1. 개요
Space Habitat, Space settlement, 보다 일반적으로는 스페이스 콜로니(Space Colony)라고 불린다. 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.
ISS 등의 일반적인 우주 정거장처럼 비교적 낮은 궤도에 설치될 수도 있지만, 라그랑주점처럼 중력적으로 안정된 위치에 설치할 수도 있다. 아니면, 타 행성계까지 가기 위한 세대 우주선 방식의 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 디자인. 버널 박사는 그저 globe 라고 지칭했다. 그의 저서 The World, the Flesh & the Devil에 쓴 묘사에 따르면, 지름 16 km에 내부가 비어서 공기로 채워진 구체형이고, 목표 거주 인구는 2~3만 명 정도. 소재는 소행성, 토성의 고리 등에서 가져온 것을 주로 사용, 외부는 투명해서 햇빛을 받아들일 수 있고, 그러면서도 미래 분자 기술로 튼튼하게 만들 거라고 추정했다. 내부 구조에 대한 묘사는 단순한 건축물이라기보단, 에너지 관리나 소행성 따위에 상처입은 껍질의 재생 등을 포함해 일종의 매우 크고 복잡한 단세포 식물 같은 느낌으로 묘사 했다.
그리고 버널의 원안은 회전하지 않아 중력이 없는 구체였다. 중력 부재로 인한 문제점은 당시에는 크게 인식하지 못한 시대였고, 문제가 있더라도 아마 버널 박사는 인체 자체를 개조하는 방향을 주장했을지도 모른다. (같은 책에서 버널 박사는 상당히 극단적인 인체 개조에 대해서도 논했다.) 되려, 버널 박사는 중력의 부재가 여러모로 편리하다고 주장했다. 평면이 아닌 3D 공간상에서 움직일 수 있기에 기존 거주 및 생활 구조의 상당 부분을 감축할 수 있다거나, 중력이 없기에 껍질의 강도가 중력가속도를 견뎌야 할 필요가 없다거나 등등.
나중에 1975년 스탠포드 대학에서 미래의 우주 식민지 디자인에 대해 일련의 연구가 있었는데, 제라드 오닐 박사가 기존에 알려져 있는 우주 식민지 타입을 정리하면서 버널 구체 형태의 개량형을 제시했다.
그 첫번째인 Island One은 공 같은 구체형인 것은 같으나, 직경은 500미터에 지나지 않으며, 지구 중력을 구현하기 위해 1.9 RPM으로 회전했다. 내부 구조는 구체의 적도 부분이 계곡의 밑바닥에 해당하는 계곡형 지형. 극지방을 관통해 중심부를 통과하는 일종의 창문으로 외부 광원의 빛을 공급받는다. 구조상, 원환형이나 실린더형과는 달리 내부의 중력이 일정하지 않다. 구 내부의 적도에서는 중력이 커지고, 극지역으로 갈수록 중력이 낮아지기 때문에 공간활용율이 떨어진다. 하지만 구체 형태는 내부의 공기 압력을 받는 동시에, 외부 방사선에 대항해 실딩을 제공할때 가장 질량 대비 적합한 구조라고 보았다. 직경 500미터라 작아 보여도 동물원과 골프 코스 등 충분한 놀이 공간을 포함하여 1천 명이 거주할 수 있다고 보았다.
Island One이 성공적이면, 그 사이즈를 직경 1.8 km로 키운 버널 구체형인 Island Two를 만든다. 이 정도 사이즈가 거주구 내부에서 이동이 편리하면서, 산업적 기반을 갖출 수 있을 정도의 여유 공간이 나온다고 보았다.
3.2. 스탠포드 원환
Stanford Torus. 1975년에 스탠퍼드 대학교에서 설계한 디자인. 사실 바퀴(원환) 형태로 회전하는 우주 식민지에 대해서는 그 이전부터 여러 제안이 있었으며, 스탠퍼드 토러스는 그 중 하나일 뿐이다. 바퀴형으로 유명한 다른 제안형으로는 베르너 폰 브라운의 von Braun wheel (1952년) 같은 것도 있다. 이런 회전하는 고리형 우주 거주구는 규모가 크다면 중심 광원으로 항성이 있는 링월드까지도 포함할 수 있는 넓은 분류이니, 형태 분류 전체를 말할 때는 스탠포드 원환이 아니라 ring-shaped rotating space station라는 더 큰 범용 명칭으로 지칭하는 것이 옳다.
스탠퍼드 원환은 1만 명의 거주용으로 직경 1.8 km를 제안했다. 실제 사람이 거주하는 원환 튜브의 직경은 130미터, 원주는 5,623.45 m. 회전하는데 필요한 최소한의 골격만 남겨 원심력을 극대화한 형태로, 비교적 소규모·저출력으로 구동이 가능하다. 분당 1회전으로 약 0.9~1.0 g 내외의 원심력 중력을 낸다.
빛과 에너지는 원환 바깥의 고정된 대형 거울을 포함해 다양한 거울들로 외부 항성 광원을 반사시켜 전달한다. 이를 받아오기 위해, 원환 내부에서 머리 위쪽에 해당할 바퀴 안쪽 방향은 투명한 유리창이다. 방열을 위한 라디에이터 등도 고정형으로 외부에 부착.
고리를 고정하기 위한 내부 바퀴살 6개는 원환의 중심축으로 이동하기 위한 통로로도 사용된다. 중심축은 회전 원심력이 가장 적은 구역이며, 우주선이 도킹하기 위한 선착장으로 쓰인다. 이 축에 10 km 길이의 긴 막대형 통로를 연결하고, 그 끝에 발전용 시설을 달거나, 무중력 산업 구역을 장착한다.
스탠포드 제안에서는 총 질량을 1천만 톤으로 추산했으며, 그 재료는 달에서 캐서 매스 드라이버로 쏴 날려 조달하는 것을 제시했다. 혹은 소행성을 채굴하거나. 달과 소행성에서 얻을 수 없는 재료만 지구에서 운송해온다. 건조 위치는 지구-달 L5 라그랑주 지점이며, 달에서 재료를 얻기 위해 지구-달 L2 지점에 매스 캐처를 설치해서 L5로 옮겨온다. 총 질량에는 방사선을 막기 위한 실딩 소재인 월면토 1.7m 두께가 포함된다.
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. 티타늄 합금이나 케블라를 사용하면 강철제보다 좀 더 큰 사이즈로 만들 수 있다.
내부 대기는 대기압을 지구의 절반 정도로 두면, 대기압에 의해 구조물에 가해지는 스트레스를 감쇄할 수 있다. 0.5 atm은 에베레스트 베이스캠프 정도의 기압으로, 적응은 필요하지만 인간의 생존에는 아무런 문제도 없다. 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. 강철과 같은 현실적 소재를 사용하는 이상 맥켄드리 실린더처럼 대륙급 면적으로 직접 크기를 키울 수는 없으나, 소세지처럼 여러개를 줄줄이 늘어놓는 것으로 규모 확대는 가능하다. 다만 여러 원통들이 회전하면서 서로 뒤틀리지 않도록 능동적인 자세제어가 필요하다. 만약 충분히 많은 숫자의 오닐 원통이 있다면 행성을 둘러싼 고리를 형성할 수도 있고, 가로세로로 그물처럼 연결하거나, 육각형으로 연결한 것을 반복해서 벅키 볼 형태의 3D 형태로 연결할 수도 있다.
오닐 실린더보다 큰 사이즈의 우주 거주구는 현존 기술로는 확실히 불가능하거나 어려운 공학 소재, 기술이 필요하고, 건조 유지 관리에 드는 자원과 에너지는 국가급 이상이 필요하기 때문에, 현실적으론 이 정도 크기의 콜로니를 여럿 만드는 것이 실용적일 거라고 한다. 만약 콜로니가 박살나는 우주 재해가 발생해도, 대륙 사이즈 큰 콜로니 하나 수습하는 것보단 작은 콜로니 다수가 더 쉽고.
우주세기의 건담 시리즈에 나오는 스페이스 콜로니는 전부 오닐 원통형 콜로니이고 건담시드에 나온 헬리오폴리스 또한 오닐 원통형이다.
3.4. 칼파나 원
[vimeo(92732219)]
외부
[vimeo(92732220)]
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. 분당 2회전으로 1G 중력을 확보한다. 반경 250미터는 1G를 중력 내에서 원심력에 의한 어지러움을 느끼지 않는 한도인 분당 2회전 내를 맞추기 위한 크기이며, 길이 325미터 역시 회전의 안정성을 위해 계산된 최대치. 그러고도 내부에서 사람이나 물자가 움직이며 생겨날 수 있는 흔들림 제어를 위해 콜로니 외부 중심축의 양 끝에 십자형으로 펼쳐진 긴 케이블을 펼치고 그 끝에 무게추를 달아, 컴퓨터 제어로 자동으로 각 케이블을 감거나 푸는 움직임으로 흔들림을 상쇄한다. 콜로니와는 달리 이 케이블은 회전하지 않는다.
스탠퍼드 토러스처럼 외부에 고정된(회전하지 않는) 반사거울 같은 커다랗고 고질량의 물건을 두면 회전부가 흔들렸을때 충돌해 대규모 사고를 낼 수 있으므로, 그런 걸 아예 설치하지 않는게 낫다고 보았다. 오닐 실린더처럼 같이 회전하는 형태라도 거울과 유리창 자체가 상당히 데드웨이트라고 보았다. 그래서 지면이 될 원통의 옆면에서는 외부창을 없애고, 원통 양 끝단인 밑면을 볼록한 투명 덮개 내지 창문형으로 설치해 자연광을 확보한다. 투명 덮개로 들어온 빛은 내부 회전축을 조명처럼 빛나게 만들어 내부 전체에 빛을 제공한다. 양 끝단이 모두 태양빛을 많이 받기 위해 회전축은 태양계의 남북극 방향으로 맞춰 둔다.
원통 외벽의 방사선 실딩은 두텁게 한다. 콜로니 부피 입방미터 당 10톤의 달 또는 근지구 소행성 레골리스를 실딩 소재로 사용하는데, 이는 대략 밴앨런대를 제외하고 지구 표면에서 대기에 의해 얻는 실딩과 동일한 양이며, 70년대의 실딩이 약한 몇몇 우주 콜로니 디자인들보다 더 많은 요구치다. 그래서 콜로니 자체에 무게와 원심력을 견디는 강성 요구치가 더 높아진다. 하지만 실딩이 부족해 문제가 생기는 일은 원천방지할 수 있다. 원통 옆면(안에 있는 사람의 입장에서는 바닥)이 태양을 향하는 구조 상, 실딩은 주로 이 옆면 외벽 부분이 차지한다.
딱히 특정 위치용으로 만든 것은 아니지만, 첫 건설을 한다면 지구 저궤도(LEO) 대략 600 km 정도에 띄우는 것을 추천하는데, 이 정도면 지구 중력에 잡혀 빠르게 가라앉지 않는 거리라서 재부스트 빈도를 줄일 수 있고, 한편 밴앨런대를 이용해 지자기에 의한 우주 방사선 방호 효과를 얹혀갈 수 있어 실딩을 줄일 수 있기 때문이다. (고로 라그랑주 지점 등에 설치할 경우, 위에서 상정한 것보다 더 두터운 실딩이 필요하다.) 또한 첫 우주 콜로니 제조에서 가장 큰 문제가 될 부분은 콜로니 중량만큼의 대량의 건설 물자와 자원을 조달하는 것인데, 주요 광물은 소행성이나 달에서 캔다 해도 지구에서 옮겨올 수밖에 없는 대기나 생물 등이 반드시 있으니, 지구에 가까운 저궤도에 건설시 지구에서 물자를 로켓으로 쏴 주어 물류비가 적게 드는 장점이 있다. 완성된 후에도 지구에서 재보급 받기도 쉽고, 지구에서 관측하기도 쉽고 통신도 안정적이며, 지구 관광객을 수용하기 쉬워 우주 관문으로서 기능하기 좋다.
동력원은 외부의 발전 위성이 빔으로 쏴 주고, 콜로니에 마이크로웨이브 렉테나(정류 안테나)를 설치해서 받아낸다. 비상시에는 콜로니 원통에 부착된 태양광 패널로 얻는 전력을 쓴다. 위 사진에서 보면 생활공간인 원통 중간에 다른 원통부분보다 유달리 툭 튀어나온 부분이 있을텐데, 거기가 방열판. 원통 축은 항상 태양에 수직이므로, 방열판은 얇은 단면만이 태양 빛을 받으므로 항상 그림자를 최대한 이용할 수 있다. 방열판은 반지름 560미터.
반경 250미터, 길이 325미터 크기에서 얻을 수 있는 1G 생활구역의 면적은 510,000제곱미터. 3천 명의 거주민에게 1인 당 170제곱미터를 제공할 수 있다. 이는 기존의 NASA 우주 콜로니 연구에서 요구하던 값(1인 당 155.2제곱미터)보다도 약간 높고, 1970년대 뉴욕시의 거주민 대비 면적인 98.3제곱미터를 훌쩍 넘어, 상당히 안락한 공간을 제공한다 할 수 있다. 게다가 원통의 안쪽인 중력이 약한 구역에 산업 구역, 창고, 저중력 레크리에이션, 식량 생산 구역(잘 통제된 환경에서 식량을 생산할 경우 1인 당 50제곱미터의 식량생산공간이 필요) 등을 몰아넣을 수 있으니 1G 생활공간은 생활과 1G 레크리에이션용으로만 쓸 수 있는 공간이다. 이런 저중력 공간까지 합치면, 거주민 1만명 급 캘리포니아 해안 마을 수준의 거주성을 누릴 수 있다고 한다.
우주 콜로니에서 가장 무거운 부분은 실딩이 되기 십상이고, 내부 면적 입방미터당 10톤의 실딩이 필요하다고 보면, 칼파나 원의 총 중량은 7백만 톤에 달할 것이다.
3.5. 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.
3.6. 비숍 고리
Bishop ring. 고리 모양의 우주 거주구로 1997년 포레스트 비숍 박사가 고안해낸 디자인이다. 스탠포드 토러스의 크고 아름다운 친척이며(하지만 밀폐식인 스탠포드 원환과는 달리 개방형이다), 중앙에 항성이 없는 미니 링월드(뱅크스 오비탈)의 훨씬 작은 버전이라고 생각하면 된다.
지름은 원 디자인은 1000킬로미터, 최대 수천 킬로미터다. 폭은 원안에서는 500 km였으나, 훨씬 길게 놓는 디자인도 있다. 원안대로 직경 1000 킬로미터에 폭 500 킬로미터면 약 300만 제곱킬로미터의 거주 가능 면적이 나오며, 이는 인도(약 328만 제곱 킬로미터)나 아르헨티나(약 278만 제곱킬로미터)에 비견할만한 면적이다. 도시 규모인 소형 거주구와, 대륙 규모인 맥캔드리 실린더나 뱅크스 오비털의 중간 크기, 즉 국가 규모용으로 적합한 사이즈다.
규모가 크기 때문에 공기는 원심력으로 다 잡아 주는 개방형 구조이다. 보통은 고리 바깥쪽(측면)으로 대기가 흘러나가지 않게 50~200 km의 벽을 세우고, 위쪽 천장(고리 중간쪽)이 열린 구조. 열린 천장을 통해 우주선이 비교적 손쉽게 발착할 수 있는 장점이 있다. 물론 지구에서도 대기가 서서히 증발하듯이, 오픈형은 어쨌든 서서히 대기가 흘러나가는 것은 감당해야 한다. 기술적으로 가능하다면 고리 바깥쪽을 투명한 벽으로 완전히 막는 것도 고려해볼 수 있다. 회전하면서 태양광이 빠르게 이동하는 것을 막기 위해 태양광이 바로 들어오지 않는 각도로 놓고, 중앙에 반사 거울을 놓아 조명의 움직임을 일정하게 만드는 것이 보통. 외부 태양광 패널로 전력을 모아 고리 중앙에 인공 태양을 놓는 것도 방법이다.
강철로 어떻게든 만들 수 있는 오닐 실린더에 비해 크기가 훨씬 크기 때문에, 탄소나노튜브와 같은 강력한 재질이 필요하다. 달 궤도 안에 놓는 것이 좋은 소형 거주구에 비해, 태양-지구 라그랑주 포인트를 포함해 좀 더 다양한 곳에 갖다놓기 좋다.
게임 헤일로에 나오는 헤일로가 전부 이 링 형태의 콜로니를 두고 있다.
3.7. 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 강철이나 티타늄 등으로는 버틸 수 없기에, 재질은 분자 나노 공학(Molecular Nanotechnology) 기술을 사용한 신소재, 원문에서는 탄소나 다이아몬드(대체 설계안)를 외피 재질의 예로 들었으므로 이를테면 탄소나노튜브 같은 것이어야 한다고 추산했다.
최초 제안 원형은 절반은 창문인 등 단순히 오닐 원통의 뻥튀기였다. 원문에서는 하나의 원통의 면적만을 얘기했었으나, 원안인 오닐 원통이 모멘텀 상쇄를 위해 두 개의 원통이 서로 반대 방향으로 회전하는 것이었으므로 맥켄드리 실린더도 그렇게 만들어야 했을 것이다.
그러다 점차 독자적인 내부에 인공태양 광원을 지닌 완전 밀폐형으로 묘사되는 일이 많아진다. Orion's Arm 같은 SF 세계관에서는 맥캔드리 실린더의 크기를 탄소나노튜브의 이론상의 한계인 직경 2천 km, 길이 1만 km, 지표면 6300만 제곱km(유라시아 대륙 전체보다 크다)까지 확대하기도 한다. 이 크기는 대략 지구의 12% 면적이며, 지구에는 바다(약 71%), 산(육지의 24%)이나 사막(육지의 33%), 빙하 등으로 거주하지 못하는 구역이 많기에 인류의 실질 거주 구역은 10% 내외 정도라는 걸 생각하면, 하나로 21세기 지구 인구를 모두 수용할 수 있는 규모다. 사실 이 정도 사이즈면 재료 조달하는 것도 큰 일이라, 소행성을 모으는 정도가 아니라 왜행성이나 위성을 분해해야 할 수도 있다. 물론 공간 효율이 좋기에 왜행성 하나 분해해서 맥켄드리 실린더 여러 개를 만들면 이득이긴 하다.
오닐 원통과 다른 점은, 크기 덕에 내부에 약간 더 작은 원통을 넣어도 문제가 없다는 것이다. 그 덕에 몇 개만 있어도(내지 하나의 실린더 내에 몇 겹을 넣으면) 행성급 거주 면적을 얻을 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. 넉넉하게 잡아줘도 위아래 공간 50 km 정도면 충분하다. 예시 그림에서는 내부 곡면에 의해 맞은편 구조가 뻔히 보이는 경우가 많으나, 이는 훨씬 작은 오닐 실린더에서나 생길 일이다. 지구와 정 반대 방향인 내부 곡면이라 먼 곳이 더 잘보이기는 하겠지만 인간의 시력상 대기를 넘어 보기는 어려울 것이고, 그래서 맞은 편을 보며 폐소감각을 느끼지는 못할 것이다. 지평선이나 위층 실린더가 보이는 게 걱정된다면 대기에 나노머신을 뿌려서 가짜 하늘색을 비추는 것으로 원거리 시야를 좁히는 방안도 제시된다.
어마어마하게 크기에 내부에 산이나 바다 같은 규모가 큰 지구 환경을 구현하는 것도 가능한 사이즈다. 하지만 높은 산을 넣으면 그 부분만 무게가 커져서 외피에 스트레스가 많이 실릴 것이므로, 실제로는 산 내부 공간을 비우거나 에어로젤 같은 가벼운 물질로 채우는 방안이 제시된다.
3.8. 뱅크스 오비탈
Bank's Orbital. SF작가 이안 M. 뱅크스의 The Culture 시리즈에 나오는 가상의 스페이스 콜로니/거대 건축물 디자인으로, 비숍 링보다 훨씬 크지만 항성을 둘러싸는 니븐 고리(링월드)보다는 훨씬 작은 고리형 콜로니.고리형 콜로니들과 마찬가지로 회전에 의한 원심력을 얻는 것은 동일. 다만 크기에서 가장 큰 특징은 내부 거주구 표면에서 지구 1-G 중력을 구현하기 위해 하루 한 바퀴 회전하는 크기라는 점이고, 그래서 반경 약 184만 km, 둘레 약 1160만 km의 크기가 된다. 이해하기 쉽게 비유하자면, 고리의 크기는 지구를 도는 달의 궤도 크기(반경 약 38.44만 km)의 5배 가까이 된다. 축 방향 길이(즉 고리의 폭)가 1 km만 돼도 호주 대륙 면적이 나오고, 44 km 길어질 때마다 지구 하나 분량의 거주 면적을 얻을 수 있다. 폭을 충분히 넓히면 지구보다 훨씬 큰 거주구도 가능. 하지만 폭이 너무 넓으면 야간에도 고리 반대편이 반사하는 빛 때문에 너무 밝아지므로, 1만 km 이하로 적당히 자제할 필요가 있다. 그래도 지구 면적의 100~200배 면적을 얻는 것이 가능.
하루 회전 중에 자연스럽게 밤낮이 바뀌는 효과를 얻기 위해 약간 비스듬하게 기울어진 형태로 회전한다. 항성을 도는 궤도를 약간 타원형으로 하면 1년의 계절 차이도 얻을 수 있다. 또한 항성과의 거리가 적당한 곳에 건설해두면, 항성의 출력에 관계 없이 지구와 동일한 광량을 얻을 수 있다. 먼 외계 항성 근처에서도 지구와 비슷한 환경을 얻을 수 있는 것.
비숍 고리와 마찬가지로 거주자에게 천장이 되는 안쪽 방향은 열린 상태. 고리 측면으로 빠져나가는 대기를 잡기 위해 측면에 수백~수천 km 내외의 벽을 세워야 한다. 고리의 회전 속도가 빠르므로 벽의 존재가 필수적. 사실 벽이라기보단 산맥 형태의 지형을 만드는 것이 좋을 것이다. 원심력으로 공기는 고리 바닥에 깔리므로, 위로 열려 있어도 빠져나가는 양은 지구에서 증발하는 공기의 양과 비슷하게 (크기에 비해) 미미하다. 물론 빠져나가기는 할 것이고, 그렇게 빠져나간 가스는 뱅크스 오비탈의 질량에 끌려 그 근처에서 희미하게 머무르고 있을 터이니 멀리서 본다면 이런 가스가 빛을 반사해, 고리의 실제 크기보다 약간 크게 희미하게 빛나는 것처럼 보일 것이다. 컬쳐 시리즈에서 이를 두고 신의 팔찌(God's bracelet)라고 표현 했다.
다른 우주 거주구들에 비해 장점은 여러모로 지구 환경과 동일하다는 것. 외부 항성을 광원으로 사용하고, 밤낮과 1년의 기후 변화가 지구와 동일하고, 특별한 관리 없이도 생태계가 자연스럽게 유지될 수 있을 정도로 면적도 크다. 중위도에서부터 극지방과 적도 부근 환경까지 다양한 기후를 구현해내려면 좀 골치아파지지만, 전체 면적이 온화한 중위도 기후를 누리게 하는 것은 간편하다.
고리 자체가 지구 탈출속도보다 높은 회전 속도를 가지기에, 우주선 발사에도 유리하다. 반대로 초고속으로 다가오는 우주선의 감속 착륙시에도, 고리의 회전 속도에 의한 대기와의 큰 마찰력을 이용할 수 있다.
건설하려면 당연히 초강력한 특수 물질이 필요하다. 저 크기로 1-G 중력을 얻는 회전을 한다면 고리의 회전 속도는 초속 134 km에 달할 것이다. 당연히 고리 자체에 걸리는 인장력은 어마어마하다. 카본 나노튜브나 그래핀을 충분한 길이로 대량 양산할 수 있다 해도 회전식 거주구는 지름 수천 km 정도 크기가 한계인데, 뱅크스 오비탈은 이를 넘는 초월적인 이론상의 가상 물질이 필요하다.
그런 가상 물질의 예를 들자면, 자기홀극(magnetic monopole)이 가능할 경우 강력한 전자기력을 얻을 수 있고, 일반 물질의 강도는 원자 간의 전자기적 결합의 강도에 의해 얻어지므로, 자기홀극을 이용해 원자와 전자 결합을 어마어마하게 강화한 초강력 물질, 일명 마그매터(magmatter)를 만들 수 있다.
충분히 강력한 재료로 고리를 만들었다면, 그리고 적절한 광량을 얻을 수 있는 골디락스 존에 고리를 주차(?)해놨다면, 이후로는 딱히 고리 유지보수를 위해 손댈 일이 별로 없다. 고리의 폭보다 크기가 훨씬 크기 때문에 고리 회전 자체는 매우 안정적이고, 대기 증발이나 고리 위의 자연 환경의 자연적 침식도 수천년 단위로 관리해주면 되는 정도.
초강력한 물질 없이 현행 기술로 구현하려면, 고리를 이중화 해서 훨씬 크고 무겁고 두꺼운 바깥쪽 고리가 반대 방향으로 천천히 회전하는 것에 의해 얻어지는 질량 흐름에 의한 능동 지지 구조물 기술을 쓰면 이론상 가능하다고 한다. 외부 능동 지지 고리는 내부 고리보다 훨씬 큰 모멘텀을 지녔으나 원심력에 의해 파탄나지 않을 정도로 회전 속도를 훨씬 느리게 할 수 있으므로, 이론상 현대 재료 공학으로도 제조할 수 있을 것이다. 내부 거주 고리는 자기 등으로 그 위에 띄워서 고속 회전시키는 형태. 외부 고리를 충분히 크게 한다면, 고리 내부에 수소나 헬륨 등을 담은 탱크 및 고리형 긴 실린더 역할을 하게 만들 수 있다.
3.9. 링월드
항성을 둘러싸고 한 바퀴 도는 크기의 거대 고리형 우주 거주구. 래리 니븐의 링월드에서 처음 등장했다. 보통은 골디락스 존에 형성시킬테니, 그 크기는 태양계로 치면 지구의 태양 공전 궤도와 같다고 할 수 있겠다.3.10. 다이슨 스피어
항성을 완전히 감싸는 구체형 초거대 구조물. 거주용으로도 쓸 수 있겠지만, 항성의 아웃풋을 전부 이용하는 목적이 더 크다. 사실 완전히 감싼 것 이외에도 여러 형태가 있는데, 거주용으로 쓸 경우 내외부 압력과 충돌에 대응해 개별 거주구가 이동하기 쉬운 다이슨 스웜을 골디락스 존에 배치하는 형태가 나을 것이다.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(...) 태양에서 에너지를 얻고 인류가 설명할 수 없는 기동법으로 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.
- Orion's Arm - 1만 년 후의 미래까지 다루는 SF 세계관이라, 우주 거주구는 아주 흔한 주거 형태 중 하나이다. 본문에 있는 모든 타입 + 아직 소개하지 않은 디스크월드 등등 온갖 형태가 다 있다. 보통 해비타트(habitat) 줄여서 햅(hab)이라 표현하고, 특정 행성의 궤도권에 떠 있는 우주 거주구들은 오비탈(Orbitals)이라는 표현으로 싸잡아 말한다. 당연히 오비탈도 고도와 궤도가 여럿이므로, 무슨 시 무슨 동 말하듯이 무슨 행성 몇 번 오비탈 이런 식으로 주소를 표현하기도. 사이즈는 천차만별인데, 1인이나 가족용 초소형 우주 거주구부터, 모노폴로 만든 초강력 물질 마그매터를 이용해서 지은 행성보다 표면적이 큰 메가스트럭쳐까지 다양하다. 문명화 수준이 낮은 지역 출신이라면, 자기가 태어난 곳이 행성이 아니라 메가스트럭쳐 우주 거주구인것을 모르는 경우조차 있다. 지구인(기준선 인간)과 신체적으로 비슷한 근기준선 테라젠(지구를 기원으로 하는 지적 존재들)을 위해 지구 환경을 최대한 모사한 거주구도 경우도 많지만, 생명공학과 전자공학도 상응하게 발달했다보니 원심력 1g 중력을 구사하는 비싼 우주 거주구를 만들게 아니라 그냥 무중력 적응 신체 개변을 하고 거주구를 저렴하게 만들기도 한다. 아예 무중력 및 진공에 적응한 생명체도 만들수 있어서, 거주구 내부에 거주하는 것이 아니라 외부에 거주하는 부류도 있을 정도. 이 정도의 적응력이면 당연히 지구형 행성이 아니라 목성형 행성 등 상상을 초월한 환경에 적응한 생명체도 만들 수 있고, 실제로 많은 인구가 그렇게 산다. 다만 인구가 워낙 많은 세계관이라 공간과 자원 효율이 좋은 우주 거주구도 많이 이용하는 것. 게다가 외계 행성을 테라포밍한다 해도, 그것이 완료될 몇 세기 동안 거주하기 위해 선발 개척대가 우선 적당한 크기의 우주 거주구부터 짓는 것이 일반적.
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.