Atmospheric Thermal Energy Conversion Towers

에너지 타워는 두 가지 기본 유형이 있다: 상승기류와 하강기류. 첫 번째 유형인 하강기류 타워는 해들리 순환대에 내재된 열에너지를 이용한다. 두 번째는 단순히 열 사이펀/굴뚝 효과를 이용한다.

해들리 순환

모든 세계의 대기는 더운 지역에서 차가운 지역으로 열에너지를 옮기기 위해 순환대, 또는 순환 세포를 형성한다. 그 세계의 크기는 필요한 순환 세포 수에 영향을 준다. 그러나 자연적이든 행성 개조된(Terraformed)되었든 지구 크기의 모든 가이안 세계에서는 행성을 둘러싼 바람대와 제트 기류가 세 순환, 즉 해들리 순환, 페렐 순환, 극 순환의 지배를 받는다. 해들리 순환의 메커니즘은 잘 알려져 있다. 고대 지구의 조지 해들리가 무역풍을 설명하기 위해 처음 기술한 대기 순환 패턴은 관측과 매우 잘 들어맞는다. 지구처럼 축 기울기가 작은 행성, 즉 적도가 태양열을 가장 많이 받는 행성에서는 이 순환대가 적도에서 형성되어 전 지구 기상 패턴의 주요 동인이 된다.

해들리 순환은 폐쇄 순환 고리로, 적도에서 따뜻하고 습한 공기가 적도 저기압 지역에서 대류권계면까지 상승하여 극쪽으로 운반되면서 시작된다. 약 북위/남위 30°에서 고기압 지역으로 하강한다. 하강하는 공기의 일부는 지표면을 따라 적도 방향으로 이동하여 해들리 순환의 고리를 닫고 무역풍을 만든다. 다른 두 순환의 해석은 더 복잡하다. 사실 하나의 분리된 해들리 순환이 있는 것이 아니라 적도대 내에 여러 개가 있으며 시간이 지남에 따라 복잡한 과정에서 이동하고, 합쳐지고, 분리된다. 그러나 설명 목적상 일반적으로 단수형으로 언급된다.

해들리 순환이 적도에 위치한다고 설명되지만, "열적 적도"라고 불리는 태양의 천정점을 따른다고 설명하는 것이 더 정확하다는 점에 유의해야 하며, 지구에서는 반년 주기로 남북 이동을 겪는다. 또한 따뜻하고 습한 공기가 대류권계면까지 상승하면서 수증기가 응결되어 잠열을 공기에 방출하고 이러한 적도 저기압 지역에서 뇌우를 일으킨다는 점도 유의해야 한다. 극쪽으로 운반되는 공기는 따라서 따뜻하고 건조하며 하강할 때 압축되어 뜨겁고 건조해진다. 이것이 전 지구 환경에 미치는 결과는 아열대 지대에 사막이 있다는 것이다. 행성의 축 기울기가 상대적으로 작으면 사막은 세계의 영구적인 연중 특징이 되며, 이러한 뜨겁고 건조한 지대에서 하강기류 타워가 가장 잘 작동한다.

하강기류 타워

하강기류 타워는 개방된 상단 주위에 증발 냉각 시스템이 있고 지면에 있는 개구부에 터빈이 배치된 높은 속이 빈 원통이다. 물이 타워 꼭대기로 펌핑되어 꼭대기에 떠 있는 따뜻한 공기를 냉각시키는 데 사용된다. 냉각된 공기는 바깥의 따뜻한 공기보다 밀도가 높아 원통 바닥으로 떨어지고 나가는 길에 터빈을 회전시킨다. 터빈은 전기를 생산하는 발전기에 연결되어 있다. 대량의 물이 필요하다는 문제는 해안에서 너무 멀지 않은 위치를 선택하면 해결할 수 있다. 다만 해안에 너무 가까워서도 안 된다. 타워에서 내려오는 기류에는 수증기가 가득하므로 사막에 오아시스를 만드는 데 활용할 수 있기 때문이다. 가장 기본적인 버전에서는 물을 단순히 공기 중에 분사하여 냉각시키지만, 물이 바다에서 공급되는 경우 기류에서 염분을 제거하는 것이 선호될 수 있다. 그 경우 재순환 폭포나 분수를 통해 공기 흐름을 통과시키거나, 어떤 종류의 높은 표면적 "심지" 커튼이나 "발한" 벽 주변으로 통과시키고 남은 염수를 별도의 파이프로 되돌려 보낼 수 있다. 하강기류 타워가 생성하는 에너지와 함께 사막에서 담수와 더 시원한 공기 온도를 만드는 능력은 그것을 공동체를 위한 좋은 장소로 만든다. 사실, 대체로 타워 자체가 아콜로지(Arcology)의 핵심 역할을 한다.

에너지 타워에는 규모의 효율이 작용한다. 더 크고 높은 타워가 작은 타워보다 유리하며, 공기가 떨어지는 거리가 길수록 더 많은 운동량을 얻는다. 오늘날 건설되는 타워 대부분은 높이가 최소 1킬로미터다. 표준 건설 기술은 속이 빈 원통의 벽을 두껍게 만들되 그 자체도 속이 비어 있게 함으로써 강도를 유지하면서 타워의 질량을 절약한다. 이러한 속이 빈 공간은 거주 공간으로 쉽게 개조될 수 있으며 단지 1킬로미터 높이의 타워도 어려움 없이 백만 명의 인간 도시를 수용할 수 있다.

상승기류 타워

상승기류 타워는 작동에 대량의 물이나 기존의 뜨겁고 건조한 공기가 필요하지 않기 때문에 배치에 더 유연하다. 태양열 획득을 통해 자체적으로 뜨거운 공기를 만들고 열 굴뚝 효과를 사용한다. 그러나 상승기류 타워는 온실과 같은 집열 에이프런을 위해 타워 주변에 넓은 지역(직경 수 킬로미터)을 확보해야 하며 이것이 주요 단점이다. 상승기류 타워는 매우 우회적인 방식으로 전력을 생산한다. 집열 에이프런이 태양 에너지를 열에너지로 바꾸고, 타워가 이 열에너지를 운동 에너지로 바꾸며, 터빈이 움직이는 공기를 전기로 바꾼다. 각 단계는 특히 처음 두 단계에서 프로세스에 비효율성을 추가한다. 전기만 원한다면 더 작은 광전지 셀 어레이를 사용하는 것이 더 효율적일 수 있는데, 상승기류 타워는 기껏해야 집열 에이프런에 닿는 태양 에너지의 몇 퍼센트만 사용 가능한 전력으로 변환하기 때문이다. 대부분 하강기류 타워에 대해서도 같은 말을 할 수 있지만, 적어도 그것은 이미 대기에 존재하는 열에너지를 변환하고 있다.

그러나 상승기류 타워 설계에는 두 가지 구원의 은총이 있다: 하나는 온실과 같은 집열 에이프런이 실제로 온실로 사용될 수 있다는 것이다. 다른 하나는 휴대할 수 있을 만큼 충분히 가볍게 만들 수 있다는 것이다. 상승기류 타워는 하강기류 타워처럼 견고한 구조일 필요가 없으며 더 가벼운 공기를 채운 원환형 부양 풍선을 사용하여 공중에 떠 있고 "온실"보다 "그린텐트"에 가까운 집열 에이프런으로 지면에 고정된 유연한 튜브에 지나지 않을 수 있다.

환경 효과

거의 모든 다른 에너지 생성 기술과 마찬가지로, 이러한 타워를 대량으로 높은 밀도로 사용하면 환경에 영향을 미친다. 타워의 경우, 이는 지역적 또는 광역적 바람 패턴의 변화를 통해 나타난다, 앞서 언급했듯이 하강기류 타워의 기류는 수증기로 가득 차 있어 사막을 "녹화"할 수 있다. 구형 지구에서는 이것이 거의 우연히 이루어졌지만, 후대의 테라포머(Terraformer)들은 이러한 효과를 잘 알고 있었고 주요 지역에 적절한 유형의 타워를 신중하게 배치하고 관리함으로써 이를 활용했다. 종종 큰 주의가 실제로 필요하지 않다: 노이만 능력을 갖춘 타워는 환경 피드백을 활용하여 적절한 배치를 보장하며 스스로 설치할 수 있다.