歐尼爾圓柱體

在《高邊疆：太空中的人類殖民地》中，歐尼爾提出三種參考設計，並稱它們為「島嶼」[1]：

• 一號島嶼（Island One） ，周長1.6公里、直徑512米的旋轉球體，居民生活在球體的「赤道地區」。此想法隨後發展成為伯納爾球體；另一在史丹佛大學進行，並由NASA及艾姆斯研究中心聯手研究的衍生版本則稱作史丹佛環面，為一直徑490米的環面[6]。

• 二號島嶼（Island Two）：球形設計，直徑1.6公里

• 三號島嶼（Island Three），即現今的歐尼爾圓柱體，由兩個反向旋轉，直徑8公里、長32公里的圓柱體組成[7]。每個圓柱體有六個沿著圓柱體長度延伸的等面積複合板，其中三個是透明的窗戶，其他三個則是可住人的「平面陸地」，此外還有一直徑32公里，以不同速度旋轉來支持農作物生長的外環結構。工業製造區則位於圓柱體的中心，此規劃的目的是為某些製造过程提供尽量小的重力[7]。

為了節省從從地球發射原材料的巨額成本，這些殖民地將通過質量投射器從月球發射到太空的材料建造[1]。

設有質量投射器的NASA月球基地概念圖，其中朝著月平線延伸的筆直結構是建造歐尼爾圓柱體計劃的一部分

畫家筆下的歐尼爾圓柱體被陽光反射照亮的內部

在1974年9月號的《今日物理》雜誌上，歐尼爾博士認為歐尼爾圓柱體上的生活會比地球上的某些地方更好[8]，箇中原因是其中有豐富的食物、穩定的氣候和天氣控制。圓柱體內不允許會產生煙霧和污染的內燃機車輛行駛，對於僅有20公里的圓柱體內部來說，單車和低速電動車便已足夠[8]。由於旋轉圓柱體的人工重力，居民們還可以進行在地球上能做娛樂運動，如滑雪、帆船和登山等來保持身體的健康。除了這些運動外，理論上也可以在圓柱體殖民地外的太空中進行其他運動[8]。

圓柱體的旋轉會為其內表面提供人工重力。在歐尼爾描述的半徑範圍內，殖民地必須每小時旋轉約28次才能模擬出標準的地球重力，且角速度須達每秒2.8度。就旋轉參考系的人為因素的研究表明[9][10][11][12][13]，在如此低的旋轉速度下，很少會有人產生暈動病症狀，這是由於科氏力僅作用於內耳的關係。然而，殖民地內的居民們可以透過轉頭，來感知圓柱體自旋和反自旋的方向，且任何落下的物品似乎都會偏離原落點幾厘米[12]。殖民地的中心軸是一個無重力區域，理論上可以在那裡設置娛樂設施。

歐尼爾殖民地的氧氣分壓大致與地球大氣相同，為地球海平面氣壓的20%，其中也包含氮氣，以增加氣壓至約地球氣壓的30%，這種半壓大氣可節省氣體，並降低殖民地牆壁所需的強度和厚度[1][6]。在直徑5公里，長20公里的尺度上，圓柱體內的空氣和其外殼已可充分屏蔽宇宙射線[1]。歐尼爾圓柱體的內部體積足以支撐其小型天氣系統，而系統本身可以通過改變內部的大氣成分或反射陽光的數量來控制[7]。

圓柱體的每片大窗戶背面都鉸接著一面大鏡子，未經鉸接的窗邊邊緣則指向太陽。設置鏡子的目的是希望藉由窗戶的反射，將陽光照進殖民地內，而夜晚則通過打開鏡子，讓空曠的深空表露無遺來模擬，同時允許熱量散發至太空中[1]。在白天時，經反射的太陽會隨著鏡子的移動而遷移，從而形成太陽角度的自然變化。儘管肉眼看不見，太陽仍可能會因為圓柱體的逆時針運行而「旋轉」。另外鏡子反射出的光是偏振的，授粉蜜蜂可能會因此迷失方向[1]。

為了讓光線進入殖民地，大窗戶會沿著圓柱體的長一直延伸，但不會是單一的窗格，而是由許多小窗組成，以防止災難性的損毀，而鋁或鋼窗框可以承受殖民地地氣壓的大部分壓力。有時流星體可能會破壞其中一片窗格，導致部分大氣流失，但計算表明這不會是緊急狀況，原因是殖民地擁有巨大的體積[1]。

殖民地及其反射鏡必須永遠對準太陽，以透過太陽能照亮殖民地內部。奧尼爾和他的學生們精心設計了一種方法，可以在不使用火箭推進的情況下使殖民地每軌道連續旋轉360度，從而減少反作用質量[1]。