Làm cách nào mà chỉ cần 4 vệ tinh là đủ để cung cấp Internet cho toàn thế giới?

Dù SpaceX và nhiều công ty từng nói trong các dự án như Starlink rằng để phủ sóng Internet trên toàn thế giới, sẽ cần những "chòm sao" lớn cấu thành từ hàng ngàn vệ tinh – cùng những vấn đề to tát xoay quanh chúng, trên thực tế, mọi chuyện có phần đơn giản hơn đôi chút. Từ thập niên 1980, chúng ta đã biết rằng nếu "an phận" chấp nhận sử dụng mạng Internet với tốc độ chậm hơn đôi chút so với tiêu chuẩn "game thủ" (tức có độ lag chỉ nửa giây), thì phủ sóng Internet trên toàn cầu là điều hoàn toàn khả thi mà chỉ cần một "chòm sao" với 4 vệ tinh đặt ở độ cao hơn rất nhiều so với thông thường.

Nhưng HughesNet và ViaSat, hai nhà cung cấp Internet vệ tinh lớn nhất thế giới đang có các vệ tinh hoạt động trên các quỹ đạo đó, lại chẳng thể thực hiện được điều "khả thi" nêu trên. Các mạng lưới vệ tinh khác, vốn cung cấp các dịch vụ dẫn đường và viễn thám từ xa, cũng "bó tay" trước thách thức này. Tại sao vậy?

Thực ra, rào cản lớn nhất ở đây là chi phí. Có nhiều yếu tố kết hợp lại khiến quỹ đạo của một vệ tinh bị suy giảm, bao gồm: lực kéo tự nhiên, sự nhiễu loạn trường trọng lực của Trái Đất, lực hấp dẫn của mặt trời và mặt trăng, và thậm chí là áp lực gây ra bởi bức xạ năng lượng mặt trời. Để ngăn chặn những vấn đề này, bạn cần một lượng lớn nhiên liệu đẩy trên vệ tinh để liên tục ổn định quỹ đạo của nó – khối lượng của khối nhiên liệu đẩy thường… gấp đôi khối lượng của vệ tinh. Chi phí sản xuất, phóng, và duy trì hoạt động đơn giản là quá cao, khiến giải pháp 4 vệ tinh trở nên xa vời.

Một nghiên cứu mới được tiến hành bởi các kỹ sư tại Tập đoàn The Aerospace và đã được xuất bản trên tờ Nature Communications, sử dụng hướng tiếp cận phản trực quan, biến những lực kéo xuống nêu trên thành những lực có thể giúp giữ vệ tinh trên quỹ đạo. Nếu thành công, hướng đi mới này sẽ là một lời khẳng định rằng giải pháp sử dụng 4 vệ tinh để phủ sóng Internet toàn cầu là hoàn toàn khả thi mà chỉ cần chi phí chấp nhận được.

Hiện tại, quỹ đạo của các vệ tinh có dạng hình elip, có nghĩa chúng phải đốt động cơ đẩy tại vị trí tiếp tuyến gần nhất với Trái Đất để không rơi khỏi quỹ đạo. Patrick Reed tại Đại học Cornell và các đồng nghiệp muốn làm cho quỹ đạo của các vệ tinh trở nên tròn hơn, cho phép chúng hoạt động với số lượng động cơ đẩy ít hơn và yêu cầu về nhiên liệu đẩy thấp hơn. Và họ muốn thực hiện điều này theo một cách nào đó để các vệ tinh vẫn có thể đạt được mục tiêu phủ sóng Internet gần như toàn cầu.

Nhóm nghiên cứu đã chạy các trình giả lập để tìm cấu hình quỹ đạo phù hợp nhất có thể biến các lực kéo thành các lực giúp tạo nên một quỹ đạo dạng tròn và ổn định. Những trường hợp mà trọng lực của mặt trời hay độ cao thông thường sẽ kéo một vệ tinh trở lại Trái đất thì nay sẽ đẩy vệ tinh lên cao hơn. Giả lập được thực hiện với "chòm sao" gồm 4 vệ tinh, hoạt động ít nhất 6.000 ngày (tương đương 16,4 năm) trên quỹ đạo.

Sau khi phân tích các giả lập bằng siêu máy tính Blue Waters tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, nhóm nghiên cứu phát hiện ra 2 mẫu hình khả thi. Mẫu đầu tiên, "chòm sao" hoàn tất một vòng quỹ đạo trong 24 giờ, ở độ cao 35.405 km, và phủ sóng Internet được khoảng 86% toàn trái đất. Mẫu thứ hai hoàn tất một vòng quỹ đạo trong 48 giờ, ở độ cao 67.592 km và phủ sóng được 95% toàn trái đất. Trong trường hợp mất điện, bất kỳ khu vực nào cũng chỉ phải đối mặt với chưa đầy 80 phút rớt mạng mỗi ngày.

Tất nhiên, tốc độ Internet sẽ chậm hơn đôi chút bởi cần nhiều thời gian để gửi tín hiệu từ quỹ đạo cao hơn thông thường. "Tuy nhiên, đối với hầu hết mọi người đang sử dụng các hệ thống dữ liệu, trễ thêm ¼ giây là rất khó nhận ra, bởi trong máy tính và các mạng lưới dữ liệu vốn đã có rất nhiều những thứ khác có độ trễ rồi" – Roger Rusch, chủ tịch công ty tư vấn viễn thông TelAstra nói.

Vệ tinh Starlink của SpaceX

Trong các hệ thống đó, các vệ tinh (mỗi cái nặng khoảng 1,2 tấn) sẽ cần nhiên liệu đẩy ít hơn 60% trong chu kỳ 6.000 ngày so với khi chúng di chuyển trên quỹ đạo theo các phương thức truyền thống, từ đó có thể giúp giảm khối lượng của chúng đến hơn một nửa và giúp chúng ta dễ lắp ráp và phóng chúng lên hơn. Ngoài ra, sẽ có dư chỗ để cài đặt các trang thiết bị và các hệ thống năng lượng tốt hơn (các vệ tinh ở kinh độ cao cần nhiều năng lượng hơn để bắn tín hiệu xuống mặt đất).

Reed cho biết động lực để nhóm thực hiện nghiên cứu là nhằm cho phép các quốc gia hoặc các công ty nhỏ có thể điều hành các "chòm sao" với khả năng phủ sóng Internet gần như liên tục. Vì chi phí giảm đi, nên những nhóm này sẽ dễ dàng hơn trong việc xây dựng, phóng, điều hành, và theo dõi chỉ một vài vệ tinh ở quỹ đạo cao, thay vì cả một "chòm sao" lớn gồm hàng ngàn vệ tinh ở quỹ đạo thấp hơn.

Các chuyên gia như Rusch bày tỏ hứng thú với những phát hiện của nghiên cứu mới này: ông nói rằng vốn và chi phí điều hành của một hệ thống vệ tinh LEO là cao hơn từ 3 – 5 lần so với một hệ thống vệ tinh kinh độ cao với cùng chức năng. Các chuyên gia thiên văn và rác thải không gian – những người luôn lo ngại về những hiệu ứng tiêu cực của các dự án như Starlink – có lẽ cũng sẽ ủng hộ nghiên cứu này.

Một số người khác thì tỏ ra thận trọng hơn. Anton Dolgopolov, một nhà phân tích cấp cao tại công ty phân tích và kỹ thuật Bryce Space and Technology, chỉ ra rằng các hệ thống LEO vẫn sẽ có những ưu thế vượt trội – ví dụ, chúng sẽ đảm bảo phủ sóng Internet tốt hơn cho các cộng đồng sống ở các cực của Trái đất. Bên cạnh đó, trong một mạng lưới cấu thành bởi hàng trăm đến hàng ngàn vệ tinh, nếu một vài cái không phóng lên được, hoặc không hoạt động tốt, thì dịch vụ cũng sẽ không thực sự bị gián đoạn. Và các vệ tinh LEO có thể được đưa ra khỏi quỹ đạo và thay thế nhanh chóng hơn.

Nói cách khác, các mẫu hình mới nêu trên chỉ là những giải pháp khả thi trên lý thuyết, những ý tưởng thú vị. Còn trên thực tế, những rào cản về kinh tế và kỹ thuật có thể sẽ dập tắt hi vọng của chúng ta về một giải pháp dễ dàng.