INDIVIDUATE TECNICHE DI MITIGAZIONE PRATICABILI

Impatto delle mega-costellazioni satellitari su Ska

La Ska Organization, a guida del progetto internazionale Square Kilometre Array, ha intrapreso un'analisi preliminare del potenziale impatto delle attuali mega-costellazioni satellitari sui suoi radiotelescopi, identificando anche possibili mitigazioni. Ciò che emerso è che sono necessarie misure correttive da parte degli operatori delle mega-costellazioni satellitari per ridurre al minimo l’impatto sulle osservazioni dei suoi radiotelescopi

     07/10/2020
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Rappresentazione artistica del radiotelescopio SKA-Mid in Sudafrica Crediti: Ska Organisation

La Ska Organization (Skao), a guida del progetto internazionale Square Kilometre Array (Ska), ha intrapreso un’analisi preliminare del potenziale impatto delle attuali mega-costellazioni satellitari sui suoi radiotelescopi, identificando anche possibili mitigazioni.

Il progetto Ska è una collaborazione intergovernativa tra 15 paesi che coinvolge migliaia di scienziati e ingegneri per costruire e gestire il più grande osservatorio nelle onde radio del mondo, con radiotelescopi situati in Australia e in Sudafrica. Lo studio si concentra sull’impatto che avrà una flotta di 6400 satelliti Starlink (prima fase di dispiegamento della costellazione) sulle osservazioni delle 197 parabole del radiotelescopio Ska-Mid di prossima installazione in Sudafrica.

Il radiotelescopio di Skao a bassa frequenza in Australia occidentale, basato su una diversa tipologia di antenne e che opererà a frequenze più basse (50 MHz-350 MHz), non è oggetto di questo studio ma è prevista una valutazione completa dell’impatto anche sulle osservazioni australiane.

Grazie alla loro squisita sensibilità, i due telescopi di Skao saranno costruiti in luoghi remoti, lontano da interferenze radio artificiali. Questi luoghi inoltre godono di un’assistenza legale (sono dichiarati come zone “radio-quiete” Rqz, ovvero di silenzio radio) che li protegge dalle interferenze radio generate a Terra quali quelle dei telefoni cellulari, dei ripetitori televisivi o dalle tecnologie Wi-Fi, per citare alcuni esempi. Tuttavia, lo stato Rqz non fornisce protezione da interferenze spaziali.

Le costellazioni satellitari trasmettono segnali radio su frequenze utilizzate da molti anni dall’industria satellitare e che cadono all’interno della banda di ricezione 5b di Ska-Mid (8.3-15.4 GHz, band 5b). Nonostante questi “disturbi”, la ricerca radioastronomica è stata comunque in grado di effettuare osservazioni a queste frequenze a causa del numero ridotto di satelliti. Ma il dispiegamento di migliaia di satelliti in orbita terrestre bassa (Leo) cambierà inevitabilmente la situazione: i radioastronomi si troveranno ad affrontare un numero molto maggiore di radiosorgenti e in rapido movimento nel cielo.

Elon Musk, l’amministratore delegato di SpaceX (che attualmente sta dispiegando la mega-costellazione Starlink), ha pubblicamente affermato che: «I satelliti Starlink avranno un impatto pari a circa lo zero percento sull’astronomia». Lo studio Skao invece dimostra che, per i radiotelescopi in generale e per Ska in particolare, le cose non stanno così e che saranno necessarie azioni di mitigazione specifiche per minimizzare questo impatto.

I punti salienti e i risultati di questo studio (sulla base del dispiegamento di 6400 satelliti) possono essere così riassunti:

  • i satelliti dei vari progetti di costellazioni satellitari trasmetteranno segnali radio all’interno della gamma di frequenze coperta dai ricevitori in banda 5b del telescopio Ska-Mid in Sudafrica (una delle sette bande previste per il telescopio);
  • lo studio esclude che ricevitori in banda 5b rimangano danneggiati dalla ricezione di segnali radio intensi emessi dai satelliti delle costellazioni;
  • senza specifiche azioni di mitigazione da parte degli operatori delle costellazioni,  probabilmente ci sarà un impatto su tutte le osservazioni astronomiche nella banda 5b;
  • segnali radio molto forti potranno saturare i ricevitori e quindi sovrastare i segnali astronomici rilevati in banda 5b, con la conseguente perdita di tutti i dati osservativi in quella banda. Per una costellazione di 6400 satelliti, e in assenza di un’illuminazione diretta delle parabole di Ska-Mid da parte dei satelliti, si prevede che la saturazione interesserà alcuni punti percentuali del tempo di osservazione. Per costellazioni di dimensioni significativamente maggiori (fino a più di 100mila satelliti) e in assenza di misure di mitigazione significative, è attesa una saturazione essenzialmente continua dei ricevitori;
  • con 6400 satelliti è prevista una perdita di sensibilità delle antenne nella banda 5b che comporterà la necessità di allungare il tempo delle osservazioni astronomiche del 70 percento;
  • a soffrire di più saranno gli studi a quelle radiofrequenze di righe spettrali molecolari e atomiche, comprese le molecole organiche complesse, maser al metanolo (Classe II) e una vasta gamma di righe molecolari extragalattiche;
  • per costellazioni significativamente più grandi, fino a 100mila satelliti, l’effetto su Ska sarebbe molto peggiore, minacciando potenzialmente l’efficacia dell’uso dell’intera banda 5b per il 100 percento del tempo;
  • le tecniche di mitigazione identificate da Skao, se attuate, possono ridurre questo impatto su Ska-Mid di un fattore 10.

«Identificare le origini della vita oltre la Terra è di grande interesse scientifico nonché pubblico e uno dei metodi più promettenti per questo campo di ricerca nella nostra Galassia si basa sul rilevamento di molecole complesse pre-biotiche, le cui impronte spettrali sono concentrate tra i 10 e i 15 GHz circa», afferma Robert Braun, direttore scientifico di Ska. «Questo è solo uno dei tanti obiettivi scientifici eccitanti che necessitano di grande sensibilità a questa gamma di frequenze. La prospettiva di avere perdite di sensibilità è estremamente preoccupante».

Una conseguenza diretta della perdita di sensibilità sarà un aumento del 70 per cento della durata delle osservazioni astronomiche (tempo di integrazione) nelle frequenze delle trasmissioni satellitari. In altre parole, ogni osservazione a quelle frequenze richiederà il 70 percento di tempo in più,  sottraendo tempo ad altre osservazioni. «Una tale perdita di efficienza, in aggiunta all’attesa sovrabbondanza di richieste di tempo osservativo al radiotelescopio, si tradurrà direttamente in scienza perduta ed è del tutto possibile che le proposte di osservazione più impegnative non saranno più fattibili in queste circostanze» continua Braun.

Copertura in frequenza dei telescopi Skao con uno zoom sulle banda 5b di Ska-Mid, la fascia di frequenze protetta e il downlink satellitare. Crediti:

Skao ritiene che siano possibili diverse tecniche di mitigazione per garantire che l’impatto delle costellazioni satellitari attuali e future sia ridotto al minimo. Una delle proposte risultanti dallo studio di Skao suggerisce che i trasmettitori satellitari non puntino i fasci di tramissione (beam) verso le antenne Skao, una misura praticabile tramite una semplice modifica del software con nessun effetto sul dispiegamento, sul posizionamento o sull’hardware della costellazione. Del resto, gli operatori satellitari utilizzano già questa tecnica per adempiere alle normative internazionali quando i loro satelliti incrociano il percorso delle trasmissioni tra i satelliti geostazionari nelle orbite alte e le loro stazioni riceventi a Terra, ad esempio per evitare di influenzare le telecomunicazioni e le trasmissioni televisive.

Questa proposta di mitigazione potrebbe ridurre l’impatto sulle osservazioni Ska di un fattore 10 rispetto a quello precedentemente stimato e comporterebbe un aumento del 7 percento del tempo di integrazione per le osservazioni di Ska all’interno del range delle trasmissioni satellitari.

Vale la pena notare che il puntamento dei beam satellitari verso il sito sudafricano Ska è già soggetto a restrizioni dall’Astronomy Geographic Advantage Act (Aga) del Parlamento che regolamenta le infrastrutture terrestri necessarie agli operatori satellitari per fornire i loro servizi intorno al sito Ska sudafricano.

La South African Karoo Astronomy Advantage Area (KAAAA) è stata istituita come parte dell’Astronomy Geographic Advantage Act 2007. Composta da un’area poligonale di ~500km x 300km, questa Zona Radio Quieta fornisce protezione dalle interferenze radio al sito sudafricano del radiotelescopio Ska-Mid (cerchietti verdi sull’immagine a sinistra). Crediti:

«Grazie al nostro studio, è stato compreso l’impatto potenziale delle mega-costellazioni satellitari su Ska» dice Philip Diamond, Direttore Generale Ska. «Stiamo costruendo una struttura di ricerca multimiliardaria all’avanguardia e finanziata dai contribuenti di tutto il mondo, dobbiamo proteggere e massimizzare le sua capacità di fornire innovazione e nuove conoscenze all’umanità».

Anche se qualsiasi perdita di sensibilità rappresenta un grande rammarico per la ricerca scientifica, Skao riconosce la necessità di trovare un compromesso tra scienza ed economia. Skao ribadisce il suo impegno per ridurre al minimo la perdita di scoperte scientifiche attraverso tutte le strade percorribili e che in tal senso continuerà a lavorare a stretto contatto con il mondo industriale ed è in attesa di una risposta positiva in merito alle soluzioni proposte. Aggiunge Diamond: «Nel tentativo di essere costruttivi e di offrire soluzioni all’industria, abbiamo anche individuato opzioni di mitigazione praticabili e ne abbiamo sviluppato una modellizzazione. Sono rassicurato dalle dichiarazioni pubbliche di Elon Musk che ci assicurano che non ci sarà alcun impatto sull’astronomia e che accolgono la volontà di dialogare e collaborare costruttivamente con l’industria che abbiamo avuto finora. Aspettiamo con ansia l’impegno proattivo degli operatori satellitari nelle soluzioni che proponiamo per salvaguardare gli investimenti dei contribuenti degli Stati membri del progetto Ska nel radiotelescopio Ska».

Infine, poiché la modellizzazione effettuata da Skao è affetta da una certa incertezza dovuta al fatto che non ha pieno accesso a tutte le specifiche tecniche sui satelliti, Skao incoraggia gli operatori satellitari a sviluppare un modello più preciso, per una migliore valutazione dell’impatto, sia sul radiotelescopio che su potenziali problemi di accessibilità ai servizi per quelle popolazioni.