1. 개요
Space Habitat. 인공의 우주 거주지. '우주 거주구'라는 의미인 Space Habitat는 국내 사전에는 아직 등재되지 않은 단어로, 국어 사전은 우주 식민지만 등재되어 있으며, 영어 사전은 space colony만이 우주 식민지, 우주섬(島)이란 뜻으로 등재되어 있다.우주에 자전하는 구조물을 설치하여, 인공중력을 발생시켜 지구와 유사한 거주 환경을 구현한 식민지로 사용한다는 우주 개척 개념으로, 인공적인 바이오스피어라 할 수 있다. 일반적으로는 스페이스 콜로니(Space Colony)라고 불린다.
ISS 처럼 비교적 낮은 궤도에 설치될 수도 있지만, 라그랑주점처럼 중력적으로 안정된 위치에 설치할 수도 있다. 아니면, 타 항성계까지 가기 위한 우주 탐사선의 형태일 수도 있다.
2. 특징
회전으로 원심력을 발생시켜 유사중력을 만들어 내는 것이므로 회전 속도에 따라 중력을 조절할 수도 있고[1] 회전이 정지하면 무중력 상태가 된다. 이를 응용하여 중력이 반드시 존재하여야 하는 거주 구역이나 식량 생산 구역 등에는 인공중력을 적용시키고, 더불어 중력이 없는 쪽이 효율적인 활용이 가능한 공업 생산 구역이나 우주선이 출입하기 위한 항구 구역 등은 인공중력이 적용되지 않는 무중력 상태로 놔두는 식으로 인공중력이 적용되는 장소와 적용되지 않는 장소를 임의로 나눌 수도 있다. 이런 경우 고정된 천체 상의 궤도에 위치하는 경우가 많은 점을 이용해 궤도상의 콜로니를 거주구, 천체 표면의 저중력 지대는 생산구로 이용하는 등의 응용도 있다.천체 간의 인력이 안정된 지점인 라그랑주점에 존재하므로 위치고정을 위한 비용이 들지 않으며, 우주공간에서 새롭게 영토를 개척하는 것이므로 인구과잉 문제의 해결방안으로 꼽히기도 한다. 이게 추진력을 가지고 목표를 향해 날아간다면 세대 우주선이라 할 수 있다.
상정되는 건조 목적은 일반적으로 거주 목적의 식민지인 경우가 대부분이나, 그러한 우주 거주구의 본연의 목적보다는 오늘날의 우주 정거장과 비슷한 용도로의 활용(우주탐사 및 우주개발과 우주공간에서의 교통 및 물류의 거점으로서의 활용, 군대를 주둔시키기 위한 군사 기지로서의 활용 등)을 상정하는 경우도 있고, 우주의 무중력 환경을 살린 공업 생산 시설(각종 공업제품의 생산을 위한 공장이나 우주선 건조를 위한 조선소 등)로서의 활용을 상정하는 경우도 있으며, 우주에서의 식량 생산을 위한 농업·축산업·어업 생산 시설로서의 활용을 상정하는 경우도 있다. 사실 우주 정거장 문서에서도 설명되고 있듯이, 우주 거주구 자체가 넓은 의미에서는 우주 정거장의 일종이기도 하다.
3. 종류
| 종류 | 모양 | 크기 | 면적 | 예상 인구 | 회전속도 |
| 버널 구체(초기형,1929) | 공 모양 | 직경 16km | 2,3만명 | ||
| 스탠포드 토러스 | 고리 모양 | 직경 1.8km, 너비 130m | 0.65 제곱킬로미터 | 1만명 | 1rpm |
| 아일랜드 1 | 공 모양 | 직경 500m | 1만명 | 1.9rpm | |
| 아일랜드 2 | 공 모양 | 직경 1.8km | 14만명 | ||
| 아일랜드 3(오닐 원통) | 원통 모양 | 직경 8km, 길이 32km | 804 제곱킬로미터 | 1250만명[2] | 0.5rpm[3] |
| 칼파나 원 | 원통 모양 | 직경 500m, 길이 325m | 0.51 제곱킬로미터 | 3000명 |
3.1. 버널 구체
Bernal Sphere. 1929년에 존 데즈먼드 버널 박사가 고안한 디자인으로 island one이라고도 불린다. 공 같은 구체형으로 회전하는 형태. 중심부에 있는 광원으로부터 빛을 공급받는다. 원환형이나 실린더형과는 달리, 내부의 중력이 일정하지 않다. 구조상 구 내부의 적도에서는 중력이 커지고, 극지역으로 갈수록 중력이 낮아지기 때문에 공간활용율이 떨어질 수 있다.
3.2. 스탠포드 원환
Stanford Torus. 1975년에 스탠포드 대학에서 설계된 디자인으로 버널 구체의 대체 버전이다. 바퀴 같은 형식으로 회전하는 형태. 빛과 에너지는 중앙부에서 중심선을 가로질러 전달한다. 회전하는데 필요한 최소한의 골격만 남겨 원심력을 극대화한 형태로, 비교적 소규모·저출력으로 구동이 가능하다.
규모가 크고 중간에 태양 역할을 하는 광원이 있으면 링월드의 형태와 같다.
3.3. 오닐 원통
O'Neill Cylinder. 1976년에 제라드 오닐 박사에 의해 제안된 디자인으로 island three라고도 불린다. 아일랜드 원, 투, 쓰리 구분 자체가 오닐 박사가 기존 유사 우주 식민지 유형을 분류하며 붙인 명칭이다.
오닐 박사가 제안한 원래 형태는 직경 8 km 길이 32 km의 거대한 원통 두 개가 베어링 축을 가진 모종의 막대로 연결돼 있으며, 원통의 중심축을 기준으로 서로 반대방향으로 회전한다. 이는 자이로스코프 효과에 의해 원통이 돌거나 뒤집히려는 것을 원통의 회전을 서로 상쇄시켜 막으려는 이유다. 각 원통 간의 각도나 방향을 조금씩 바꾸면 콜로니 전체의 방향 조절에도 쓸 수 있다.
지구와 같은 1 g 인공중력을 발생시키기 위해 원통은 초당 각속도 2.8도, 시간 당 28회전한다. 충분히 느린 회전 속도라 멀미를 느끼는 사람은 적을 것이지만, 머리를 회전 방향과 반대 방향으로 돌리면 그 차이를 느낄 수 있을 것이고, 물건을 떨어트리면 수직으로 떨어지지 않고 옆으로 휘는 것이 눈에 보일 정도다.
오닐 박사의 원형은 원통을 크게 6개 구역으로 나누는데, 그 중 3개는 투명 창이고 3개가 거주 구역이다. 투명창과 원통 외부의 반사경을 통해 직간접적으로 태양광을 받는다. 밤은 반사경이 항성광을 받지 않는 각도이면 된다. 투명창 덕에 빛을 받지 않고 밤 상태로 만들면 원통 내의 온도를 외부로 배출하는 효과도 있다. 투명창은 통유리가 아니라 강철이나 알루미늄 창틀로 무수하게 분할돼 있다. 우주분진 따위를 맞고 일부가 깨져서 공기 유출이 일어날 수 있지만, 계산 결과에 따르면 원통의 규모가 워낙 커서 한두 장 깨진 걸론 큰 비상 사태는 아니며 수리할 시간이 충분히 있다.
나중에 나온 유사 원통형들은 원통의 모든 벽면이 거주 구역이고 중심축 주변에 인공 태양을 설치하여 내부에서만 빛을 공급하는 밀폐식도 있다.
원통 바깥에는 직경 32 km에 원통과는 다른 속도로 회전하는 고리형 농경구역이 있다. 원형의 일러스트에서는 원통끼리 연결하는 막대의 반대편 끝쪽에 배치했다. 그 중심부의 무중력 구획이 산업 구획이다.
오닐 박사는 21세기에 우주 개척을 위해 이 형태를 제안했으며, 그래서 강철과 같은 현실적 소재로 가능한 물리적 한도를 계산해 크기를 산출했다. 그 소재는 달이나 소행성에서 얻는다.
내부 대기는 대기압을 지구의 절반 정도로 만들어, 대기압에 의해 구조물에 가해지는 스트레스를 감쇄했다. 그래도 이 정도 규모면 거주구 벽과 대기 자체가 우주선에 대한 실딩 효과를 낼 수 있고, 습기가 증발하고 순환하며 비, 구름과 같은 자연 현상을 어느 정도 일으킬 수 있다. 반사창에 의한 태양빛 또한 이 순환을 위한 열 교환에 중점적 역할을 한다.
대략 맨하탄 하나가 안에 들어갈 수 있는 크기이며, 오닐 박사는 지구의 어지간한 지역보다 생활하기에 좋을 것이라 주장했다.
3.4. 콜 버블
외부
Cole Bubble, 또는 Bubbleworld. 댄드리지 콜 박사와 도날드 콕스 박사가 제시한 디자인으로 래리 니븐의 소설을 통해 유명해졌다. 크기는 기초가 되는 소행성의 크기에 달려 있지만 지름 1마일, 길이 2마일 정도의 소행성이 적합하다고 한다.
건설 방법은 다음과 같다. 니켈과 철로 구성된 원통 형상의 소행성 내부에 물을 넣는다. 그 다음 소행성이 긴 축을 중심으로 회전하게 하고 나서 태양열로 소행성을 가열한다. 소행성이 녹기 시작할 정도가 되면 물이 수증기가 되어 팽창하면서 소행성을 부풀린다. 이후에 부푼 소행성 내부를 테라포밍 하면 된다. 일러스트에 있듯이, 원통 중간에 약간 부푼 부분을 만들어 반지 모양의 호수를 만들 수도 있다고. 빛은 태양을 바라보는 쪽에 반사경을 달아 중심축을 오가며 산란되게 하는 방식이나 중심축을 가로질러 특정 파장의 빛을 투과시키는 핵융합 원통을 설치하는 방식으로 공급한다.
다만 이 모델의 경우 버널 구체 수준으로 각 부분의 중력차이가 심해지게 되고 1G 수준의 쾌적한 거주구를 넓게 확보하게 되기 힘들어지는 문제가 생긴다. 소수 인원이 중력이 적절한 곳에 거주하며 중력이 인간에게 불친절할 넓은 부분은 생산거점이나 물류거점으로 기능하는 방식으로는 사용이 가능하겠지만 다른 스페이스 콜로니들처럼 콜로니 하나에 대도시를 통째로 집어넣는 방식의 운영은 힘들 것으로 보인다.
3.5. 비숍 고리
Bishop ring. 고리 모양의 우주 거주구로 포레스트 비숍 박사가 고안해낸 디자인이다. 탄소나노튜브를 사용해 만든다고 한다. 스탠포드 토러스의 크고 아름다운 친척이며 중앙에 항성이 없는 미니 링월드라고 생각하면 된다. 규모가 크기 때문에 공기는 원심력으로 다 잡아 주는 개방형 구조이다. 지름은 원 디자인은 1000킬로미터, 최대 수천 킬로미터다.
3.6. 맥킨드리 원통
외부
내부
Mckendree Cylinder. 2000년에 NASA의 톰 맥킨드리 박사가 디자인한 스페이스 콜로니로, 원 디자인에서 지름은 920킬로미터이며 길이는 4600킬로미터로, 대략 1300만 제곱km의 생활 공간이 나온다. 이는 러시아의 면적에 맞먹는 것이다. 이런 크기의 구조강성을 일반 강철로는 버틸 수 없기에, 재질은 비숍 고리와 동일한 탄소나노튜브여야 한다고 추산했다.
최초 제안 원형은 단순히 오닐 원통의 뻥튀기였다. 절반은 창문이고 두 개의 원통이 서로 반대 방향으로 회전하는 등. 그러다 점차 독자적인 내부에 인공태양 광원을 지닌 완전 밀폐형으로 묘사되는 일이 많아진다. Orion's Arm 같은 SF 세계관에서는 맥캔드리 실린더의 크기를 탄소 나노튜브의 이론상의 한계인 직경 2천 km, 길이 1만 km, 지표면 6300만 제곱km(유라시아 대륙 전체보다 크다)까지 확대하기도 한다.
오닐 원통과 다른 점은, 크기 덕에 내부에 약간 더 작은 원통을 넣어도 문제가 없다는 것이다. 그 덕에 몇 개만 있어도 행성급의 인구를 수용할 수 있다. 내부에 원통을 넣고 반대방향으로 회전시켜 자이로스코프 현상을 상쇄할 수 있으므로 외부에 두 개의 원통을 놓을 필요가 없어진다. 직경이 워낙 커서 대기는 원심력으로 아래쪽으로 쏠릴 것이기에, 내부 원통이 있을 높이쯤 되면 공기가 거의 없어 대기 마찰을 걱정할 필요는 없다. 지구 대류권이 고작해야 지표면 20 km 미만이고, 대기의 99%가 고도 32 km 이내에 존재하는 걸 감안하자.
3.7. 칼파나 원
외부
내부
Kalpana One.
오닐 원통과 같은 긴 원통형은 회전시 정확하게 축을 중심으로 얌전하게 돌지 않고 비틀비틀 흔들릴 가능성이 높다. 가뜩이나 내부에 대기와 지형이 잔뜩 있어서 무게중심이 비틀리면 더욱 그러기 쉽다. 칼파나 원은 그러한 비틀림 효과를 없애기 위해 짧고 작게 압축한 형태. 또한 외부창을 없애고, 지구 저궤도에 띄워서 지구 대기에 우주선 방호 효과를 얹혀가는 걸로 최대한 면적을 확보한다. 지구 근처에 만드는 것이 목적이라 지구에서 물자를 로켓으로 쏴서 건설하는 물류비가 적게 드는 것을 장점으로 내세우고 있다.
4. 기타
미국 애리조나에서 행해진 바이오스피어 2 실험은 이 스페이스 콜로니와 같이 어떤 인공적 개입 없이 지속적으로 순환가능한 폐쇄 생태계를 구현하려는 실험이었다.제미니우주선과 소유즈 우주선이 원심력으로 인공중력을 발생시키는 것을 실험한 적이 있다.
NASA가 구상하고 있는 유인우주탐사선인 노틸러스-X의 목적 중 하나는 원심력을 이용한 인공중력 발생장치의 실현과 검증에 있다. 실제로 노틸러스-X는 원심력을 이용한 인공중력을 구현하기 위해 회전구획을 가지는 설계를 채용하고 있다.
미국의 민간 우주기업 블루 오리진은 스페이스 콜로니를 건설하는 것을 궁극적인 목표로 삼고 있다. 창업자이자 CEO인 제프 베이조스의 연설에서 오닐 실린더가 등장하기도 했다.
5. 각종 매체에 등장하는 우주 거주구
- 기동전사 건담 시리즈의 스페이스 콜로니(기동전사 건담 시리즈) - 우주세기에서는 대부분 오닐 원통(아일랜드-3) 형태로 주로 등장한다. 첫 작품인 기동전사 건담이 1979년작인 것을 생각하면 최첨단 학설을 발빠르게 도입한 것이다. 신기동전기 건담W에서는 스탠포드 원환 형태로 주로 등장한다.[4] 그리고 왠지 모르게 스페이스 콜로니를 초거대 질량병기로 지구에 낙하시키는 작전이 많이 나온다.
- 나이트런 - 오닐 원통과 비슷한 형태의 스페이스 콜로니 뿐만 아니라, 다양한 형태의 스페이스 콜로니들이 등장한다. 다만, 행성 개척이 상대적으로 쉬운 세계관이기 때문에 대부분의 인류는 행성에 거주하는듯 하며, 우주 거주구의 막대한 질량을 이용해서 적 방공망에 돌진시켜버리는 형태의 작전이 많다…
- 데드 스페이스 2 - 스프로울: 사실 스페이스 콜로니 보다는 엄청나게 큰 우주 기지라는 느낌이 더 강하다. 스프롤은 위의 형태 중 어떤 형태에도 해당하지 않으며, 바이오스피어를 만드는 타입이 아닌. 우주 공간에 밀폐 건물을 죽 깔아놓은 것이기 때문이다. 그 외에 데드 스페이스 세계관에서 콜로니는 우주 공간에 띄워 둔 스페이스 콜로니 형식이 아닌 행성표면에 건설한 육상 기지의 형태를 가진다. 3편에 등장하는 뉴 호라이즌 루나 콜로니 등이 이에 해당한다.
- 라마와의 랑데부 - 라마. 외계인들이 만든 초 거대 오닐 실린더. 우주를 방랑하다가 태양계에 들어와 얼어붙은 바다를 녹이고 거기서부터 생명을 진화시켜 그 생명으로 내부를 정비한 뒤(...) 태양을 스윙바이하여 다시 어디론가로 떠난다.
- 래리 니븐의 <알려진 우주> 시리즈에서는 소행성대를 식민지화한 종족인 벨터의 주요 주거지로 등장한다.
- 록맨 X5 - 유라시아
- 마크로스 시리즈 - 신 마크로스급 함. 그 자체가 세대 우주선이며, 선두의 전투함과 결합된 본체가 이동식 우주 거주구 역할을 한다.
- 매스 이펙트 시리즈 - 시타델(매스 이펙트 시리즈)
- 소닉 더 헤지혹 시리즈 - ARK
- 스코페로: 카사하라 테츠로의 만화. 제목은 <스페이스 코로니>를 줄여서 <스페코로>라고 책자에 쓰여있는 것을 주인공이 가로읽기로 '스코페로'라고 잘못 읽은 것으로 뭐 별 뜻은 없고 중요하지도 않다. 장르는 스페이스 콜로니 스포츠근성러브코미디물이지만, 카사하라 테츠로 만화가 언제나 그렇듯이 과학설정의 치밀함은 NASA급이다.
- 스타트렉 비욘드 - 요크타운
- 스타폭스 제로 - 에어리어 3
- 스텔라리스 - 궤도 거주지, 링월드. 다만 온 은하에 거주가 가능한 행성이 퍼져있는 세계관 특성상 특수한 스타트가 아닌 이상 대부분의 첫 식민지는 행성이다.
- 시도니아의 기사 - 파종선 시도니아. 기본 구조는 폐쇄식 아일랜드-3 타입에 가깝지만, 인공 중력을 원심력이 아닌 중력 가속도를 이용해 생성하는 방식이라 거주구 배치가 종방향으로 되어있다.
- 익시온(게임) - 콜로니 내의 건설과 생존 게임.
- 엘리먼트 헌터 - 콜로니
- 엘리시움(영화) - 엘리시움
- 우주를 달리는 소녀 - 브레인 콜로니
- 인터스텔라 - 쿠퍼 스테이션
- 은하영웅전설 - 크로이츠나흐 III
- 은하철도 999 - 고스트 콜로니: 은하철도 999/등장인물 참고.
- 취성의 가르간티아 - 아발론
- 코즈믹 브레이크 - 코즈믹 아크
- 킴 스탠리 로빈슨(Kim Stanley Robinson)의 SF 소설 2312에서는 소행성 다수가 농장이나 멸종위기생물 보호구역인 테라리움으로 개조되어 있다.
- 파워레인저 로스트 갤럭시 - 테라벤처: 후속작에서도 종종 언급되거나 회상씬 등으로 나온다.
- 파피용 - 우주이민선 파피용. 폐쇄식 아일랜드-3 타입이며, 동력은 태양돛으로 공급받고 직접적인 빛은 콜로니 중심축을 통과하는 대형 인공조명 전등들을 통해 비춰진다는 구조. 또한 상기한 태양돛을 추진장치로 사용하여 세대 우주선으로서 기능하였다.
- 폴리스너츠 - 아일랜드-3(오닐 실린더) 타입의 콜로니인 비욘드 코스트(Beyond Coast)가 작중의 주무대이다. 또한 작중에서 직접 등장하는 것은 아니지만, 스탠포드 원환 타입의 콜로니들의 존재도 언급된다.
- 헤일로 시리즈 - 하이 채리티, UEG 측 우주 거주구들[5], 아크, 쉴드 월드, 헤일로: 이쪽은 모양만으로 보면 링월드에 가깝다고 느껴질 수도 있으나, 따져 보면 대형 비숍 고리에 가깝다.
5.1. 모형화
- 웨이브에서 2015년 2월 오닐 실린더 형이 논스케일 프라모델로 발매되었다. 정식 제품명은 스페이스 새틀먼트(Space Sattlement). 제품화 과정에서 스튜디오 누에의 도움을 받아 설정화집도 동봉되어있고 가조립에 스티커만 붙여도 그럴싸한 퀄리티와 웨이브답지 않은 괜찮은 조립성으로 호평을 받고 있다.