Adaptive robotic 3d printing and shelter design in extreme environments

Space exploration and human spaceflight have always provided the possibility to employ advanced technologies, develop new know-hows, and increase human capabilities in a variety of fields. NASA’s Artemis program is bound to bring humanity back to the Moon to perform extended exploration and establish a permanent presence of Earth’s satellite. In this context, a new opportunity for the AEC industry is arising: designing habitat solutions that would sustain human presence on the lunar surface is a complex technical challenge, due to the extreme conditions of the lunar environment and the design constraints inherent to human spaceflight. The discipline of Space Architecture investigates novel design solutions enabling human presence in outer space by integrating the engineering approach of designing complex systems, with a data driven design perspective, while at the same time taking into account all the complexities related to human centred design. This research work aims at exploring computational approaches in the context of adaptive robotic concrete 3D printing and space driven site planning and architectural design, with the specific goal to implement this technology in the design of construction systems applied to a lunar surface habitat. To achieve this, an experiment driven research approach was followed. A novel technology, exploring terrain as a resource for automated construction has been developed within the research group CREATE at the University of Southern Denmark, specifically using unprocessed soil as a reconfigurable moulding material for on-site 3D printing of complex concrete elements. This method was tested on a proof-of-concept experiment by successfully realizing a full scale shell panel of topological complexity. This construction technology was applied to a space architecture scenario, by developing a hybrid class II-III surface lunar habitat leveraging local resources. The overarching goal of this research is to advance the state of the art of construction through reduced resource utilization in architecture, the automation of environment aware construction and the application of digitally fabricated structures in extreme environments.

L’esplorazione spaziale e il volo umano hanno da sempre permesso di sperimentare sistemi tecnologici innovativi, espandendo così le conoscenze tecniche umane in numerosi campi. Il programma Artemis della NASA promette di riportare l’umanità sulla Luna per stabilire una presenza permanente sul satellite del nostro pianeta. Si presenta così una nuova opportunità per il settore dell’architettura: progettare soluzioni abitabili in grado di sostenere la presenza umana sulla superficie lunare rappresenta una complessa sfida tecnica, a causa delle condizioni ambientali estreme e dei numerosi vincoli progettuali propri del volo umano. L’Architettura Spaziale investiga soluzioni innovative per garantire la vita umana nello spazio, integrando l’approccio ingegneristico per la progettazione di sistemi complessi alla progettazione basata sui dati, sempre considerando le complessità del design per l’uomo. Il lavoro di ricerca di conseguenza ambisce a esplorare le potenzialità dell’implementazione di un approccio computazionale per la stampa 3d robotica del cemento e la pianificazione architettonica e del sito, puntando a implementare queste tecnologie nella progettazione di sistemi costruttivi applicati a un habitat superficiale lunare. Per ottenere ciò, è stato seguito un approccio sperimentale. Una nuova tecnologia che vede il suolo come una risorsa per la costruzione automatizzata è stata sviluppata all’interno del gruppo di ricerca CREATE della University of Southern Denmark, adoperando il suolo locale come materiale di supporto per la stampa 3d in loco di elementi costruttivi in cemento. Questo metodo è stato testato sperimentalmente nella costruzione di un pannello in calcestruzzo di topologia complessa. Successivamente, questa tecnologia è stata applicata nel caso specifico della progettazione di un sistema abitativo di classe ibrida II-III per la superficie lunare, sfruttando risorse in loco. Questa tesi si pone di avanzare lo stato dell’arte dell'architettura delle costruzioni attraverso la riduzione dell’utilizzo di risorse, l’automazione di processi costruttivi adattivi rispetto al contesto e l’applicazione di strutture fabbricate digitalmente in ambienti estremi.