CONCEPTION PART 2

In the following the ideation process and concept will be described.

Energy supply
Energieversorgung

All life-supporting measures on Mars depend on the energy supply. It was therefore very important to me that a hybrid system should be used instead of a single energy source. According to my research, I consider a combination of three to four energy sources to be appropriate.

Alle lebenserhaltenden Maßnahmen auf dem Mars hängen von der Energieversorgung ab. Daher war es mir sehr wichtig, dass hier nicht auf eine einzige Energiequelle gesetzt wird, sondern ein Hybrid-System zum Einsatz kommt. Nach meiner Recherche halte ich eine Kombination aus drei bis vier Energiequellen als Sinnvoll.

1. concentrated solar power. CSP systems use a large number of heliostats which use mirrors to focus sunlight on a single point. In my concept the mirrors focus the light on the top of the tower. There the light would then be directed in concentrated form through a lens system into the base of the tower. In contrast to photovoltaics, CSP systems can store the generated energy in the form of heat. This often happens in the form of liquid salt. The salt could be stored in well insulated containers above the city. In addition, the thin atmosphere of Mars could be utilized because no artificial vacuum needs to be created for insulation, or the rest of the atmosphere could be evacuated with less effort. 

2. Space Based Solar Power. Since strong sandstorms can rage on Mars and often last for several months, a local solar-based power plant can no longer provide energy. This could be remedied by a network of solar energy satellites. The satellites would generate electricity on the basis of photovoltaics and transfer it to Mars by microwave. There, the bundled microwaves would then be converted back into electricity by rectennas. This technology would even work through sandstorms and could thus further secure the energy supply.

3. geothermal. Currently it is not known whether Mars still has a liquid core. However, it can be assumed that there is still heat in the depth due to the radioactive decay and the very high pressure. Therefore, one of the main sources of energy would be geothermal. One could drill even deeper into the underlying rock layers in the centre of the drill core and locate this energy source below the city in the "cellar". The heat would then be used to generate electricity with steam via a turbine. 

4. Atomic Energy: Fission and Fusion. Atomic energy is already being used on Mars today - in the form of a plutonium generator in the curiosity rover. Fission is a good source of energy for the first settlements. Besides the advantages like a constant energy supply, there are many disadvantages as with the power plants on earth. Fusion could be an alternative to fission. In fusion, atomic nuclei are not split like in fission and thus energy is gained, but the process that takes place on the sun is imitated. Here atoms are fused with each other. Thereby a multiple of the fission energy is released. This technology is currently still in the research stage and there is no prototype that produces more energy than it consumes. Nevertheless, this technology could be a possible source of energy for my planned time period. 

1. Konzentrierte Solarenergie. CSP-Systeme nutzen eine Großzahl von Heliostaten, welche mit Spiegeln das Sonnenlicht auf einen Punk fokussieren. In meinem Konzept fokussieren die Spiegel, das Licht auf die Turmspitze. Dort würde das Licht dann in konzentrierter Form durch eine ein Linsensystem in den Fuß des Turms geleitet werden. Im Gegensatz zu Photovoltaik können CSP-Systeme die erzeugte Energie in Form von Hitze speichern. Dies passiert oftmals in Form von flüssigem Salz. Das Salz könnte in gut isolierten Behältnissen Oberhalb der Stadt gelagert werden. Zudem könnte man sich die dünne Atmosphäre des Mars zu Nutze machen, weil man kein künstliches Vakuum zur Isolation erzeugen muss, oder die restliche Atmosphäre mit weniger Aufwand evakuieren kann. 

2. Space Based Solar Power. Da auf dem Mars starke Sandstürme toben können und dies oftmals über mehrere Monate anhaltend, kann ein lokales solarbasiertes Kraftwerk schnell keine Energie mehr liefern. Abhilfe könnte hier ein Netzwerk aus Solarenergie-Satelliten schaffen. Die Satelliten würden auf Basis von Photovoltaik Strom erzeugen und diesen per Mikrowelle auf den Mars übertragen. Dort würden die gebündelten Mikrowellen dann von Rectennas wieder in Strom umgewandelt werden. Diese Technik würde sogar durch Sandstürme hindurch funktionieren und könnte somit eine weitere Absicherung der Energieversorgung gewährleisten.

3. Geothermal. Aktuell ist nicht bekannt, ob der Mars noch einen flüssigen Kern besitzt. Jedoch ist davon auszugehen, dass in der Tiefe auf Grund des radioaktiven Zerfalls und des sehr hohen Drucks immer noch Hitze vorzufinden ist. Daher wäre eine der Hauptenergiequellen geothermaler Natur. So könnte man im Zentrum des Bohrkernes noch tiefer in die unterliegenden Gesteinsschichten bohren und diese Energiequelle unterhalb der Stadt im "Keller" ansiedeln. Anschließend würde die Hitze genutzt werden, um mit Wasserdampf über eine Turbine Strom zu erzeugen. 

4. Atomare Energie: Fission und Fusion. Atomenergie wird bereits heute auf dem Mars eingesetzt - in Form eines Plutoniumgenerators im Curiosity-Rover. Fission stellt eine gute Energiequelle für erste Siedlungen dar. Neben den Vorteilen wie einer konstanten Energielieferung, gibt es wie bei den Kraftwerken auf der Erde viele Nachteile. Eine Alternative zur Fission könnte die Fusion darstellen. Bei der Fusion werden nicht wie bei der Fission Atomkerne gespalten und somit Energie gewonnen, sondern es wird der Prozess, der auf der Sonne stattfindet, nachgeahmt. Hier werden Atome miteinander fusioniert. Dabei wird ein Vielfaches der Fissions-Energie frei. Diese Technologie ist aktuell noch im Stadium der Forschung und es gibt keinen Prototypen der mehr Energie produziert als er verbraucht. Dennoch könnte diese Technologie für meinen vorgesehenen Zeitraum eine mögliche Energiequelle sein.

Building modules as seen in zone beta

Building modules
Gebäudemodule

In contrast to the large city structures, the building modules are not produced using 3D printing but conventional processes. The concept envisions four different module variants. Due to the different radii of the individual sectors, the floor plans differ slightly. Each sector has a short and a long module variation.
The floor plan of the modules describes that of a circular ring segment without the overstretched curves of the circle. The outer corner points are always further apart than the inner ones. The area is chosen so that each inhabitant has at least 40m2 of living space available. Living areas for families consist of a combination of several modules. 

Similar to ship containers, the modules have a frame structure which ensures the stability of the module. Windows, doors and openings to other modules are thus possible without difficulty. If two modules meet, they are connected to each other on the frame structure. Thus, one module becomes part of the entire system, which again ensures stabilization. 
The advantage of this system is that the four basic bodies can be manufactured in mass production processes. In addition, the system can be parametrically pre-planned and breakthroughs as well as windows, doors, corridors etc. can be planned. 

Seven modules are stacked on top of each other in sector beta. Here the modules are anchored to each other and to the floor. In sector alpha, the modules are anchored to each other as well as to the floor, the intermediate ceilings and the outer wall. Here 9 modules are stacked on top of each other. 

Die Gebäudemodule werden im Gegensatz zu den großen Strukturen der Stadt nicht im 3d-Druck, sondern mit konventionellen Verfahren gefertigt. Das Konzept sieht vor, dass es vier verschiedene Modulvarianten gibt. Auf Grund der unterschiedlichen Radien der einzelnen Sektoren unterscheiden sich die Grundrisse etwas. Jeder Sektor hat eine kurze und eine lange Modulvariation.
Der Grundriss der Module beschreibt die eines Kreisringsegmentes ohne die Überspannten Kurven des Kreises. Die außen liegenden Eckpunkte sind immer weiter auseinander als die innen liegenden. Die Fläche ist so gewählt, dass jedem Bewohner mindestens 40m2 Wohnraum zu Verfügung stehen. Wohnbereiche für Familien bestehen aus einem Zusammenschluss von mehreren Modulen. 

Die Module besitzen ähnlich wie Schiffscontainer ein Rahmengerüst, welches für die Stabilität des Modules sorgt. Fenster, Türen und Durchbrüche zu anderen Modulen sind so ohne weiteres möglich. Treffen zwei Module aufeinander werden diese am Rahmengerüst miteinander verbunden. Somit wird ein Modul Teil des gesamten Systems, welches somit noch mal für eine Stabilisierung sorgt. 
Der Vorteil von diesem System liegt darin, dass die vier Grundkörper in Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können. Zudem kann das System parametrisch vorgeplant werden und so auch Durchbrüche sowie Fenster, Türen, Flure etc. eingeplant werden. 

Sieben Module werden im Sektor beta übereinandergestapelt. Hier sind die Module miteinander und dem Boden verankert. Im Sektor alpha werden die Module miteinander sowie Boden, den Zwischendecken und der Außenwand verankert. Hier werden 9 Module übereinandergestapelt. 



Light system
Lichtsystem

In my design, it was crucial to me that, if possible, the main lighting of the city be provided by natural daylight. This is due to the fact that the residents can get used to a regular day/night rhythm and the natural light spectrum can be used to supply the plants. This objective was set out in my requirements list at a very early stage in the process and I used it as a guideline in the design process. 
The light transmission system is a key component of the infrastructure planning. The concentrated sunlight generated by the CSP system is to a large extent deflected and directed into the depths of the city. The three pairs of columns play an important role in this process. Within the columns, the light guides run downwards and distribute the light to each floor within the ceiling construction.
There are two solutions for the construction of the light transmission sytsem::

1. glass fiber. The glass fibre bundle would be thickest at the injection. Here one would need one or more light guides for each floor and each of the columns. These would then thin out downwards like the roots of a tree until finally the last floor was supplied with light. 

2. mirrored light guide tubes. Silver coated tubes are already used in some houses and industrial buildings to direct daylight into windowless rooms. Here, for example, the manufacturer Velux has a solution in their portfolio. Normally, the light is captured here via a transparent dome and then directed through the tube system into the house. Finally, the light is scattered with a diffuser in order to achieve a more uniform illumination. 

Both solutions would be possible for my concept. But I consider the system with the mirrored tubes to be easier to implement. Pipes would have to be manufactured on Mars for water and sewage pipelines anyway. Similar to the second system, the concentrated light would be distributed over the entire surface of the ceiling via a diffuser. This provides a smooth and homogeneous illumination of the interior. In addition to the lighting, the luminous ceiling has the advantage that the human eye cannot focus on it and thus cannot estimate the distance. This effect makes the room appear higher and larger than it actually is.  The size of the heliostat field must be chosen so that at least the same light intensity per m2 on the surface of Mars is equal to that of the city. In addition, there is the area for the generation of electricity.  

Bei meinem Entwurf war es mir sehr wichtig, dass nach Möglichkeit die Hauptbeleuchtung der Stadt durch natürliches Tageslicht geschieht. Dies hat einerseits von Hintergrund, dass die Bewohner sich an einem regelmäßigen Tag-/Nachtrhythmus gewöhnen können und des Weiteren, kann das natürliche Lichtspektrum genutzt werden, um die Pflanzen zu versorgen. Diese Zielsetzung habe ich sehr früh im Prozess in meinem Lastenheft festgehalten und mich im Entwurfsprozess daran orientiert. Das Lichtleitersystem ist Grundbestandteil der Infrastrukturplanung. Das konzentrierte Sonnenlicht, welches durch das CSP-System entsteht, wird zum Großteil abgeleitet und in die Tiefen der Stadt gelenkt. Hierbei spielen die drei Säulenpaare eine wichtige Rolle. Innerhalb der Säulen laufen die Lichtleiter nach unten und verteilen das Licht auf jede Etage innerhalb der Deckenkonstruktion.
Für die Konstruktion der Lichtleiter gibt es zwei Lösungen:


1. Glasfaser. Das Glasfaserbündel wäre bei der Einspeisung am dicksten. Hier bräuchte man für Jede Etage und jede der Säulen ein oder mehrere Lichtleiter. Diese würden dann ähnlich wie das Wurzelwerkes eines Baums nach unten hin ausdünnen bis schließlich die letzte Etage mit Licht versorgt wurde. 

2. Verspiegelte Lichtleiterröhren. Silberbedampfte Röhren werden aktuell schon bei einigen Häusern und Fabrikhallen eingesetzt, um Tageslicht in Fensterlose Räume zu leiten. Hier hat zum Beispiel der Hersteller Velux eine Lösung im Portfolio. Im Regelfall wird das Licht hier über eine transparente Kuppel eingefangen und dann durch das Röhrensystem in das Haus geleitet. Abschließend wird mit einem Diffusor das Licht gestreut, um eine flächigere Ausleuchtung zu erhalten. 

Beide Lösungen wären für mein Konzept denkbar. Ich halte aber das System mit den verspiegelten Röhren als einfacher umzusetzen. Rohre müssten ohnehin auf dem Mars für Wasser- und Abwasserleitungen gefertigt werden. Ähnlich wie im zweiten System würde das konzentrierte Licht über Diffusor flächig auf die Unterseite der Decke verteilt. Dies sorgt für eine flächige und homogene Beleuchtung des Innenraums. Neben der Beleuchtung hat die leuchtende Decke den Vorteil, dass das menschliche Auge nicht darauf fokussieren und somit die Entfernung nicht einschätzen kann. Dieser Effekt sorgt dafür, dass der Raum höher und größer wirkt als er tatsächlich ist. 

Die Größe des Heliostatfeldes muss so gewählt sein, dass mindestens dieselbe Lichtintensität pro m2 auf der Marsoberfläche auch derer der Stadt gleicht. Hinzukommend die Fläche für die Erzeugung von Strom.  
Transport system: local and long-distance traffic
Transportsystem: Nah- und Fernverkehr

In addition to conventional elevators in zone alpha, zone delta also has an elevator system that travels along levels and columns, horizontally and vertically. There are three stations per level, each located between the pairs of columns. From here the "pods" travel to the desired station. An intelligent system coordinates the pods' routes so that many pods can travel at the same time and several can stop at the stations. The destination is selected via smart devices that every resident carries with them. 
The pods travel on a rail system with their own powertrain. The electricity is provided via contacts on the rail. A swivel mechanism allows the pods to be brought to the correct boarding height at the stations. When the pods are on the move, they move forward and create clearance between the level and the pod, which increases safety for people on the levels. 
At the interfaces between level and column, where it is possible to switch between horizontal and vertical movement, there is a turnout system with a turntable. A similar system has already been developed by the manufacturer Thyssenkrupp. 

In addition to local transport, there are also long-distance connections. A system based on the hyperloop makes sense here. Due to the thin atmosphere, less energy is needed to evacuate the tunnels. It would be possible for the trains to arrive in a lock area close to the city in zone alpha, where the lock area is supplied with atmosphere and the passengers can leave the train normally. It is important here that there is redundancy in the locks and that the pressure existing in the city cannot suddenly escape. The same applies to entrances to the tower and the surface. 

Neben konventionellen Aufzügen in Zone alpha gibt es in Zone delta ein Aufzugsystem, welches entlang der Ebenen und Säulen fährt, horizontal und vertikal. Pro Ebene gibt es drei Stationen, die sich jeweils zwischen den Säulenpaaren befinden. Von hier aus fahren die "pods" zu der gewünschten Station. Ein intelligentes System koordiniert die Fahrwege der Pods, sodass viele Pods gleichzeitig unterwegs sein können und auch mehrere an den Stationen halten können. Das wählen des Zielortes passiert über smart devices die jeder Bewohner mit sich trägt. 
Die Pods fahren auf einer Art Schienensystem, mit eigenem Antrieb. Den Strom gewinnen Sie durch Kontakte an der Schiene. Ein Schwenkmechanismus erlaubt es den Pods sich auf die korrekte Einstiegshöhe bei den Stationen zu bringen. Sind die Pods unterwegs, schenken sie sich nach vorne und bringen somit die Distanz zwischen Ebene und Pod, welches die Sicherheit für Personen auf den Ebenen erhöht. 
An den Schnittstellen zwischen Ebene und Säule, wo zwischen horizontalem und vertikalem verfahren gewechselt werden kann gibt es ein Weichensystem mit einer Drehscheibe. Ein ähnliches System ist bereits vom Hersteller Thyssenkrupp entwickelt worden  

Neben dem Nahverkehr gibt es auch Fernverkehrsanbindungen. Ein System auf Basis des Hyperloops sehe ich hier als sinnvoll. Auf Grund der dünnen Atmosphäre bedarf es weniger Energie, um die Tunnel zu evakuieren. Hier wäre es denkbar, dass die Züge in einen Schleusenbereich nah an der Stadt in Zone alpha ankommen, dort wird der Schleusenbereich mit Atmosphäre versorgt und die Passagiere können den Zug normal verlassen. Wichtig hierbei wäre, dass es eine Redundanz in den Schleusenanlagen gibt und der Druck, der in der Stadt herrscht nicht plötzlich entweichen kann. Ähnliches gilt für Zugänge in den Turm und Oberfläche. 
Water cycle and supply
Wasserkreislauf und -Versorgung

In addition to the light transmission system, the main water supply also runs through the pairs of columns. Above the city there is a large water reservoir, which on the one hand protects the underlying city from radiation and on the other hand uses the potential energy to transport the water into the city by gravity. The water then passes through two separate circuits. The dirty water from the toilet is fed directly into the sewage treatment plant. Water from the shower and washbasin is first led through the floor to the plants and trees in the gamma sector. The excess water then also flows towards the treatment plant. 
The pre-purified water is then led through the geothermal power plant and evaporates there under great heat. The water vapour rises again in pipes parallel to the light guide system in the columns. To prevent the water vapor from condensing in the tubes, they are heated by parts of the concentrated sunlight. Once at the top, the water condenses and is returned to the cycle. 
Nevertheless, fresh water must be added to the circuit regularly. On the one hand the growing plants bind more and more water and on the other hand the water is also used for the production of oxygen. The water can be replenished either by underground storage or by transport from external sources. 

Neben dem Lichtleitersystem verläuft in den Säulenpaaren auch die Hauptwasserversorgung. Oberhalb der Stadt gibt es einen großen Wasserspeicher, der einerseits die unterliegende Stadt vor Strahlung schützt und andererseits die potenzielle Energie nutzt, um das Wasser durch die Schwerkraft in die Stadt zu befördern. Das Wasser durchläuft dann zwei getrennte Kreisläufe. Das Schmutzwasser aus der Toilette wird direkt in die Kläranlage geleitet. Wasser aus Dusche und Waschbecken wird zunächst durch den Boden zu den Pflanzen und Bäumen im Sektor gamma geleitet. Das überschüssige Wasser fließt dann ebenfalls in Richtung Kläranlage. 
Das vorgereinigte Wasser wird dann durch das Geothermalkraftwerk geleitet und verdampft dort unter großer Hitze. Der Wasserdampf steigt in Rohren parallel zu dem Lichtleitersystem in den Säulen wieder empor. Damit der Wasserdampf nicht in den Rohren kondensiert, werden diese durch teile des konzentrierten Sonnenlichts aufgeheizt. Oben angekommen, kondensiert das Wasser und wird dem Kreislauf rück geführt. 
Dennoch muss dem Kreislauf regelmäßig frischen Wasser hinzugeführt werden. Einerseits binden die wachsenden Pflanzen immer mehr Wasser und des Weiteren Wird das Wasser auch für die Produktion von Sauerstoff verwendet. Die Nachspeisung des Wassers kann entweder durch unterirdische Einlagerungen stattfinden oder durch den Transport von externen Quellen. 

Back to Top