Diploma thesis by Alexander Kaula under the guidance of Prof. Tom Philipps
Diplomarbeit von Alexander Kaula unter Betreuung von Prof. Tom Philipps
Intro
Intro

A race to Mars is currently taking place. In addition to NASA and ESA, private organisations are now also striving to reach this destination. All ahead Elon Musk with Space-X. According to Musk, the first humans will land on Mars in 2024. The first step for a Zmultiplanetary civilization, the dawn of a new era. The Planet Mars is very cold, barren and hostile to life. Without protection, man would be dead within seconds. The radiation exposure on the surface is very high because there is no protective magnetic field. Nevertheless, Mars is currently the best destination for building a colony outside of Earth. The first settlements would be primitive and heavily dependent on Earth‘s supplies. But what would a self-sufficient civilization look like on Mars? How will people live there in 100 years? 

MARVA is a city concept that relies on in-situ materials for construction, offers daylight and large gardens that invite people to spend their leisure time or to relax. 
A hybrid energy system protects against the failure of vital systems. MARVA is the attempt to make life under the earth worth living on the barren planet Mars. 

Es findet aktuell ein Wettlauf zum Mars statt. Neben NASA und ESA streben nun auch private Organisationen dieses Reiseziel an. Allen voraus Elon Musk mit Space-X. 2024 sollen laut Musk die ersten Menschen auf dem Mars landen. Der erste Schritt für eine multiplanetare Zivilisation, der Anbruch einer neuen Zeit. Der Planet Mars ist sehr kalt, karg und lebensfeindlich. Ohne Schutz wäre der Mensch innerhalb von Sekunden tot. Die Strahlenbelastung auf der Oberfläche ist sehr große, da es kein schützendes Magnetfeld mehr gibt. Dennoch ist der Mars das aktuell beste Ziel für den Aufbau einer Kolonie außerhalb der Erde. Die ersten Siedlungen wären primitiv und stark von den Lieferungen der Erde abhängig. Doch wie sähe eine autarke Zivilisation auf dem Mars aus? Wie Leben die Menschen dort in 100 Jahren?

MARVA ist ein Stadtkonzept und setzt auf Insitu-Materialien zum Bau. Bietet Tageslicht sowie große Parkanlagen, die zur Freizeitgestaltung oder Erholung einladen. Ein Hybrid-Energie-System schützt vor dem Ausfall lebenswichtiger Systeme. MARVA ist der Versuch das Leben unter der Erde, auf dem kargen Planeten Mars lebenswert zu gestalten.
Research
Recherche

Mars has very different characteristics from Earth. It was therefore important to gain a basic understanding of the limitations and advantages of Mars. Much of the project time was invested in research. The following important points were identified:

There is a very high radiation exposure on the surface of Mars. Therefore, it would make sense to move the habitat under ground. 
Since all vital systems are dependent on the power supply, it is important that it always works and there are backup systems. The problem with solar energy is that there are large storms on Mars, some of which last for months. Thus the power supply can break down purely via solar. I decided on a hybrid system consisting of CSP (concentrated solar power), SBSP (space based solar power) and geothermal energy. 

Oxygen generation is fundamental to life on Mars. There are many ways to do this. The fastest and easiest way would be to split water by electrolysis. To do this, however, water would first have to be available. Another possibility is currently being prepared by NASA for a test on the 2020 Mars rover: MOXIE. Similar to plants, this system generates oxygen from CO2. 

Water is essential for human life. Therefore it is important either to encounter water ice or to dissolve it from hydrogenated rock. This can be done by several methods. One would be to heat the rock to over 500°C - let the water evaporate and collect it again by condensation. 

To build something on Mars, it makes sense to use in situ materials. I.e. to use only material which can be found on Mars. An alternative to the conventional concrete with cement as binder would be sulphur concrete. It has many advantages in comparison. One of the biggest advantages is that it is reusable. 

Der Mars hat ganz andere Eigenschaften als die Erde. Daher war es wichtig, ein grundlegendes Verständnis über die Einschränkungen und Vorteile auf dem Mars in Erfahrung zu bringen. Ein Großteil der Projektzeit wurde in die Recherche investiert. Dabei wurden folgende wichtige Punkte herausgefunden:

Auf der Marsoberfläche herrscht eine sehr hohe Strahlungsbelastung. Daher wäre es sinnvoll das Habitat unter die Erde zu verlegen. 

Da alle lebenswichtigen Systeme von der Stromversorgung abhängig sind, ist es wichitg, dass diese immer funktioniert und es backup systeme gibt. Das Problem mit Solarenergie ist, dass es auf dem Mars große Stürme gibt, die teilweise über Monate hinweg anhalten. Somit kann die Stromversorgung rein über Solar einbrechen. Ich entschloss mich zu einem Hybrid-System aus CSP (concentrated solar power), SBSP (space based solar power) und Geothermaler Energie. 

Sauerstoffgeneration ist fundamental für das Leben auf dem Mars. Hierzu gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten. Die schnellste und einfachste Möglichkeit wäre das Spalten von Wasser über Elektrolyse. Hierzu müsste allerdings zunächst Wasser vorliegen. Eine andere Möglichkeit wird gerade von der NASA für einen Test auf dem 2020 Marsrover vorbereitet: MOXIE. Dieses System generiert ähnlich wie Pflanzen aus CO2, Sauerstoff. 

Wasser ist für den Menschen lebensnotwendig. Daher ist es wichtig entweder auf Wassereis zu stoßen oder es aus hydriertem Gestein zu lösen. Dies kann über mehrere Methoden passieren. Eine wäre es, das Gestein auf über 500°C zu erhitzen - das Wasser verdampfen zu lassen und es durch Kondensation wieder aufzusammeln. 
Um auf dem Mars etwas zu bauen, ist es Sinnvoll Insitu-Materialien zu verwenden. D.h. nur Material zu nutzen, welches auf dem Mars vorzufinden ist. Eine Alternative zum klassischen Beton mit Zement als Bindemittel, wäre Schwefelbeton. Dieser hat im Vergleiche viele Vorteile. Eine der größten Vorteile ist, dass er wiederverwendbar ist. 
Aspiration
Zielsetzung

What will life on Mars look like in 100 years? What kind of habitats are there and what do cities look like? This question was the starting point for my exploration of the topic and the research.
First, I created a matrix of CES criteria based on the CESAR method in order to determine the weighting of the project. As a result of the matrix, two main topics crystallized. On the one hand the experience and on the other hand the system.

Experience: Users, project-relevant emotions and human/product interface were the focus here. It was important to me that life on a barren planet like Mars still offers a quality of life.

System: main and sub-functions, materiality, construction, production and manufacturing processes and assembly. Sending large and heavy elements to Mars is very expensive. This is because there is a so-called gear ratio problem. It takes 226 tonnes of fuel to get one tonne away from Earth. This ratio results in the fact that the heavier the load, the larger or stronger the rocket has to be. It therefore makes sense to use as many resources as possible directly on Mars.
Both focal points have been laid out in a requirements list.

Wie sieht das Leben auf dem Mars in 100 Jahren aus? Welche Form von Habitaten gibt es und wie sehen Städte aus? Diese Fragestellung war der Startpunkt für meine Auseinandersetzung mit der Thematik und dem Research. 
Zunächst erstellte ich auf Basis der CESAR Methode eine Matrix der CES-Kriterien auf, um eine Gewichtung des Projektes festzulegen. Resultierend aus der Matrix kristallisierten sich zwei Themenschwerpunkte heraus. Zum einen die Experience und zum anderen das System. 

Experience: Nutzer, projektrelevante Emotionen und Schnittstelle Mensch/Produkt waren hier der Fokus. Mir war wichtig, dass das Leben auf einem kargen Planeten wie dem Mars dennoch eine gewisse Wohn- und Lebensqualität bietet. 

System: Haupt- und Teilfunktionen, Materialität, Konstruktion, Produktion und Herstellungsverfahren und Montage. Große und schwere Elemente auf den Mars zu schicken ist sehr teuer. Dies liegt daran, dass es eine sogenannte Gear-Ratio-Problematik gibt. Um eine Tonne von der Erde weg zu bringen, bedarf es 226 Tonnen Treibstoff. Dieses Verhältnis sorgt dafür, dass je schwerer die Ladung ist, desto größer bzw. stärker muss die Rakete sein. Daher ist es sinnvoll so viele Ressourcen wie möglich direkt auf dem Mars zu nutzen. 
Beide Schwerpunkte wurden in einem Anforderungskatalog festgehalten. 
Ideation
Ideenfindung

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. 

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. 
Design
Gestaltung

When designing the system elements and architecture of the city, I was inspired by brutalism. On the one hand I like this style very much and on the other hand it fits well to the materials used. Brutalism comes from "beton brut" (French raw concrete). The main architectural elements of my concept are all based on sulphur concrete. Brutalism was also known for the fact that the buildings displayed honesty by visualizing the function of the elements. So I tried to create a visible structural element with my three pairs of columns, which at the same time allows exciting perspectives and also conveys a feeling of scale. 

As already mentioned at the beginning, it was very important to me that the inhabitants did not have the feeling of being locked up underground. That's why I wanted to generate as much free space and views as possible. I tried to solve this with several effects. 
On the one hand the sheer size of the system itself. If a resident stands in front of a building in zone beta and looks towards delta, he can look to the other side 300m away. In addition, the viewer not only sees the opposite side, but also several other levels, depending on the viewing angle. If the viewer stands on the top floor and looks down, he can see all the other 17 floors and looks almost 500m into the depth. The size ratio of system to person was very important to me. The feeling of looking towards the horizon and being able to lose one's view in the endless expanse, is what I tried to recreate here. 
Another effect are the fully illuminated ceilings. Because the eye has no possibility to focus, we perceive it as vastness and associate it with the sky. 
It was also very important to me that the inhabitants of the city would never see the raw wall of the drilled hole. Because this communicates that there is no more city around. So I arranged the outer wall completely with building units and opened the system to the inside. If you are in the city, you can look in any direction and either look into the distance, at nature or at buildings. The choice that in section beta the buildings are only 7 floors high allows the viewer to look through to section alpha. This results in a staggering of the depths. If an observer stands in nature and looks in the direction of beta, he has in the foreground the nature of trees, plants and people who spend their leisure time, in the middle ground then front gardens and buildings in sector beta. In addition, however, there is a background far into the alpha section. 

When designing the architectural elements, I deliberately reduced the formal characteristics to the essential. The column pairs and levels should move into the background and serve as a stage for life in the city. Comparable to a simple shelf. The shelf defines the structure, life and chaos take place within the structures. 
The variations of the building modules in size and arrangement create a natural restlessness which, however, does not excite by the reduction in the design of the elements, but arouses interest and invites the eye to explore. Slightly different colour shades due to the production method as well as the individual use of the social spaces make every viewing angle in the building unique. 

I used two colour palettes for my selection. One is that of nature with green tones, blossom colours and brown tones. The other is shades from grey to pure white. I deliberately did without the reddish colour of Marsregolith. There are two reasons for this. First, I wanted a clear separation of the city and the surface of Mars. On the other hand, Mars regolith that has been carried inside the city can be quickly detected. As described in the research section, the very fine regolith contains toxic ingredients that you don't want to have in the city. 

Bei der Gestaltung der Systemelemente und Architektur der Stadt habe ich mich vom Brutalismus inspirieren lassen. Einerseits gefällt mir dieser Stil sehr gut und andererseits passt dieser Stil gut zu den verwendeten Materialien. Brutalismus kommt von "beton brut" (franz. roher Beton). Die architektonischen Hauptelemente meines Konzepts sind alle auf Basis von Schwefelbeton. Des Weiteren war der Brutalismus dafür bekannt, dass die Gebäude eine Ehrlichkeit ausstrahlten in dem sie die Funktion der Elemente sichtbar machten. So habe ich versucht durch meine drei Säulenpaare ein sichtbares Strukturelement zu schaffen, welches aber gleichzeitig spannende Blickwinkel ermöglicht und auch ein Gefühl von Größe vermittelt. 
Wie bereits am Anfang geschildert war es mir sehr wichtig, dass die Bewohner nicht das Gefühl haben unter der Erde eingesperrt zu sein. Daher wollte ich so viel freie Fläche und Blicke wie möglich generieren. Dies habe ich versucht durch mehrere Effekte zu lösen. 

Zum einen die schiere Größe des Systems an sich. Steht ein Bewohner vor einem Gebäude in Zone beta und blickt Richtung delta, so kann er bis auf die andere 300m entfernte Seite schauen. Hinzu kommt, dass der Betrachter nicht nur die gegenüberliegende Seite sieht, sondern je nach Blickwinkel auch mehrere andere Etagen. Steht der Betrachter auf der obersten Etage und Blick nach unten so kann er alle weiteren 17 Etagen betrachten und schaut fast 500m in die Tiefe. Das Größenverhältnis von System zu Menschen war mir sehr wichtig. Das Gefühl Richtung Horizont zu schauen und den Blick in der endlosen Weite verlieren zu können, habe ich versucht hier nachzuempfinden. Ein weiterer Effekt sind die voll flächig leuchtenden Decken. Dadurch, dass das Auge hier keine Möglichkeit hat zu fokussieren empfinden wir es als Weite und assoziieren damit den Himmel. 

Sehr wichtig war mir ebenfalls, dass die Bewohner der Stadt niemals die rohe Wand des Bohrloches zu Gesicht bekommen. Denn dies vermittelt, dass hier die Stadt zu Ende ist. Daher habe ich die Außenwand komplett mit Gebäudeeinheiten arrangiert und das System nach innen geöffnet. Ist man in der Stadt kann man in jede Richtung blicken und schaut entweder in die Weite, die Natur oder auf Gebäude. Die Wahl, dass in Sektion beta die Gebäude nur 7 Stockwerke hoch sind, ermöglicht dem Betrachter ein hindurchblicken zu Sektion alpha. Somit ergibt sich eine Staffelung der Tiefen. Steht ein Betrachter in der Natur und Blick in Richtung beta so hat er im Vordergrund die Natur aus Bäumen, Pflanzen und Menschen, die ihrer Freizeit nachgehen, im Mittelgrund dann Vorgärten und Gebäude in Sektor beta. Darüber hinaus ergibt sich aber ein Hintergrund weit bis in Sektion alpha hinein. 
Bei der Gestaltung der architektonischen Elemente habe ich gewollt die formale Ausprägung stark auf das wesentliche reduziert. Die Säulenpaare und Ebenen sollen in den Hintergrund rücken und dem Leben in der Stadt als Bühne dienen. Vergleichbar mit einem einfachen Regal. Das Regal gibt die Struktur vor, das Leben und Chaos spielt sich innerhalb der Strukturen ab. 
Die Variationen der Gebäudemodule in der Größe und Anordnung schafft eine natürliche Unruhe, die aber durch die Reduktion in der Gestaltung der Elemente nicht aufregt, sondern Interesse weckt und das Auge zum Entdecken einlädt. Leicht unterschiedliche Farbtöne auf Grund der Produktionsweise sowie das individuelle bespielen der social spaces macht somit jeden Blickwinkel im Gebäude einzigartig. 

Bei der Farbwahl habe ich mich zweier Farbpaletten bedient. Das eine ist die der Natur mit Grüntönen, Blütenfarben und Brauntönen. Das Andere sind Abstufungen von Grau bis hin zu einem reinen Weiß. Auf die rötliche Farbe des Marsregolith habe ich absichtlich verzichtet. Dies hat zwei Gründe. Zum einen wollte ich eine klare Trennung von Stadt und Marsoberfläche. Zum anderen kann so verschlepptes Marsregolith in der Stadt schnell erkannt werden. Wie im Rechercheteil beschrieben enthält das sehr feine Regolith giftige Inhaltsstoffe, die man nicht in der Stadt haben möchte. ​​​​​​​
Results
Ergebnisse

Since the UX was a big part of the conception, I focused on the visualization of five renderings of the respective areas of the city. A poster was designed to show the system structure. The posters were presented to the public at the exhibition of the design department. 

Da die UX ein große Teil der Konzeption aus machte, fokussierte ich mich für diesen Bereich auf die Visualisierung von 5 Renderings zu den jeweiligen Bereichen der Stadt. Ein Plakat wurde gestaltet um den Systemaufbau darzustellen. Die Plakate wurden bei der Ausstellung des Fachbereichs Gestaltung der Öffentlichkeit präsentiert. 
MARVA_outside
MARVA_außen

Astronauts are looking at the distant CSP Tower of the city of Marva. 15,000 heliostats concentrate the sunlight at one point at the top of the tower. The light is directed downwards by mirror elements inside the tower, where it is used to generate electricity and illuminate the city. Power is supplied by generating steam and driving a turbine. At night, the energy gained can be stored in the form of liquid salt. 

Astronauten schauen auf den fernen CSP-Turm der Stadt Marva. 15.000 Heliostate konzentrieren das Sonnenlicht aufeinem Punkt an der Spitze des Turms. Das Licht wird von Spiegelelementen im Inneren des Turms nach unten gelenkt, wo es zur Stromerzeugung und Beleuchtung der Stadt verwendet wird. Die Stromversorgung erfolgt durch Dampferzeugung und den Antrieb einer Turbine. Nachts kann die gewonnene Energie in Form von Flüssigsalz gespeichert werden. 
MARVA_alpha
MARVA_Alpha

People stroll through the outermost and urban district of Marva: alpha. A circular pedestrian passage runs between residential buildings, shopping facilities, vertical farms, companies and the connection to the longdistance transport system. The 170m high space is only interrupted by pedestrian bridges connecting the outer and inner areas. 

Die Menschen schlendern durch den äußersten und städtischen Bezirk von Marva: alpha. Zwischen Wohngebäuden, Einkaufsmöglichkeiten, Vertical Farming, Unternehmen und der Anbindung an das Fernverkehrssystem verläuft eine kreisförmige Fußgängerzone. Der 170m hohe Raum wird nur durch Fußgängerbrücken unterbrochen, die den Außen- und Innenbereich verbinden.
MARVA_beta
MARVA_beta

Children play in the front gardens of district beta. Residents enjoy the view from their terraces formed by offsetting the building units. In front of apartments and public facilities such as schools and kindergartens runs a footpath and an access to public transport. A fully illuminated ceiling extends 30m above the floor, immersing the area in a pleasant, bright and homogeneous daylight, captured by the CSP system.  

Kinder spielen in den Vorgärten des Bezirks beta. Die Bewohner genießen den Blick von ihren Terrassen, die durch die Versetzung der Gebäudemodule entstehen. Vor Wohnungen und öffentlichen Einrichtungen wie Schulen und Kindergärten führt ein Fußweg und ein Zugang zu öffentlichen Verkehrsmitteln. Eine voll ausgeleuchtete Decke erstreckt sich 30m über dem Boden und taucht den Bereich in ein angenehmes, helles und homogenes Tageslicht, das vom CSP-System eingefangen wurde.
MARVA_gamma
MARVA_Gamma

Nature plays the leading role in the second innermost district gamma. The plants and trees help to regulate the indoor climate and produce part of the city‘s oxygen demand.  People wander across the meadows, relax and enjoy nature or spend their leisure time doing sports. A glass railing lines the border to the city centre and invites you to look at other floors. 

Die Natur spielt die Hauptrolle im zweit innersten Bezirk Gamma. Die Pflanzen und Bäume tragen dazu bei, das Raumklima zu regulieren und einen Teil des Sauerstoffbedarfs der Stadt zu decken. Die Menschen wandern über Wiesen, entspannen und genießen die Natur oder verbringen ihre Freizeit mit Sport. Ein gläsernes Geländer säumt die Grenze zum Stadtzentrum und lädt zum Blick auf andere Stockwerke ein.
MARVA_delta
MARVA_Delta

People stand at the glass railing to district delta. Views wander across the city levels and follow the autonomously moving elevators of the local transport system. People get on and off at the stations between the three pairs of pillars, the backbone of the city structure. The large airspace enables better air exchange between the levels and makes the space appear more spacious. 

Die Menschen stehen am Glasgeländer zum Bezirk Delta. Die Blicke wandern über die Stadtebenen und folgen den autonom fahrenden Aufzügen des Nahverkehrssystems. Die Menschen steigen an den Stationen zwischen den drei Säulenpaaren, das Rückgrat der Stadtstruktur, ein und aus. Der große Luftraum ermöglicht einen besseren Luftaustausch zwischen den Ebenen und lässt den Raum geräumiger erscheinen. 
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