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충돌빔 저장링(colliding-beam storage ring)을 발명하고 우주식민지계획을 주창했다.

1954년 뉴욕 이타카의 코넬대학교에서 박사학위를 받고 프린스턴대학교 교수가 된 직후 실험을 통해 입자가속기의 출력 에너지를 높이는 방법을 연구하기 시작했다. 그결과 고리 모양의 장치를 통과해서 서로 반대방향으로 움직이는 입자들의 선속(線束)을 이용하는 충돌 입자빔 저장링을 개발했다.

오닐은 1959년 캘리포니아 스탠퍼드대학교 교수인 볼프강 파노프스키와 함께 스탠퍼드에서 2개의 저장링을 만들었으며, 이 기술을 여러 가지 고에너지 설비에 채용했다. 1960년대말부터는 우주를 식민지로 만드는 계획에 관심을 가져 길이가 1㎞쯤 되는 양끝을 가로막은 원통형 구조물을 설계했다(→ 우주탐사). 그 설계에서 이 구조물은 달에서 얻은 물질을 재료로 만들고 동력은 태양 에너지로부터 얻어 지구와 달 사이에 사람이 살 수 있는 거주지를 제공하는 것으로 되어 있다.

그는 〈높은 곳에 있는 변경 The High Frontier〉(1978)에서 우주식민지개척이 공해, 인구 과다, 에너지 고갈 등 지구상의 문제를 해결하는 궁극적인 방법이 될지도 모른다고 제안했다.