太空金礦、衛星狂熱與星鏈:21世紀的星際大戰
2021年9月,ITU(國際電信聯盟)收到了令人哭笑不得的申請:國土面積略大於浙江舟山的非洲小國盧安達,宣布將興建兩個大型衛星星座,包含足足32.7萬顆衛星。 ITU是聯合國旗下的專業機構,負責分配、管理衛星、無線電資源。近些年,全球範圍內的衛星狂熱,令ITU越來越手足無措。
要知道,從1957年世界第一顆衛星上天,到2022年11月這66年間,整個人類社會只發射過14450顆衛星[3]。
然而,光是2017-2022年,ITU就收到了數百萬顆衛星發射申請。不只是盧安達,各個大國與航太企業,都在大搞「軍備競賽」:
第一顆人造衛星斯普特尼克1號
年底,加拿大高調宣布未來要再射10萬顆衛星;法國公司E-Space不甘示弱,一口氣註冊了11.6萬顆;而在今年5月,上海藍箭鴻擎科技也向ITU遞交了1萬顆衛星的建設計畫-這已經是中國第3個萬顆衛星建設計畫了。
2023年ITU發布的《Handbook on Small Satellites(小型衛星手冊)》中提到,已有超90個國家和地區,擁有衛星發射計畫。
各國之所以如此激進,罪魁禍首還是那個男人——馬斯克。
當大家還在忙著搞規劃時,馬斯克的SpaceX已經往地球軌道發射了約6,100顆星鏈(Starlink)衛星。這些衛星組成了一個龐大的“通訊網路”,可以向地球各個角落提供網路服務。
馬斯克用星鏈直播玩遊戲
如今,與世隔絕的巴西原始部落,已經透過星鏈看上了黃色網站;而在砲火紛飛的俄烏戰場,星鏈更成為了唯一的戰場通信手段,被前線士兵稱為“戰爭的上帝” 。
圍繞著“外太空的上帝”,一場21世紀星球大戰,正悄悄拉開序幕。
低軌道的“上帝”
星鏈的誕生,可以說與「上帝」八竿子打不著。
眾所周知,馬斯克創辦SpaceX,是為了有朝一日移民火星。夢想很偉大,但現實卻相當骨感:創辦初期,SpaceX曾多次在破產邊緣徘徊,生存都是問題。
最艱難的2008年,馬斯克一度發不出工資,最後找Google創辦人謝爾蓋·布林借了50萬美金[4]。「窮怕了」的馬斯克,一直在想辦法籌集火星移民資金。
2014年末,他突然意識到太空有一座金礦。
由於經濟落後、自然環境等因素,許多地區其實並沒有基地台。目前,仍有約80%的陸地地區,以及95%的海洋地區,沒有被地面網路所覆蓋,例如巴西原始部落。馬斯克認為,利用通訊衛星提供網路服務,可以彌補這個巨大的市場缺口。
正在安裝星鏈終端的巴西原始部落
「通訊產業每年大約賺1兆美元,如果我們能有3%的市場佔有率,那就是300億美元,這比NASA的預算還要多。」他在內部說道[5]。
在航太領域,衛星通訊並不是一個新詞。
太空中共有三條適合衛星運行的軌道,分別是低軌道(LEO)、中軌道(MEO),以及地球同步軌道(GEO)。
此前,各大航太機構所放的衛星,多集中於地球同步軌道。
地球同步軌道的優點,在於軌道高度最高,單顆衛星的覆蓋面積大。只需1顆即可覆蓋本土,3顆覆蓋全球,建造成本較低。缺點在於,離地球實在太遠了,通訊品質不高,時延較大。
例如我國的天通一號,正是由3顆同步軌道衛星組成的通訊系統。國內手機廠商力推的「衛星通話」功能,大多都是基於天通一號實現的。
但馬斯克所押注的,是低軌道。
由於離地球最近,低軌道衛星可以實現類似5G的高速網路服務。然而,由於軌道高度低,單一衛星覆蓋範圍窄;為了確保覆蓋率,需要打造龐大的衛星集群,建造成本、難度極高。
在馬斯克的構想中,星鏈最終的目標,是建立起一個由42,000顆衛星構成的超級群聚。
當時,馬斯克的星鏈構想,其實是個相當瘋狂的想法。因為,他並不是第一個對低軌道衛星動心思的人;然而,過去所有的嘗試,幾乎全部都以慘敗告終。
蓋茲向左,馬斯克向右
在1990年代,摩托羅拉啟動了一個野心勃勃的計畫:往低軌道發射77顆衛星,組成一個覆蓋全地球的網路。摩托羅拉將這個項目命名為銥星(Iridium),因為金屬元素銥的原子序數剛好為77。
摩托羅拉的梭哈,很快就引起了矽谷的跟風。
比爾蓋茲聽聞後,興奮地拉上「蜂巢電話之父」麥克維與沙烏地阿拉伯王子,成立了Teledesic;而高通則和國防承包商搭夥,成立了Globalstar;當時,還有一家火箭新創公司軌道科學,也組成了名為Orbcomm的衛星網路公司。
然而,上述四家公司,卻在本世紀初集體宣告破產,一度產業界讓「談衛星色變」。蓋茲的Teledesic最後關門大吉,其餘三家則賣身給不同的機構。
明星公司「四連爆」的一個根本原因,就是難以低成本量產衛星。
眾所周知,傳統航太基本上由國營機構掌控,沒有市場競爭壓力,基本上怎麼高端怎麼來。衛星也不例外:製造基本上多在實驗室而非工廠完成,昂貴且流程複雜。
上世紀末,老牌航空航太製造商洛克希德·馬丁,為銥星計畫打造了125顆LM700衛星。這批衛星總共耗費了約7億美金[6],平均算下來,每顆衛星的造價高達560萬美金。
LM-700衛星
銥星在正式投入使用後,只收穫了約2萬個用戶[7],根本攤不平前期支出,光速破產。
然而,馬斯克卻找到了破局的關鍵。如今,星鏈已是SpaceX的現金牛業務。
2023年11月,馬斯克宣布星鏈已經達到現金流量收支平衡。根據摩根士丹利的測算,2024年星鏈將帶來3.47億美金的收入,並且持續保持高速增長;預計到2040年,星鏈的營收將達到420億美金,佔SpaceX收入的82%[ 8]。
同樣是“建造上帝”,馬斯克與銥星的結局,為何大相徑庭?
復刻火箭的成功
事實上,星鏈計畫也曾走過一段彎路。
2018年,馬斯克算了筆帳,意識到一個大問題:自家的衛星還是太貴了。只有將星鏈的成本降到1/10、同時將生產速度提升10倍,這個計畫才可能獲利。很顯然,星鍊也沒能擺脫瓶頸。
於是,一個夏日週六的夜晚,馬斯克沒有任何預警地飛到星鏈計畫所在的西雅圖,解雇了全體高層。接替這項工作的,是以馬克·容科薩為首的8名資深火箭工程師。
事實上,衛星生產製造的模式,其實與火箭十分相似,都分成了設計、生產、測試、組裝四個大環節。過去,SpaceX已經成功摸索一套改造傳統火箭的方法論;如今,馬斯克準備在星鏈上複製火箭的成功。
這套火箭製造法的核心概念,是用產業的思維來造航太元件。具體來說,大致可以歸納成以下兩點:
一是垂直整合。在汽車產業中,垂直整合、自己生產零件,是常見的降本手段。馬斯克在造火箭與星鏈衛星時,也都自己生產零件。
二是質疑一切傳統,快速迭代。在馬斯克看來,沒有逼近物理極限的設計,都是有問題的。
例如在傳統衛星設計中,天線與飛行計算機之間是彼此分離的。因為航太工程師默認,兩者之間需要進行熱隔離。然而,容科薩接手團隊後,便追著航太工程師問,為什麼要熱隔離,並逼對方給溫度測試數據。
這麼追問了五次之後,星鏈的航太工程師被煩到受不了了,立即取消了熱隔離,做成了將天線與飛行計算機做了一個集成部件。測試後發現,這麼設計一點影響都沒有。
大刀闊斧的改革下,初代V1星鏈衛星誕生了,其成本約為20萬美金/顆,只有LM700衛星的1/28。後來推出的V2衛星,重量從260公斤增加到730公斤,並且支援手機直連,但單顆成本仍舊有約80萬美金[9]。
滿載的V2星鏈衛星
同時,SpaceX遙遙領先的火箭回收技術,又將衛星發射的成本降低了70%[10]。兩相結合下,星鏈的商業競爭力一騎絕塵。
2019年5月,第一批星鏈衛星進入軌道。四個月後,馬斯克使用星鏈發布了一條Twitter。彼時,外界並沒有意識到,隨著星鏈計畫大獲成功,一場全新的21世紀太空競賽,即將爆發。
太空圈地運動
6月14日,一架搭載了22顆星鏈衛星的獵鷹9號火箭,從美國佛羅裡達州緩緩升空。按照慣例,SpaceX的社群媒體直播了這次火箭發射。有別於自帶流量的星艦,獵鷹9號的發射並沒引起太多討論。
在2024年的前6個月,獵鷹9號已經發射了足足60次,平均每2.7天直播一次,比許多帶貨主播還勤快。
值得注意的是,關於星鏈的發射任務,有足足43次──馬斯克正在加快星鏈建設的速度。理由很簡單:太空資源並不是無限的。
首先,低軌道所能容納的衛星數量,是有限的。
馬斯克曾在接受《金融時報》採訪時,認為低軌道可以容納數百億顆衛星[11]。
然而,業界普遍不同意這番說法。哈佛天文學家喬納森·麥克道爾提到,隨著軌道越來越擁擠,衛星運行將堪比在沒有紅綠燈的暴風雨天氣飆車,相撞風險會急劇上升。 2021年時,星鏈衛星就曾數度險些與我國太空站相撞。
“我非常懷疑,當衛星數量達到10萬顆以上時,還是否能夠安全運行[12]”,麥克道爾說。
其次,衛星通訊所需的頻段資源,也是有限的。
簡單來說,從太空傳送到地球訊息,主要是依賴電磁波譜。根據頻率從低到高,電磁波譜可以分割成多個不同特性的頻段。低軌道衛星高度主要集中在500-1500km之間,頻段匯聚在Ka、Ku和V/Q波段等等。
單一頻段所能容納的通訊衛星,實際上是有限的;一旦過載,很可能會出現訊號幹擾、通訊品質下降等問題。
目前,主流的Ku波段已接近飽和,圍繞Ka波段的競爭也日漸白熱化。隨著這幾個頻譜資源的飽和,適合開展衛星互聯網業務的波段將進一步減少。
當下,上述兩大關鍵資源,統一由國際電信聯盟(ITU)進行管理;而它所定義的規則,相當簡單粗暴:先到先得。圍繞著低軌道的比拼,本質是一場與時間賽跑的太空圈地運動。
對後來者而言,這注定是一場極其艱難的比賽——當大家都還在熱身的時候,馬斯克已經跑了一半了。
尾聲
2022年,比爾蓋茲專程拜訪了特斯拉得州超級工廠。由於兩人都當過世界首富,也都造過衛星,蓋茲深感惺惺相惜。然而,這趟拜訪之旅並不愉快。自從知道蓋茲曾經做空特斯拉股票之後,馬斯克就表現得異常刻薄。
他甚至在Twitter上發了一張蓋茲的醜照,陰陽他該減肥了。
很顯然,馬斯克並不是一個好相處的人;很多時候,他甚至不算是個道德感充沛的人。
他的各種商業騷操作,大眾早已見怪不怪;至於私德,更是一言難盡。星艦第四次試射之後,《華爾街日報》就爆出,馬斯克曾與SpaceX的實習生、員工發生不正當關係,並多次要求對方為他生孩子。
然而,他對科技進步的推動,同樣難以忽視。
除了眾所周知的星鏈、火箭、電動車,馬斯克還參與了DeepMind的早期投資,並創辦了OpenAI。如今備受矚目的通用機器人,同樣是馬斯克提出的。
即便被馬斯克陰陽,蓋茲仍舊公開表示,「關於埃隆的做法,你怎麼看都行。但在我們這個時代,在推動科學和創新的邊界方面,沒有人比他做得更多。[ 5]”
一個社會的進步,不可能全由「聖人」完成;至少在科技創新上,我們應該允許那些開拓者有些瑕疵。