IDEATION AND CONCEPTION 1

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

Ideation and design development
Ideen- und Formfindung

In the following processes, alternating between ideation through sketching and research, different ideas and approaches to the problem were developed. The ideas were then classified into different types and then combined to generate new ideas. Due to the constantly new information from the research, some concepts crystallized as better suited. These were then processed further until the decision was finally made on the final concept. 

Subsequently, a second ideation phase was initiated, which only dealt with the chosen concept. Here different variants were played through and evaluated. Somewhat problematic was the fact that small changes quickly had a big impact on the system. Therefore I started early in the process to build some system configurations in Grasshopper. Thus changes could be played through faster. Read more in the chapter CAD and Visuals. Finally I decided on the following concept. 

In den folgenden Prozessen, abwechselnd zwischen ideation durch Skizzieren und Research , entstanden unterschiedliche Ideen und Herangehensweisen an die Problemstellung. Die Ideen wurden dann anschließend in unterschiedliche Typen eingeordnet und anschließend kombiniert um neue Ideen zu generieren. Durch die stetig neuen Informationen aus der Recherche kristallisierten sich einige Konzepte als besser geeignet heraus. Diese wurden dann weiter bearbeitet bis schließlich die Entscheidung auf das finale Konzept fiel. 

Im Folgenden wurde dann eine zweite Ideation-Phase eingeleitet, welche sich nur mit dem gewählten Konzept befasste. Hier wurde verschiedene Varianten durchgespielt und bewertet. Etwas problematisch war hierbei, dass schnell kleine Änderungen große Auswirkungen auf das System hatten. Daher fing ich früh im Prozess an einige Systemkonfigurationen in Grasshopper aufzubauen. Somit konnte änderungen schneller durchgespielt werden. Mehr dazu im Kapitel CAD and Visuals. Schließlich legte ich mich auf das folgende Konzept fest. 
Structure
Struktur

Due to the lack of atmosphere and magnetic field on Mars, the inhabitants have no choice but to go underground or build massive shields over the living areas. It is important that at least 5m of mass lies between humans and radiation. 

For my concept I decided to move the city underground. This has some advantages. On the one hand all inhabitants are protected from the radiation and small meteorite impacts. Furthermore, it can be assumed that with increasing depth the surrounding gets warmer. Similarly as this is the case here on earth. Thus the energy consumption for heating the city could be reduced. As already described in the chapter Research, it is assumed that underground water resources exist. Water is the key to the survival of a larger civilization on Mars. My concept envisions that a large part of the excavation can be used to cover the uppermost part of the city. So the hole doesn't have to be drilled as deep anymore. Furthermore, the excavation can be used to create level surfaces for the energy supply. More about this in the subchapter Energy supply. 

The city forms the basic form of a cylinder. This has manufacturing backgrounds. In addition, the concept is easily scalable in its dimensions. The body is subdivided into levels, each 30m apart in height. The levels are held by three pairs of columns. The pairs of columns form the backbone of the construction on the one hand and the basis for the means of local transport on the other. Read more about this in the Transport Systems section.

Auf Grund der mangelnden Atmosphäre und Magnetfeld auf dem Mars bliebt den Bewohnern keine andere Möglichkeit als unter die Erde zu gehen, oder massive Schutzschilde über die Wohnbereiche zu bauen. Wichtig hierbei ist, dass mindestens 5m an Masse zwischen Menschen und Strahlung liegen. 

Bei meinem Konzept entschloss ich mich dazu die Stadt unter die Erde zu verlegen. Dies hat einige Vorteile. Einerseits sind so alle Bewohner vor der Strahlung und kleinen Meteoriteneinschlägen geschützt. Des Weiteren ist davon auszugehen, dass mit zunehmender Tiefe das Umfeld wärmer wird. Ähnlich wie dies hier auf der Erde der Fall ist. Somit könnte der Energieverbrauch zum Heizen der Stadt verringert werden. Wie bereits im Kapitel Research beschrieben, geht man davon aus, dass unterirdische Wasservorkommen existieren. Wasser ist die Voraussetzung, dass eine größere Zivilisation auf dem Mars überleben kann. Mein Konzept sieht vor, dass ein Großteil des Aushubes genutzt werden kann, um einerseits den obersten Teil der Stadt abzudecken. So muss das Loch nicht mehr so tiefgebohrt werden. Des Weiteren kann der Aushub genutzt werden, um ebene Flächen für die Energieversorgung zu schaffen. Mehr dazu im Unterkapitel Energieversorgung. 

Die Stadt bildet als Grundform die eines Zylinders. Dies hat fertigungstechnische Hintergründe. Zudem ist das Konzept somit einfach in den Ausmaßen skalierbar. Unterteilt ist der Körper in Ebenen, welche jeweils 30m Abstand in der Höhe zueinander haben. Die Ebenen werden durch drei Säulenpaare gehalten. Die Säulenpaare bilden einerseits das Rückgrat der Konstruktion und die Basis für das Nahverkehrsmittel. Mehr dazu im Bereich Transportsysteme.​​​​​​​

Cross-section of the underground part of the city

City construction: drilling and 3d printing process
Stadtbau: Bohrung und 3D-Druck Prozess

The city construction can be divided into several phases: 

Der Stadtbau kann in mehrere Phasen unterteilt werden:​​​​​​​

Phase 1: Excavation of the hole. First, a test drilling is carried out in order to have an assessment of the composition of the rock layers on the one hand, and on the other hand this test drilling can be used as a guide for the main borer. Since gravity on Mars only corresponds to about 1/3 of the Earth's gravitational pull, additional pressure must be applied to generate a large amount of excavation. There are two possible aids for this. On the one hand, the hole of the test drill can be used to generate back pressure with an anchor. Furthermore, two milling cutters rotating against each other can ensure that the drill presses itself against the ground.
The excavated material is then transported upwards via conveyor belts and distributed directly to the surrounding surfaces in order to obtain a uniform surface. This is important for the later use of the surface by the Heliostats.
While the drill is digging deeper and deeper in a spiral, a casing made of sulphur concrete is being printed. Part of the excavated material is mixed with sulphur and then heated. The result is a hot, liquid sulphur concrete which can be shaped by extrusion. As soon as the concrete cools, it hardens. The sulphur concrete is reinforced with metal or carbon fibre reinforcements. 

Phase 2: As soon as the desired depth has been reached, the drill moves up one level on the printed outer facade and prints the base of the three pairs of columns. Reinforcements and supports for the level system are then inserted. Then the rough ceiling structure is printed on it. The process is then repeated until all the levels and columns are in place.  

Phase 2b: 
In the process of the second phase, the building modules are inserted into the system and anchored together. The general work will therefore still take place under Mars atmosphere. Important system components such as large water pipes or the infrastructure core with sewage treatment plant, geothermal power plant etc. are also installed at the foot of the building in the "basement". 

Phase 3: The structure of the system is still under Mars atmosphere. As long as large parts still have to be lowered into the system, it remains open.  Next, the hole in the pilot hole would be deepened and connected to the geothermal power plant. In the same stage of the process, the system is connected to the long-distance transport system. This is done using conventional tunnel drills. 

Phase 4: As soon as the power plant is ready for operation and the long-distance connection has been completed, the system is closed and construction of the tower can begin. While the tower is being built, locks are being installed in the system. The system can then be filled with atmosphere. 

Phase 5: Once the tower is operational and the system is operated under the earth's atmosphere, the final interior can be completed.

Phase 6. Residents move in. 

Phase 1: Aushub des Loches. Zunächst wird eine Probebohrung durchgeführt, um einerseits eine Einschätzung über Beschaffenheit der Gesteinsschichten zu haben, zum anderen kann diese Probebohrung als Führung für den Hauptbohrer genutzt werden. Da die Schwerkraft auf dem Mars nur etwa 1/3 der Anziehungskraft der Erde entspricht, muss zusätzlich Druck aufgewandt werden, um einen großen Abtrag zu generieren. Hierzu gäbe es zwei mögliche Hilfsmittel. Zum einen kann das Loch der Probebohrung genutzt werden, um mit einem Anker Gegendruck zu erzeugen. Des Weiteren können zwei gegeneinander drehende Fräser dafür sorgen, dass sich der Bohrer gegen den Grund presst.
Der Aushub wird dann über Förderbänder nach oben geleitet und direkt auf die umliegenden Flächen verteilt, um dort eine Homogenisierung der Oberfläche zu erzielen. Dies ist wichtig für die spätere Nutzung der Fläche durch die Heliostaten.


Während sich der Bohrer spiralförmig immer tiefer gräbt, wird eine Schalung aus Schwefelbeton gedruckt. Hierzu wird ein Teil des Aushubes mit Schwefelvermengt und anschließend erhitzt. Das Resultat ist ein heißer, flüssiger Schwefelbeton, welcher im Extrusionsverfahren in Form gebracht werden kann. Sobald der Beton erkaltet, härtet dieser aus. Verstärkt wird der Schwefelbeton mit Armierungen aus Metall oder Kohlefaser. 

Phase 2: Sobald die erwünschte Tiefe erreicht wurde, schiebt sich der Bohrer an der gedruckten Außenfassade um eine Ebene nach oben und druckt in diesem Zuge die Basis der drei Säulenpaare. Anschließend werden Verstärkungen und Stürze für das Ebenen System eingebracht. Anschließend wird die grobe Deckenstruktur darauf gedruckt. Anschließend wiederholt sich der Prozess bis alle Ebenen und die Säulen stehen. 

Phase 2b: 
Im Zuge der zweiten Phase werden die Gebäudemodule im System eingebracht und miteinander verankert. Die Groben arbeiten finden somit noch unter Marsatmosphäre statt. System wichtige Bestandteile wie große Wasserleitungen oder der Infrastrukturkern mit Klärwerk, Geothermalkraftwerk etc. wird ebenfalls am Fuße des Gebäudes im "Keller" aufgebaut. 

Phase 3: Der Rohbau des Systems steht und befindet sich weiterhin unter Marsatmosphäre. Solange noch große Teile in das System herabgelassen werden müssen, bleibt es offen. Als nächstes würde das Loch der Probebohrung vertieft und an das Geothermalkraftwerk angeschlossen werden. Im gleichen Prozessschritt wird das System an das Fernverkehr System angeschlossen. Dies passiert über herkömmliche Tunnelbohrer. 

Phase 4. Sobald das Kraftwerk einsatzbereit ist und der Fernverkehrsanschluss fertig gestellt wurde, wird das System verschlossen und mit dem Aufbau des Turmes kann begonnen werden. Während der Turm gebaut wird, werden Schleusen im System eingebracht. Anschließend kann das System mit Atmosphäre befüllt werden. 

Phase 5. Nachdem der Turm funktionsfähig ist und das System unter Erdatmosphäre betrieben wird, kann der finale Innenausbau stattfinden.

Phase 6. Einzug der Bewohner. 
alpha
beta
gamma
delta
Four zone system
Vierzonensystem

The system is divided into four areas, which are arranged into each other as circular rings. From outside to inside:

Das System ist in vier Bereich unterteilt, welche als Kreisringe ineinander liegen. Von außen nach innen:

alpha: This zone describes the urban context in the outermost belt of the city. The main component of this zone is a large pedestrian passage, which connects the alpha area and parts of beta. In addition to residential areas, the outermost buildings contain shopping facilities, workrooms, vertical farming and connections to the long-distance transport system. In the inner buildings there are mainly residential units and public facilities such as schools. Alpha is characterised by striving upwards. With a room height of 176m, this zone represents the second highest room in the system. This height is only partially interrupted. On the one hand by further pedestrian passages on the inner side, which protrude every 30m and thus five times into the room. Furthermore by pedestrian bridges, which connect the higher floors of the inner and outer belt. 

alpha: Diese Zone beschreibt den urbanen Kontext im äußersten Gürtel der Stadt. Hauptbestandteil dieser Zone ist eine große Fußgänger Passage, welche den Bereich alpha und Teilbereiche von beta miteinander verbinden. In den Äußeren Gebäuden befinden sich neben Wohnbereichen auch Einkaufsmöglichkeiten, Arbeitsräume, Vertical Farming und die Anbindung an das Fernverkehrssystem. In den Inneren sind vorwiegend Wohneinheiten und öffentliche Einrichtungen wie Schulen zu finden. Alpha zeichnet sich durch ein streben in die Höhe aus. Mit einer Raumhöhe von 176m stellt diese Zone den zweithöchsten Raum im System dar. Unterbrochen wird diese Höhe nur teilweise. Einerseits durch weitere Fußgänger Passagen auf der Innenseite, welche alle 30m und somit fünf Mal in den Raum hereinragen. Des Weiteren durch Fußgängerbrücken, welche die höheren Stockwerke des inneren und äußeren Gürtels miteinander verbinden. 

beta: This area is one step further within the system. This area is mainly characterised by residential modules and public facilities. Furthermore, there are front gardens and green roofs and roof terraces, thus coming closest to the suburban context. The room height here corresponds to approx. 30m. Up to seven building modules are stacked on top of each other. 
By stacking modules of different lengths and leaving out modules, surfaces and openings are created that can be used as social spaces. In the beta sector, all accessible roofs of the modules are greened and made usable as terraces. Larger openings can be used as passageways to the external passages. The green areas in front of the building units or terraces in this area are used on the one hand for leisure activities and on the other hand for growing fruit and vegetables. This cultivation does not serve as a main source of food, but it should encourage the inhabitants to engage with food production and strengthen the community. The major foods are produced in vertical farms. 

beta: Dieser Bereich befindet sich eine Stufe weiter innen im System. Geprägt ist dieser Bereich vor allem durch Wohnmodule und öffentliche Einrichtungen. Des Weiteren gibt es Vorgärten und begrünte Dächer und Dachterrassen und kommt somit dem Vorstädtischen Kontext am nächsten. Die Raumhöhe entspricht hier ca 30m. Bis zu sieben Gebäudemodule sind hier aufeinandergestapelt. 
Durch das stapeln von unterschiedlich langen Modulen sowie dem weg lassen von Modulen, werden Flächen und Öffnungen geschaffen die als social-spaces genutzt werden können. Im Sektor beta werden alle zugänglichen Dächer begrünt und oder als Terrasse nutzbar gemacht. Größere Durchbrüche können als Durchgänge zu den außenliegenden Passagen genutzt werden. 
Die Grünflächen vor den Gebäudeeinheiten oder Terrassen in diesem Bereich werden einerseits zur Freizeitgestaltung, andererseits auch zum Anbau von Obst und Gemüse genutzt. Dieser Anbau dient nicht als Hauptnahrungsquelle, er soll jedoch die Bewohner ermutigen sich mit der Nahrungsmittelproduktion auseinander zu setzten und die Nachbarschaft bestärken. Die Hauptnahrungsmittel werden in den vertikalen Farmen produziert. 


gamma: beta and gamma are divided by a circular footpath. The front gardens now form parks and near-natural regions. There are no paths and you have to walk on the grass. This should help to relax and actively experience nature. The parks are planted intensely and reach deep into the system, up to the delta area. This area serves above all as a recreation area, social meeting point and for leisure activities including sports fields. In addition to nature as a recreational area, the plants and trees also serve as a climate regulator in the system and for oxygen production. 

gamma: beta und gamma werden durch einen umlaufenden Fußweg geteilt. Aus den Vorgärten werden nun in diesem Bereich Parkanlagen und naturnahe Gebiete. Es gibt keine Wege, sondern man muss durch das Grass laufen. Dies soll zum Entschleunigen und aktiven Empfinden der Natur betragen. Die Parkanlagen sind stark bepflanzt und reichen tief in das System hinein, bis zum Bereich delta. Dieser Bereich dient vor allem als Erholungsgebiet, sozialer Treffpunkt und zur Freizeitgestaltung inklusive Sportplätze. Neben der Natur als Erholungsgebiet dienen die Pflanzen und Bäume hier auch zur Regulierung des Klimas im System sowie zur Sauerstoffproduktion. 

delta: Delta describes the innermost part of the system. This area is characterized by its airiness and height, as there is a large circular cutout on each floor. This makes it possible to see the other levels and provides a feeling of spaciousness. Furthermore, this open space enables the delivery of large goods via a crane system or aircraft. In addition, this free space ensures good air exchange within the city. 

delta: Delta beschreibt den innersten Teil des Systems. Dieser Bereich zeichnet sich durch seine Luftigkeit und Höhe aus, denn hier befindet sich in jeder Etage ein großer kreisrunder Ausschnitt. Dieser ermöglicht es die anderen Etagen zu sehen und vermittelt ein Gefühlt von Weite. Des Weiteren ermöglicht dieser offene Raum die Anlieferung von großen Gütern über ein Kransystem oder Flugmaschinen. Zudem sorgt dieser Freiraum für einen guten Luftaustausch innerhalb der Stadt. ​​​​​​​

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