Le tecnologie del futuro
Le tecnologie spaziali del futuro
Le tecnologie del futuro
Le tecnologie spaziali del futuro
Nel settore altamente competitivo dei satelliti, è essenziale oggi produrre "di più" e "più in fretta". Le nuove tecnologie sono ormai una leva indispensabile per poter costruire un maggior numero di satelliti e progettare nuove missioni, in un ambiente industriale in rapida evoluzione.
Produzione additiva, robot, cobot, fabbrica del futuro 4.0, "doppia realtà" virtuale e aumentata, gemelli digitali, ecc. La parola "innovazione", spesso abusata, ha assunto nuove dimensioni nelle camere bianche di Thales Alenia Space!
I satelliti di telecomunicazioni attuali sono interamente digitali, estremamente flessibili e a volte interamente riconfigurabili in orbita, quasi in tempo reale. Nel campo dell'osservazione della Terra sono apparse nuove metodologie. Con la costellazione BlackSky sarà possibile un'osservazione ottica submetrica ad alta rivisitazione. L'Internet of Things (IoT) e la 5G/6G fanno parte integrante delle nuove esigenze del mercato. Si assiste inoltre ad una miniaturizzazione delle tecnologie.
I nostri computer e smartphone diventano sempre più compatti e ad alta capacità. Questa tendenza si conferma in numerosi settori industriali, compreso lo spazio.
L'obiettivo di questa sezione è avventurarsi nel campo puro e duro degli studi prospettici, cercare di capire quali saranno le tecnologie spaziali utilizzate in un prossimo futuro. Ovviamente l'elenco non è esaustivo. Verrà analizzato il contributo del settore spaziale all'implementazione della 5G e alle telecomunicazioni quantistiche.
La 5G: nuove sfide e contributo del settore spaziale
Le nuove sfide
La quinta generazione degli standard in materia di telecomunicazioni mobili – 5G – avrà il vantaggio di aumentare le performance delle reti di comunicazione 4G aprendo al tempo stesso la strada ad una nuova rivoluzione digitale. Con la 5G entriamo a pieno titolo nell'era dell'altissima velocità, con scambi di dati che potrebbero raggiungere una velocità dieci o addirittura cento volte superiore a quella della 4G! Questa evoluzione permetterà in particolare di rivoluzionare l'esperienza utente, per esempio quando guarda dei video ad alta definizione. La 5G, dotata di una maggiore affidabilità e di un'istantaneità quasi totale delle trasmissioni, contribuirà alla diffusione della connettività dappertutto, sopportando una grande densità di connessioni di oggetti in contemporanea. La 5G allarga il campo dei possibili favorendo lo sviluppo su grande scala dell'IoT, a favore soprattutto degli operatori del B to B. Questa prossima generazione di telecomunicazione mobile sarà la base della trasformazione digitale dell'industria. Offre infatti una nuova passerella verso l'autonomizzazione dei processi industriali. Le tecnologie basate su sistemi dedicati, chiusi, e quindi costosi, verranno sostituite poco a poco con l'IoT industriale, ossia macchine connesse, pilotate e controllate da remoto e in tempo reale, con un flusso discendente e ascendente d'informazioni, per il quale la rete non sarà più filare.
La 5G diventerà inesorabilmente il sistema nervoso della fabbrica del futuro. Il settore spaziale ha l'intenzione di partecipare attivamente alla diffusione della 5G permettendo di estendere la copertura e la capacità di diffusione della rete per soddisfare in modo efficace i bisogni dei nuovi utenti (settore del trasporto, della sicurezza, della sanità, dei media, degli svaghi, dell'agricoltura, ecc.). Infatti la 5G esige una copertura mondiale per rispondere alle esigenze di nuovi utenti nonché alla volontà dei governi di ridurre il divario digitale, su richiesta dei consumatori che vorrebbero avere accesso al servizio ovunque si trovino. Per implementare la 5G verranno utilizzate le antenne relè degli operatori ma anche nuove bande di frequenza, non adoperate per la 4G. La mancanza di copertura legata alla 4G potrebbe essere risolta, grazie soprattutto ai satelliti, che potrebbero includere per la prima volta uno standard di telefonia mobile – quello della 5G – capace di estendere la copertura e la capacità di diffusione della rete rispondendo in modo efficace e affidabile ai bisogni della popolazione mondiale. In futuro i nostri smartphone si collegheranno direttamente ai satelliti e non solo alle antenne mobili.
Il contributo dei satelliti
I satelliti rappresentano una soluzione tecnologica eccezionale, al servizio della riduzione del divario e dell'isolamento digitale. Permettono ad esempio di fornire servizi di telecomunicazioni via satellite per le zone finora isolate (montagne, foreste, zone rurali) o per la telefonia mobile (trasporto marittimo, aeronautico, ecc.). In queste zone i satelliti non offriranno lo stesso livello di performance delle reti di antenne ma garantiranno un servizio di comunicazione mobile soddisfacente e contribuiranno allo sviluppo della connettività all'interno degli edifici. Rispondendo in modo flessibile ai bisogni dei nuovi utenti, potranno certificare e garantire un livello di precisione decimetrica dei servizi di geolocalizzazione offerti dalla 5G.
I satelliti permetteranno di gestire una grande densità di oggetti connessi nello stesso momento: aerei cargo con sensori che attraversano l'oceano, modem imbarcati sulle automobili, ecc. Costituiscono un eccezionale strumento per raccogliere l'immensa sfida dettata dall'esplosione dell'IoT.
Il contributo di Thales Alenia Space allo sviluppo della 5G
Dal 2018 Thales Alenia Space è diventata membro dell'ente di standardizzazione 3GPP (Third Generation Partnership Project) per fare in modo che la 5G possa adottare le soluzioni satellitari.
Il 3GPP aveva convalidato nel 2018 un primo gruppo di norme 5G (“Release 15”) che doveva permettere di distribuire e gestire rapidamente questa nuova tecnologia. Gli sforzi compiuti da Thales Alenia Space e dai suoi partner hanno permesso di compilare nel 2018 un rapporto di fattibilità del supporto satellitare via il sistema 5G e di avviare la fase normativa di standardizzazione alla fine del 2019. Il "Release 17” del 3GPP prevede ad esempio di integrare la componente satellitare nelle reti 5G in 18 mesi. Da aprile 2022 è disponibile un insieme di specifiche tecniche mondiali (Non Terrestrial Networks”), elaborato sotto l'impulso di Thales Alenia Space. Queste specifiche garantiscono l'integrazione ininterrotta di satelliti di telecomunicazioni e di HAPS (piattaforme ad alta quota) nelle reti 5G e permette la messa in opera di una rete unica mondiale.
Thales Alenia Space partecipa inoltre allo sviluppo e alla dimostrazione di tecnologie che permetteranno di accedere a servizi ad alta velocità:
- Febbraio 2018, Thales Alenia Space è partner della prima dimostrazione della tecnologia 5G durante i Giochi Olimpici di Pyeongchang, in Corea del Sud, nell'ambito del progetto “Horizon 2020” 5G Champion. Questa dimostrazione consisteva in particolare a fornire la 5G ad una parte degli autobus che trasportavano gli spettatori da un sito olimpico all'altro. Gli schermi a bordo di questi autobus diffondevano video 3D di altissima qualità. I passeggeri hanno potuto quindi sperimentare la comunicazione ad altissima velocità.
- Luglio 2018, Thales Alenia Space partecipa al progetto di ricerca e sviluppo 5G ALLSTAR, basato sui risultati e sull'esperienza di cooperazione del progetto “Horizon 2020” 5G CHAMPION e destinato a progettare, sviluppare e testare la multiconnettività con accessi multipli, associando tra di loro le tecnologie cellulari e di accesso via satellite selezionate all'interno di un insieme “Proof of Concepts”, per sostenere servizi ad alta velocità affidabili e disponibili.
- Febbraio 2020, Thales Alenia Space ha finalizzato uno studio di fattibilità di un'infrastruttura satellitare per offrire un servizio di banda larga direttamente destinato agli smartphone. Questo studio finanziato dal CNES (centro francese di studi spaziali) ha permesso di convalidare alcuni concetti tecnici nonché gli elementi economici necessari per la realizzazione di costellazioni di satelliti che si baseranno sullo standard 5G per offrire una copertura estesa agli utenti.
- Aprile 2020, Thales Alenia Space viene selezionata da Omnispace come prime contractor per la realizzazione di due nanosatelliti in orbita bassa, SPARK-1 e SPARK-2. Questi nanosatelliti saranno la componente iniziale dell'infrastruttura di rete satellitare dedicata all'IoT, permettendo ad Omnispace di mettere in opera la sua visione di una rete ibrida mondiale, basata sulle norme 3GPP. I primi due satelliti sono stati lanciati con successo nel 2022.
- Febbraio 2021, Thales Alenia Space si è associata all'operatore sudcoreano KT SAT, la prima società al mondo che ha commercializzato la 5G, per implementare una dimostrazione destinata a portare la rete 5G nelle regioni isolate grazie al satellite di telecomunicazioni geostazionarie Koreasat-5A.
- Luglio 2021, Thales Alenia Space si è associata a Hellas Sat per effettuare una dimostrazione di collegamento 5G via satellite. La sperimentazione consisteva nel garantire la connessione tra una rete core e una stazione di base grazie al satellite Hellas Sat 3 / Inmarsat S EAN, costruito da Thales Alenia Space. Il satellite completerà la rete 5G terrestre e ne diventerà addirittura parte integrante, poiché riceverà i dati della rete 5G provenienti dalla Terra e li trasferirà verso le zone isolate
Le telecomunicazioni quantistiche
La fisica quantistica si sviluppa nella prima metà del XX secolo (1900-1948) e permette importanti progressi come l'invenzione del transistor sin dal 1947 e del laser nel 1960. Il nostro mondo non sarebbe così com'è oggi senza questa prima rivoluzione quantistica, basata su dispositivi che manipolano grandi quantità di oggetti quantistici (elettroni, fotoni). Le applicazioni che ne derivano sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana: tutti gli apparecchi elettronici fino agli smartphone, ma anche i fasci laser delle reti di fibra ottica, i lettori Blu-ray, i lettori di codici a barre, i laser utilizzati in medicina, nonché strumentazioni mediche come gli apparecchi per la risonanza magnetica, ecc.
Oggi siamo veramente alle soglie di una seconda rivoluzione quantistica, grazie alla recente capacità di manipolare oggetti quantistici a uno a uno.
Vi sono attualmente 3 settori di applicazione:
- L’informatica quantistica, un settore sul quale non ci posizioniamo, che permetterà di progettare e programmare calcolatori capaci di moltiplicare la potenza di calcolo degli attuali computer.
- I sensori quantistici, destinati a sviluppare strumenti di misura dotati di prestazioni senza pari, come gli orologi atomici nonché le antenne, gli accelerometri e i gravimetri quantistici. In generale l'uso delle proprietà quantistiche della materia permette oggi di prevedere fattori di miglioramento di almeno 10-100 volte, o addirittura 1000 volte, rispetto agli strumenti di misura classica. Questi sensori aprono la strada a numerose applicazioni in settori come l'industria, l'automobilismo, la difesa, la salute (diagnosi di alcune malattie neurodegenerative), la scienza, ecc. Il gruppo Thales investe in modo significativo nelle ricerche relative ai sensori quantistici. Thales Alenia Space progetterà infatti satelliti i cui sensori saranno il cuore del payload.
- Il terzo punto riguarda le telecomunicazioni quantistiche. Thales Alenia Space si posiziona su questo settore, a vari livelli. Bisogna sapere innanzitutto che la fisica quantistica permette di condividere catene di numeri aleatori a distanza senza scambiarli, in modo da renderli totalmente segreti. Si parla allora di crittografia quantistica o di distribuzione a chiave quantistica (QKD). Le chiavi quantistiche permettono una cifratura ultra sicura, in grado di trasmettere dati con un elevatissimo livello di confidenzialità controllata. Si tratta di un elemento essenziale, poiché sappiamo che i computer quantistici decripteranno le chiavi asimmetriche derivate dalla cifratura RSA che utilizziamo tutti i giorni, per esempio su Internet. Anche se questa ipotesi si verificherà solo fra 10 anni, dobbiamo già riflettere sui sistemi sostitutivi. Uno di essi è la chiave quantistica. Il suo interesse sta nel fatto che gli attuali sistemi partono dal presupposto che nessun metodo di calcolo è capace di decifrare i codici, il che non è dimostrato. I settori interessati a questi studi sono i governi, i sistemi sanitari che hanno dati particolarmente sensibili, le infrastrutture critiche dedicate alla distribuzione di energia o il trasporto aereo. E anche le banche centrali, in quanto le chiavi quantistiche permetterebbero di emettere criptovalute in modo sicuro o di effettuare una "tokenizzazione" dei titoli finanziari e NFT (non-fungible token o gettoni non riproducibili). Per gli esperti di queste banche centrali, vi sono solo tre modi per securizzare il livello richiesto, fra cui le chiavi quantistiche. Oltre alla creazione di chiavi quantistiche, le comunicazioni quantistiche consentiranno di sviluppare un nuovo tipo di reti che collegheranno tra di loro dei sensori quantistici o dei computer quantistici al fine di ottenere prestazioni sempre più elevate. I dispositivi che permetteranno di ottenere queste reti informative esistono già in laboratorio, ma dobbiamo ancora progredire per renderli affidabili e operativi.
Ruolo del settore spaziale nelle future infrastrutture di telecomunicazioni quantistiche
Il trasferimento degli stati quantici da un luogo all'altro utilizza delle particelle di luce chiamate fotoni, che si propagano su fibra ottica o in spazio libero. È possibile posizionare due fotoni distanti in una sovrapposizione di stati quantici complementari e correlati. In questo caso le due particelle sono legate da una proprietà chiamata intricazione quantistica o entanglement.
Il trasporto delle particelle di luce grazie alla fibra ottica esige che l'infrastruttura quantistica abbia una componente terrestre in fibra ottica in ogni agglomerazione, collegata alle altre agglomerazioni da una componente satellitare.
Infatti nella fibra ottica, che è un ambiente denso, i fotoni vengono assorbiti dalla materia. I segnali quantistici sono molto deboli e non possono essere amplificati, per non perturbarne lo stato. Di conseguenza la portata del segnale quantistico è limitata ad un centinaio di chilometri su fibra ottica. In spazio libero questo vincolo non sussiste più. Un satellite può dirigere un fascio laser verso la Terra e raggiungere un migliaio di chilometri. La connessione tra grandi metropoli non può fare a meno dei collegamenti satellitari. I satelliti sono quindi essenziali per lo sviluppo delle comunicazioni quantistiche.
Il contributo di Thales Alenia Space in questo settore
Degli studi sono stati svolti più di 10 anni fa al fine di valutare le potenzialità della crittografia quantistica per prodotti che richiedono comunicazioni ad alta sicurezza. Ad esempio, Thales e i suoi partner accademici hanno realizzato un dimostratore completo, già installato e testato a grandezza naturale su reti di fibre ottiche che collegano nodi distanti, alla scala di una metropoli.
Thales Alenia Space si occupa attivamente di vari progetti legati alle telecomunicazioni quantistiche e ha cominciato ad avviare progetti relativi ai sensori e ai computer.
Nel campo delle comunicazioni quantistiche, Thales Alenia Space contribuisce:
- Ai progetti di chiavi quantistiche che preparano l’European Quantum Communication Infrastructure attraverso il “test bed” OpenQKD, le fasi A e B di EuroQCI (con Deutsche Telekom), il programma SAGA dell’ESA per quanto riguarda la componente spaziale di EuroQCI, e la parte quantistica della futura costellazione europea “Secured Connectivity”. Thales Alenia Space potrà avvalersi delle sue incomparabili competenze in materia di costellazioni per partecipare a questo ambizioso e importante programma, lanciato su iniziativa del Commissario Europeo Thierry Breton.
- Alla definizione e alla prototipazione di elementi spaziali destinati alle reti d'informazione quantistica, con una dimostrazione in orbita prevista entro il 2025.