite per Starlink, per via della sua grande apertura e del suo ampio campo di vista. Queste due caratteristiche fanno sì che Starlink sia, per gli astronomi che ci lavorano, l’equivalente della tempesta perfetta. La maggior parte dei sistemi astronomici osserva una sezione estremamente piccola di cielo (meno di un grado), il che rende estremamente improbabile che un satellite attraversi il sistema di imaging in una data osservazione. D’altra parte, i sistemi con campi visivi molto ampi normalmente non sono estremamente sensibili e, nel caso in cui si verifichino strisce, avranno un piccolo impatto sulla raccolta dati complessiva. Ecco perché Starlink ha lavorato così a stretto contatto con il team dell’Osservatorio Rubin: nonostante il suo ampio campo visivo, l’osservatorio è abbastanza sensibile da rilevare una pallina da golf illuminata dal Sole fin sulla Luna!

L’enorme area di raccolta di un telescopio grande come quello dell’Osservatorio Vera C. Rubin porta a una sensibilità che renderà visibili anche i satelliti più scuri. Questi telescopi sono così sensibili che non sarà possibile costruire un satellite che non produca strisce, durante i lunghi tempi di osservazione usati dagli astronomi.

Ma invece di agire (solo) a monte, si potrebbe agire (anche) a valle. Per ridurre l’impatto delle strisce satellitari, si può fare molto prendendo in considerazione il funzionamento dei sensori astronomici. La comunità astronomica ha spiegato a SpaceX come funzionano le tecniche di imaging. I sistemi ottici utilizzano specchi o obiettivi per focalizzare la luce su un sensore di imaging. La maggior parte degli strumenti di astronomia ottica utilizza sensori Ccd, poiché i target osservativi sono generalmente deboli, al limite di ciò che può essere rilevato dal sensore. Per queste applicazioni, il livello di rumore garantito da un Ccd consente di raggiungere rapporto segnale-rumore più elevato, rendendo più semplice la visualizzazione di oggetti molto deboli nell’universo. Tuttavia, i Ccd presentano un inconveniente rispetto ad altri sensori comuni, come ad esempio il sensore Cmos nel telefono cellulare. Se punti il ​​tuo cellulare verso una luce intensa, vedrai che tutti i pixel che interessano la sorgente luminosa saranno saturi e appariranno bianchi. Se guardi lo stesso obiettivo con un sistema ottico che utilizza un sensore Ccd, noterai che questo punto luminoso si estende creando strisce verticali sull’immagine. Questa differenza è dovuta al modo in cui ciascun tipo di sensore legge i valori per ciascun pixel. Mentre un sensore Cmos ha essenzialmente un amplificatore per ogni pixel che trasforma la luce raccolta in un valore digitale, un sensore Ccd ha un numero limitato di amplificatori e sposta la luce raccolta (sotto forma di elettroni) attraverso il sensore, per digitalizzarla. Questo fa si che un pixel saturo su un Ccd tenda a cancellare i dati di un’intera colonna di pixel. Questo effetto, comunemente indicato come blooming, è un esempio di come una sorgente di luce molto piccola ma luminosa possa influire su un’osservazione astronomica. Con questa consapevolezza, SpaceX propone di mitigare l’effetto – nei  casi in cui non sarà possibile creare satelliti invisibili alle apparecchiature ottiche più avanzate sulla Terra  – rendendo le strategie esistenti, come il frame-stacking, estremamente più efficaci.

Satelliti futuri

SpaceX conferma di impegnarsi a rendere i suoi progetti satellitari futuri il più “scuri” possibile. I satelliti di prossima generazione, progettati per sfruttare le capacità di lancio di Starship, saranno specificamente sviluppati per ridurre al minimo la luminosità e aumentare il numero di consumatori che potranno servire con un accesso a Internet ad alta velocità. SpaceX è il primo grande produttore e operatore di costellazioni ad affrontare il problema della luminosità dei satelliti, ma non sarà certo l’ultimo. Man mano che i costi dei lanci continueranno a scendere, emergeranno sempre più costellazioni, che dovranno a loro volta garantire che le proprietà ottiche dei loro satelliti non creino problemi agli osservatori a terra.

Per saperne di più:

• Leggi la press release di SpaceX “Starlink discussion national academy of sciences“
• Leggi su Media Inaf l’intervista ad Adriano Fontana sulle misure proposte da SpaceX