[논문 리뷰] Inflatable Evergreen Polar Zone Dome (EPZD) Settlements

Alexander Bolonkin, Richard B. Cathcart|ArXiv.org|2007. 01. 09.

Planetary Science and Exploration참고 문헌 17인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 반사경을 통해 집중된 태양열 에너지와 열 절연을 이용해 연중 내내 메디테리안 기후를 유지할 수 있는, 팽창 가능한 이중층 반구형 돔(EPZD)을 제안한다. 지구의 극지방에서 지속 가능한 인간 거주를 위한 것이다. 열역학적 모델링을 통해 이러한 구조가 현재 기술 수준에서 실현 가능하다는 것을 입증하며, 극심한 추위와 어둠이 지속되는 겨울 동안에도 극지방 정착이 가능하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Sustaining human life at the Earth antipodal Polar Regions is very difficult especially during Winter when water-freezing air temperature, blizzards and whiteouts make normal human existence dangerous. To counter these environmental stresses, we offer the innovative artificial Evergreen Polar Zone Dome (EPZD), an inflated half-hemisphere with interiors continuously providing a Mediterranean Sea-like climate. The Evergreen EPZD structural theory is developed, substantiated by key computations that show it is possible for current building technology to construct and heat large enclosed volumes inexpensively. Specifically, a satisfactory result is reached by using sunlight reflectors and a special double thin film, which concentrates all available solar energy inside the EPZD while, at the same time markedly decreasing the heat loss to exterior Polar Region air. Someday a similar, but remarkably more technological, EPZD design may be employed at proposed Moon and Mars settlements. Key words: artificial hemisphere, inflatable film building, Polar Region homes, solar energy concentrator.

연구 동기 및 목표

• 기후가 극도로 추운 겨울 동안 온도가 freezing 이하로 떨어지고 눈보라가 발생하는 극지방에서의 인간 생존 문제를 해결하기 위해.
• 안정된 온난한 실내 기후를 유지할 수 있는 저비용, 확장 가능하고 에너지 효율적인 주거 시스템을 설계하기 위해.
• 기존의 건축 및 태양 에너지 기술을 활용하여 장기적인 극지방 정착을 위한 실용적인 프로토타입을 창출하기 위해.

제안 방법

• 투명한 외층과 반사성 내층을 갖춘 팽창 가능한 이중층 박막 돔을 설계하여 태양열 흡수를 극대화하기 위해.
• 큰 파라볼릭 반사경을 사용하여 빛을 돔 내부로 집중시켜 내부 태양 에너지 입력을 증가시키기 위해.
• 이중 박막 구조를 통해 열 절연 전략을 적용하여 극심하게 춥기 그로 인한 외부 환경으로의 열손실을 최소화하기 위해.
• 열역학적 모델링을 적용하여 열 보존 및 에너지 균형을 계산하고, 실제 극지방 조건 하에서의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 부피 대 표면적 비율과 태양 방사량을 극대화하기 위해 반구형으로 돔의 기하학적 형상을 최적화하기 위해.
• 실제 소재와 시공 기술을 사용하여 개념의 실용적 구현 가능성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 팽창식 이중 박막 돔이 태양 에너지와 절연만으로 극지방에서 안정적이고 온난한 실내 기후를 유지할 수 있는가?
• RQ2 극지방 겨울의 극한 외부 기온을 상쇄하기 위해 필요한 태양광 집중 수준과 열 보존 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 기존 소재와 공학 기술을 활용한 제안된 EPZD 설계는 기술적으로도 경제적으로도 실현 가능한가?
• RQ4 독립형 돔의 기하학적 형상과 반사경 시스템이 내부 온도 안정성과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템은 지구 극지방의 영구 주거지로 확장 가능하며, 달이나 화성 기지로의 응용도 가능할까?

주요 결과

• 열역학적 모델링에 따르면 EPZD 설계는 극지방 겨울 동안에도 메디테리안 기후(약 20°C)를 유지할 수 있을 정도로 충분한 내부 열 보존 성능을 확보한다.
• 파라볼릭 반사경의 사용은 빛을 집중시켜 태양 에너지 입력을 증가시키며, 이는 열 성능 향상에 크게 기여한다.
• 이중 박막 구조는 외부 환경으로의 열손실을 줄여 장기간의 열 안정성을 가능하게 하는 요소로 작용한다.
• 반구형 형태는 부피 대 표면적 비율을 최적화하여 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 본 연구는 현재의 건축 및 태양 에너지 기술이 이러한 시스템을 구축하고 운영하는 데 충분하다는 것을 확인한다.
• 이 개념은 확장 가능하며, 향후 달이나 화성에 위치한 외계 기반 시설에도 적용 가능할 것으로 보인다.