Internet je lahko tudi balon

Pri dostopu do interneta smo Slovenci kar malo razvajeni, pa če se tega zavedamo ali ne, ker imamo poleg bakrenega omrežja do skoraj vsakega zaselka še razvejeno optično in kabelsko omrežje, na trgu pa množico konkurenčnih ponudnikov. Velik del svetovnega prebivalstva živi tam, do kamor fizične infrastrukture še lep čas ne bo ali pa je naročnina dražja od mesečnega prihodka. Zato Google razvija višinske balone, ki bodo z 20 kilometrov ponudili dostop do interneta v najodročnejših krajih.

Googlovi višinski baloni so zaprti in imajo konstantno prostornino.

Internet, pa ne kakršenkoli, temveč tak s širokopasovnim dostopom, se zdi danes samoumevna dobrina. Finci so že leta 2010 kot prvi na svetu dostop do interneta s hitrostjo vsaj 1 Mb/s razglasili za pravico slehernega državljana. V Sloveniji je letos internet uporabljalo 71,6 odstotka ljudi, ugotavlja Global Broadband Report 2015, s čimer smo se povzpeli na 42. mesto med državami na svetu. Vodijo seveda skandinavske velesile Islandija, Norveška in Danska, kjer internet uporablja 96–98 odstotkov ljudi.

Toda Evropa ni reprezentativen vzorec in po svetu je še vedno približno 60 odstotkov ljudi brez dostopa do interneta. Polaganje fizičnih vodov je drago in zaradi razpršenosti poselitve marsikje ne pride v poštev, brezžična infrastruktura pa še niti v Evropi ni primerna za množičen širokopasovni dostop do interneta, kaj šele v podsaharski Afriki, jugovzhodni Aziji ali v brazilskih pragozdovih. Zato več kot štiri milijarde Zemljanov še nima internetne povezave. Paradoksalno, ravno zato, ker so revni, ostajajo še naprej revni. Pa res ni nujno, da je tako.

Atmosfera
Kako je sestavljena

Atmosfero sestavlja več plasti. Za dogajanje na Zemlji je najpomembnejša viharna troposfera, ozonska plast, Googlovi baloni in Facebookova brezpilotna letala pa so v mirni stratosferi.

 vsakdanjem življenju nas ne zanima razslojenost ozračja nad površjem, v znanosti in tehniki pa je to zelo pomembno. Do višine 12 kilometrov sega troposfera, v kateri poteka skoraj vse pomembno za življenje. Tam se dogaja vreme, v njej živijo ptice, na njenem zgornjem robu letijo letala, v njej je 80 odstotkov vseh plinov. Nad njo je na višini 12–50 kilometrov stratosfera, v kateri lebdijo Googlovi baloni. V njej najdemo tudi ozonsko plast, njena značilnost pa je visoka stabilnost, saj tam ni vremena. Zanimivo, da se temperatura v stratosferi z naraščajočo višino zaradi absorpcije žarkov UV spet dviguje in prileze nad ledišče. Po njej pihajo sorazmerno stabilni in predvidljivi vetrovi, zato je zelo primerna za projekt Loon. Nad njo so še mezosfera (50–80 km), termosfera (80–700 km) in eksosfera (700–10.000 km), ki se eksponentno počasi redči v medplanetarni prostor. NASA za mejo vesolja šteje 100 kilometrov (Kármánova meja) in kdor potuje višje, je astronavt.

Za rešitvami se je treba ozreti naokoli in včasih reciklirati kakšno staro tehnologijo. Google je predlani napovedal, da bo dostop do interneta v odročnih predelih zagotavljal s posebnimi višinskimi baloni. Marsikdo je tedaj skomignil z rameni in zamisel odpisal kot še eno izmed zmešanih idej, ki ne bodo nikoli dočakale komercializacije. A po dveh letih je projekt Google Loon, kot so ga poimenovali zaradi aluzije na balone in norčavost, bliže končnemu uporabniku kot kdaj prej, zato je rokave zavihala tudi konkurenca.

Mučni začetki

Ko je Google leta 2013 napovedal, da bo ponudil povezavo do interneta z množico višinskih balonov, ki bodo hkrati in koordinirano pokrivali določeno območje ter tam vztrajali 100 dni, je bil odziv industrije domala posmehljiv. Per Lindstrand, verjetno najbolj znan balonar na svetu, ki ima v lasti številne rekorde in je ustanovitelj istoimenskega izdelovalca toplozračnih balonov, je zamisel označil kot »absolutno nemogočo«. Najboljši in najdražji baloni, ki jih uporablja NASA, ostanejo na nebu kvečjemu poldrugi mesec.

Vodja projekta Loon, Mike Cassidy, priznava, da je projektu ob začetku tudi sam pripisoval kvečjemu petodstotne možnosti za uspeh, danes pa so že več kot 50-odstotne. Če torej verjamemo Googlu, je več možnosti, da se bo Google Loon udejanjil, kakor da se ne bo.

Google je prve resne preizkuse izvedel v okolici majhnega novozelandskega mesta Leeston s 1500 prebivalci. In prvi balon je razneslo kmalu po vzletu. Prav tako drugega in še naslednjih šestdeset. Ekipa je po vsakem neposrečenem vzletu prilagodila ovoj balona in dolžino vrvi iz kevlarja, ki morajo biti ravno prav dolge, da kompenzirajo napetosti v balonu, ko se plin zaradi nižjega zunanjega tlaka na višini razpenja. Na koncu je trajalo 62 poizkusov, da so našli delujočo kombinacijo, pri kateri balona ni razneslo, temveč se je dvignil na želenih 20 kilometrov višine. In tako so imeli prebivalci in okoličani Leestona čast, da so se kot prvi v zgodovini v internet povezali prek Googlovega višinskega balona. Vsakokrat za nekaj minut.

Ta balon je čez dan ali, v najboljšem primeru, dva žalostno padel na Zemljo. In enako se je zgodilo z vsemi naslednjimi baloni. Po nadaljnjih 50 poizkusih je ekipa ugotovila, da bo treba nazaj za pisalno mizo in v laboratorije, da bi odkrili napako. Kazalo je, da je imel Lindstrand prav in da bo balonski internet omejen na dan ali dva.

Fizika

Oprema na Googlovem balonu tehta okrog 10 kilogramov. Temperatura stratosfere na višini 20 kilometrov je okrog –50 °C, zračni tlak pa približno 1000 Pa oziroma stokrat manj kot na površju, torej je tam gostota zraka na oko 15 g/m3. Upoštevamo še, da balon zdrži nadtlak 1000 Pa, in izračunamo, da mora biti njegova prostornina okrog 1000 m3, kar sovpada z dejanskimi merami. V resnici je prostornina še nekoliko večja, ker ima tudi kupola svojo maso.

Luknjica pri luknjici

Problema so se lotili z nemško pedantnostjo, in sicer tako, da so polovili vse padle balone in jih analizirali. Preverili so, kje spuščajo in koliko, ter vso njihovo zgodovino. Zanimalo jih je, kdo je balon sestavil in kje, kdaj in kako so ga iz ZDA pretovorili na Novo Zelandijo, katero opremo so uporabljali pri izdelavi itd. Še neuporabljene balone so v Kaliforniji napihnili in z masnim spektrometrom iskali miniaturne luknjice, skoznje so svetili s polarizirano svetlobo, testirali so njihovo obnašanje pri globoko negativnih temperaturah itn.

Na koncu se je izkazalo, da je vzrok za kratko življenjsko dobo balonov pričakovan, razloga zanj pa dva. Polietilen, iz katerega so bili narejeni baloni, je zelo počasi puščal helij. Ko ga je izteklo dovolj, se je vzgon zmanjšal pod kritično vrednost, ki je še zmogla uravnovešati težo balona, zato je strmoglavil.

Podjetje Raven Aerostar, ki sodeluje pri projektu in za Google izdeluje balone, se seveda spozna na svoj posel, a je polietilen kljub vsej fiziki nekako prepuščal helij, in to zelo počasi, neopazno in enakomerno po celotni površini. Prvi razlog je bil transport, saj je bilo treba ovoj nekajkrat prepogniti, da so ga spravili v embalažo za prevoz. Čim večkrat so balon prepognili po istih zgibih – in teh ni bilo malo – tem bolj je tam puščal. Drugi razlog je bil še bolj nenavaden. Pri izdelavi je bil polietilenski ovoj razprostrt po tleh in po njem so sezuti hodili inženirji. Izkazalo se je, da so bile njihove mehke nogavice kljub vsemu pregrobe, zato so polietilen luknjale. Ko so jim priskrbeli še mehkejše, je bilo luknjic manj, baloni pa so v zraku vztrajali dlje. Zares, baloni so tako občutljivi, da jih pri izdelavi poškodujejo že običajne nogavice.

S helijem napolnjeni Googlovi baloni v ledenem hangarju na Floridi med preverjanjem, ali puščajo.

Okrog sveta

Ko so inženirje primerno obuli, je šlo daleč, in to dobesedno. Dolgoročni načrt je pokriti ves svet, do tja pa bo šel Google korakoma. Tako Loon ni ostal omejen na odročni predel Nove Zelandije, temveč je prispel tudi na druge celine. Prve  grobe prototipe je sicer Google že leta 2011 preizkusil v Kaliforniji, a jih ne moremo šteti za uspešne polete, saj je bil Loon tedaj konceptualno še precej drugačen.

Potem se je Google odpravil v Brazilijo, kjer so prostrane zaplate brez internetnih povezav, in z baloni vzpostavil nekaj ur širokopasovne internetne povezave nad odročno šolo Linoca Gayoso Castelo Branco v zvezni državi Piauí, ki je le slabih sto kilometrov oddaljena od prestolnice iste države, a nima interneta. Učenci so tedaj z zanimanjem spremljali šolsko uro, ki so jo lahko popestrile večpredstavne vsebine iz interneta in podatki iz Wikipedije. Nekaj ur interneta je seveda premalo za resno delo, a bolje kot nič, in predvsem kaže, da je Google na pravi poti.

Google je Loon preizkusil tudi v Avstraliji in seveda večkrat v domači Kaliforniji. Zdaj je projekt že toliko dozorel, da se upajo pogovarjati z operaterji in državami. Google je leta 2014 sklenil dogovor o sodelovanju s francoskim Centrom za vesoljske študije (CNES), kjer so strokovnjaki za vremenske in druge balone. CNES bo Googlu ponudil svetovanje in strokovne nasvete, ki ne bodo omejeni le na tehnologijo, temveč tudi na pravne postopke. Baloni namreč potujejo po svetu in države nimajo rade, če po njihovem zračnem prostoru letajo neprijavljeni predmeti.

Prva država, ki bo zares dobila Google Loon, bo najverjetneje Šrilanka. Google se je julija 2015 dogovoril s tamkajšnjo agencijo za telekomunikacije, da bodo državo pokrili z baloni, tako da bo to prva država na svetu, ki bo stoodstotno pokrita s signalom LTE. Pravzaprav druga, saj je prva žepni Vatikan.

Šrilanka ni ravno miniaturna, a z velikostjo treh Slovenij in sorazmerno prijazno topografijo ni velik problem. Zato je Google četrt leta pozneje napovedal, da bo Loon internet zagotavljal tudi v Indoneziji. Ta velikanska azijska država s 17.000 otoki in 250 milijoni prebivalcev pa je povsem druga liga kakor Šrilanka.

Pod balonom je deset kilogramov elektronike in sončnih celic.

Google je poiskal zaveznike

Telekomunikacije so strateška dobrina, operaterji pa marsikje svete krave, ki jih države ne izpustijo zlahka iz svojih krempljev. Google je bil tako s projektom Loon pred izzivom, kako pokriti določeno območje z internetom, ne da bi operaterji to videli kot neposredno konkurenco in mu po možnosti nagajali. Veliko bolje jih je pridobiti na svojo stran in z njimi skleniti zavezništvo. Rečeno – storjeno.

Google je problem elegantno rešil in na mah odpravil tudi tehnično pomanjkljivost ter potencialen pravni problem. Prvi prototipi so uporabljali prosta pasova v elektromagnetnem spektru s frekvencama 2,4 in 5,8 GHz, kar omogoča hitrosti, ki so primerljive s 3G. To ni ravno veliko, pa še zanesljivost trpi, saj lahko ta frekvenčni pas uporablja kdorkoli, zato so motnje pogoste.

Zato se je zviti Google dogovoril z mobilnimi operaterji, da bo Loon dostop do interneta ponujal v sodelovanju z njimi. S tem je Google nenadoma pridobil zaveznike, ki mu bodo pomagali tako tehnično kakor v birokratskih bitkah, obenem pa si je zagotovil uporabo njihovih kupljenih pasov, ki jih imajo v koncesiji za LTE. A to po drugi strani pomeni, da je treba paziti, nad katerimi državami bodo leteli baloni, saj koncesije za ta del spektra podeljuje vsaka država posebej, zlorabe pa niso poceni.

Eden izmed prvih preizkusov projekta Google Loon je potekal na brazilski osnovni šoli v zvezni državi Piauí.

Kako delujejo

Večkrat smo že ugotavljali, da je fizika preprosta, a tudi neizprosna. Da se predmet obdrži v zraku, mora delovati sila, ki nasprotuje njegovi teži. Arhimed je odkril vzgon, ki je enak teži izpodrinjene tekočine, iz tega pa sledi, da se od zraka lažji predmeti dvigajo do višine, kjer je njihova gostota enaka gostoti okoliškega zraka.

Druga možnost so od zraka težja plovila, recimo letala in droni. Ta obstanejo v zraku zaradi dinamičnega vzgona, ki je posledica njihovega gibanja skozi zrak. Omenjamo jih zato, ker se bomo v nadaljevanju pomudili pri Googlovi konkurenci, ki namesto na balone stavi na brezpilotna letala.

Višinske balone, ki jih uporablja Google, sestavlja kupola iz lahke polietilenske prevleke, ki je debela okrog 0,08 milimetra. Kupola meri 15 metrov v premeru in 12 metrov v višino, napolnjena pa je s helijem. Pri tem so morali poskrbeti, da polietilen ne spušča, da je odporen na žarke UV, ki so 20 kilometrov nad površjem peklensko močni, in da preživi spremembe temperatur od 20° C pa do –50° C.

V ta namen so se googlovci odpeljali iz nekdanjega vojaškega hangarja v Kaliforniji, kjer balone sestavljajo, v orjaški laboratorij (McKinley Climatic Laboratory) na Floridi, kjer lahko v hangarju temperaturo spustijo na –50° C. Tam so testirali polietilen in preverjali, da na mrazu ne postane preveč krhek ali prepusten.

Helij je v balonu pod tlakom, kupola pa se ne razteguje. S tem zagotovijo daljši rok trajanja balona, saj je tak balon manj občutljiv za padce temperature in zunanjega tlaka. Z drugimi besedami – zaradi trdnega materiala se mu ne spreminja prostornina, to pa pozitivno vpliva na življenjsko dobo. Kupola je sestavljena iz dveh prekatov. Zunanji je napolnjen s helijem in zagotavlja vzgon, notranji pa je balastni in je napolnjen z zrakom.

Helij in polietilen zagotavljata vzgon, srce je seveda elektronika, življenjski sok pa dajejo sončne celice z baterijami, vsi skupaj tehtajo dobrih 10 kilogramov. Glavna izziva sta dva – kako bodo baloni med seboj komunicirali in kako jih bo Google krmilil. Slednji problem so rešili z navpičnim premikanjem. Kot vemo, imajo baloni s helijem pod tlakom in trdnim ovojem stabilno prostornino in s tem tudi bolj ali manj konstantno višino. Google balast in črpalko kljub temu potrebuje, ker želi spreminjati višino balonov. Nenehno namreč na podlagi svežih informacij in napovedi o vetrovih v atmosferi, ki jih posreduje ameriška uprava za atmosfero in oceane (NOAA), preračunavajo, kam se mora balon spustiti ali dvigniti, da ga bodo vetrovi zanesli na želeno mesto. To se dogaja večkrat na uro.

Pri tem so tako natančni, da so balon iz Avstralije spustili čez ocean v Čile, kjer se je želeni bazni postaji na zemlji približal na 500 metrov. To je osupljiva natančnost. Nujna je seveda redundanca, saj ni mogoče zagotoviti, da bo balon vedno nad istim mestom. Bolj praktično je v stratosfero spustiti 100 balonov in tako zagotoviti, da bo v pokritem pasu nad uporabnikom vedno vsaj eden. To je prvi Googlov cilj, dolgoročno pa naj bi potrebovali 300–400 balonov za konstantno pokrivanje večjega območja, ki ustreza vzporednikom. Baloni namreč potujejo okrog Zemlje in v 100 dneh pridejo trikrat naokoli. Potem jih nadzorovano spustijo na Zemljo, zamenjajo iztrošeni material in kupolo ter spet spustijo v zrak.

Baloni imajo proti zemlji usmerjene antene, ki zagotavljajo signal LTE na področju s premerom 40 kilometrov, obenem pa se navezujejo na trenutno internetno infrastrukturo operaterjev. Poleg tega imajo še antene za medsebojno komunikacijo, GPS, cel kup senzorjev za merjenje parametrov ozračja in seveda baterije, ki zagotavljajo delovanje v nočnem času.

Pri tako nenavadnem projektu, kot je Google Loon, se izzivi prikradejo celo v najbolj običajne stvari. Takega balona na primer ni enostavno niti spustiti v zrak. Na začetku je ducat ljudi porabilo debelo uro, da so uspešno izpustili en balon. Google je zato zgradil posebno napravo, ki so jo poimenovali Autolauncher, ki počne točno to. Olajša vzletanje balonov, tako da lahko zdaj enega štirje ljudje v četrt ure pripravijo za vzlet, ker večino težaškega dela opravi žerjav.

En balon je v dveh tednih po vzletu z Nove Zelandije prepotoval celoten Pacifik.

Cena

Koliko taki projekt stanejo, od Googla ne bomo nikoli izvedeli. Podjetje ima pač dovolj denarja, da si lahko privošči raziskave in razvoj v številne smeri, izmed katerih le nekatere pripeljejo do uporabnih izdelkov. Lahko pa ocenimo ceno posameznega balona:

polietilenska kupola: 4000 dolarjev

helij: 2000 dolarjev

sončne celice: 500 dolarjev

preostala oprema: 12.000 dolarjev

Cena celotnega projekta pa je bržčas že šla v milijone.

Letala

Ker je internet ena izmed dobrin, ki še ni dosegla niti polovice Zemljanov, ponuja njena širitev odlično poslovno priložnost. Zato ni presenetljivo, da ima Google že cel kup konkurence, ki pa želi isto doseči drugače. Namesto balonov lahko uporabimo letala ali satelite.

Facebook razvija prvo. Zanimivo, da je Facebook želel kupiti podjetje Titan Aerospace, pa ga je Google prehitel. To Facebooka ni ustavilo. Z brezpilotnimi letali želijo dvema milijardama ljudi prinesti povezavo do interneta, in tako so letos avgusta po 14 mesecih dela pokazali prvi delujoč primerek brezpilotnega letala Aquila. Letalo z razponom kril dobrih 40 metrov tehta 450 kilogramov in leti na višini 20–30 kilometrov. Ponoči je nižje, da varčuje z energijo, čez dan se povzpne.

Aquila ima na krilih sončne celice in baterije, zato lahko v zraku ostane do 90 dni, kar je vse zelo podobno projektu Loon. Posamezno letalo bo letelo po krožnici s polmerom treh kilometrov, ker se mora za zagotavljanje dinamičnega vzgona ves čas premikati. S tem bo s signalom Wi-Fi ali LTE lahko pokrivalo področje s premerom 100 kilometrov.

Facebook je razvil tudi poseben sistem laserjev za usmerjeno komunikacijo letal s postajami nad tlemi. Obljubljajo hitrosti do 10 gigabitov na sekundo, ki se bodo potem porazdelile med uporabnike. Laserska komunikacija je v zadnjih letih področje intenzivnih raziskav, saj jo razvija tudi na primer NASA za hitrejšo komunikacijo z mednarodno vesoljsko postajo.

Facebookovega projekta Aquila ne smemo zamenjevati s projektom Internet.org, pri katerem poleg Facebooka sodeluje še šest industrijskih partnerjev: Samsung, Ericsson, MediaTek, Opera Software, Nokia in Qualcomm, ki prav tako želi prinesti dostop do interneta ljudem v nerazvitih državah.

Google venomer poziva najditelje, naj padle balone vrnejo.

In sateliti

Tretja možnost pa so seveda sateliti. Dostop do interneta prek geostacionarnih satelitov se trži že dalj časa, a imajo povezave velike zakasnitve. Svetloba do geostacionarnega satelita in nazaj potrebuje 230 milisekund, k temu pa dodamo še latence na opremi in dobimo internet, ki je neuporaben za Skype ali igranje iger.

Kompromisna rešitev so sateliti v nižjih orbitah, ki pa Zemljo obkrožijo hitreje, torej jih potrebujemo več, ker se relativno na površje premikajo. En tak projekt je O3b, ki je doslej utiril že osem satelitov, nameravajo pa jih še enkrat toliko. Krožijo v srednji orbiti na višini 8000 kilometrov, tako da Zemljo obkrožijo petkrat na dan. O3b ponuja dostop do interneta z nizkih geografskih širin, torej nekako od 45° severno in do 45° južno. Od začetka je pri O3b sodeloval ustanovitelj Greg Wyler, a od Googlove investicije v O3b ni več povezan s projektom.

Njegova nova zamisel je OneWeb, ki bo v nizko orbito na višino 800–1000 kilometrov poslal 700 majhnih satelitov in lahkih satelitov. Projekt financirajo Virgin, Qualcomm in Greg Wyler. Konstelacija naj bi bila popolnjena do leta 2020, med projektoma pa bo pomembna konceptualna razlika. O3b bo namenjen predvsem telekomunikacijskim operaterjem in večjim strankam v bližini ekvatorja, OneWeb pa bo bolj podoben Google Loonu in bo namenjen domačim uporabnikom.

Še bolj je klasične telekome zaskrbela napoved podjetja SpaceX, da se bodo vključili v novo vesoljsko tekmo za satelitski internet. SpaceX je namreč znan po tem, da mu stvari uspejo – navsezadnje že vozijo tovor na mednarodno vesoljsko postajo.

Leta 2016 naj bi izstrelili prve prototipe, do leta 2020 pa želijo imeti v nizkih orbiti na višini 1000 kilometrov 4000 lahkih in poceni satelitov. Tudi SpaceX ima podporo Googla, ki ne želi nesti vseh jajc v isto košaro. Poleg Loona namreč podpira še satelitski internet, kupili pa so tudi podjetje Titan Aerospace, ki je strokovnjak za izdelavo brezpilotnih letal.

Še ena možnost je najem. Tako tudi Facebook uporablja satelite, a ne svojih. Vsaj do leta 2021 so najeli nekaj pasovne širine na Eutelsatovih satelitih (Amos-6), ki ponudijo dostop do interneta v delu Evrope in Afrike.

Facebookov brezpilotni letalnik (drone) bo ponudil internetno povezavo nad nekoliko širšim območjem kot Googlov balon in bo v zraku ostal dlje, a je bistveno dražji.

Namesto konca nevtralnost

To pot bomo sklenili z nekoliko večjo zaskrbljenostjo kot navadno. Dostop do interneta vedno in povsod je odlična tehnološka novost. A ima nevarnosti. Internet je storitev, do katere zagotavljajo dostop ponudniki. Ti živijo od prodaje storitve končnim uporabnikom in jim je načeloma vseeno, kaj se pretaka po omrežju. Enakovredni obravnavi vsega prometa brez prioritizacije pravimo internetna nevtralnost. V Sloveniji je uzakonjena že dlje časa, v EU pa jo je parlament potrdil letos (dasi v precej ohlapni definiciji, ki je deležna precej kritik).

Google in Facebook imata tu močan konflikt interesov, saj živita od oglasov in posredno od števila uporabnikov njunih storitev. Zato so glasni pomisleki, da bi utegnila ponuditi neenakovreden dostop do interneta ali, še huje, le prek svojih strani. Podjetji za zdaj zagotavljata, da se to ne bo zgodilo. Pričakujemo, da bodo regulatorji pravočasno zaustavili vsakršne zamisli o spremembi tega.