[论文解读] Inflatable Evergreen Polar Zone Dome (EPZD) Settlements

Alexander Bolonkin, Richard B. Cathcart|ArXiv.org|Jan 9, 2007

Planetary Science and Exploration参考文献 17被引用 19

一句话总结

该论文提出一种可充气的双层半球形穹顶（EPZD），用于在地球极地地区实现可持续的人类居住，通过反射镜聚焦太阳能并结合热绝缘，全年维持类似地中海的气候。热力学建模表明，该结构在现有技术条件下具备可行性，即使在极端寒冷和极夜条件下，也能实现全年极地定居。

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.

研究动机与目标

• 解决冬季极地地区极端低温和暴风雪导致的人类生存挑战。
• 设计一种低成本、可扩展且节能的庇护系统，能够在极地环境中维持稳定温和的室内气候。
• 利用现有建筑与太阳能技术，构建长期极地定居的可行原型。

提出的方法

• 设计一种可充气的双层薄膜穹顶，外层透明以最大化太阳辐射吸收，内层反射以增强集热效果。
• 使用大型抛物面反射镜将阳光聚焦至穹顶内部，提升内部太阳能输入。
• 通过双层薄膜结构实现热绝缘策略，最大限度减少向外部 frigid 环境的热量损失。
• 应用热力学建模计算热量保持与能量平衡，证明在真实极地条件下具备可行性。
• 将穹顶几何形状优化为半球形，以最大化容积与表面积之比并提升太阳辐射接收效率。
• 利用现有材料与施工技术验证该概念，确保实际部署的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠太阳能与热绝缘，大型可充气双膜穹顶能否在极地地区维持稳定温和的室内气候？
• RQ2 在极地冬季，为抵消极端外部低温，所需的太阳能聚焦强度与热保持水平应达到何种程度？
• RQ3 基于现有材料与工程实践，所提出的EPZD设计在技术与经济上是否可行？
• RQ4 穹顶的几何形状与反射镜系统如何影响内部温度稳定性和能源效率？
• RQ5 该系统能否实现规模化，用于地球极地地区的永久人类定居点？是否可适配于月球或火星的前哨站？

主要发现

• 基于热力学建模，EPZD设计具备足够的内部热量保持能力，即使在极地冬季也能维持类似地中海气候（约20°C）的环境。
• 使用抛物面反射镜可集中阳光，显著提升太阳能输入，从而大幅改善热性能。
• 双层薄膜结构将向外部环境的热量损失降低至可接受水平，使长期热稳定性成为可能。
• 半球形设计优化了容积与表面积之比，提升了能源效率。
• 研究表明，现有建筑与太阳能技术足以构建并运行此类系统。
• 该概念具备可扩展性，且未来可应用于月球或火星的外星栖息地。