Space Architecture : regolith hive design and building sustainable habitat on Mars

Building a colony on Mars habitat represents one of humanity's most ambitious goals since the early 19th century, with high demand for creativity and innovative solutions to overcome the planet's hostile and merciless climate conditions. Among some of the sounding strategies, building sustainable habitat settlement using locally resourced materials, such as Martian regolith, has emerged as a promising solution. This thesis explores the design of Mars habitats and investigates the application of swarm robotics for the autonomous construction of human shelters on Mars. It focuses on the design and construction of these structures utilizing 3D printed regolith and methods and technologies for converting Martian regolith into usable building materials. Inspired by the collective behavior of social insects, Swarm robotics provides significant advantages over space exploration and construction technology. The collaborative character of swarm systems, along with their inherent resilience and adaptability, instills reassurance in the proposed solution and Mars's unpredictable circumstances. The thesis begins with an in-depth analysis of Mars's environmental challenges and construction requirements, providing a foundation for the proposed robotic solutions then goes in deth in to how robots can be programmed to process regolith into construction materials and build structures layer by layer, leveraging the unique capabilities of 3D printing to create complex and durable structures. Simulation results and prototype testing on Earth, using concrete, are presented to validate the feasibility of the proposed system. The findings suggest that autonomous swarm systems, coupled with 3D printing technology, can play a pivotal role in enabling human colonization of Mars by providing a scalable and efficient method for building habitats from local resources. This scalability offers hope for the future of space colonization. The implications of this research extend beyond Mars, offering a framework for robotic construction in other extraterrestrial environments, ultimately paving the way for sustainable human presence in space.

Costruire una colonia su Marte rappresenta uno degli obiettivi più ambiziosi dell'umanità fin dall'inizio del XIX secolo, richiedendo un'elevata creatività e soluzioni innovative per superare le ostili e spietate condizioni climatiche del pianeta. Tra le strategie più promettenti, la costruzione di insediamenti abitativi sostenibili utilizzando materiali locali, come il regolite marziano, è emersa come una soluzione promettente. Questa tesi esplora la progettazione degli habitat su Marte e indaga l'applicazione della robotica a sciame per la costruzione autonoma di rifugi umani su Marte. Si concentra sulla progettazione e costruzione di queste strutture utilizzando regolite stampata in 3D e sulle tecnologie per convertire il regolite marziano in materiali da costruzione utilizzabili. Ispirata dal comportamento collettivo degli insetti sociali, la robotica a sciame offre vantaggi significativi rispetto alle tecnologie di esplorazione spaziale e costruzione. Il carattere collaborativo dei sistemi a sciame, insieme alla loro intrinseca resilienza e adattabilità, infonde fiducia nella soluzione proposta e nelle imprevedibili circostanze marziane. La tesi inizia con un'analisi approfondita delle sfide ambientali di Marte e dei requisiti di costruzione, fornendo una base per le soluzioni robotiche proposte, e poi si addentra nel modo in cui i robot possono essere programmati per processare il regolite in materiali da costruzione e costruire strutture strato dopo strato, sfruttando le capacità uniche della stampa 3D per creare strutture complesse e durevoli. I risultati delle simulazioni e i test dei prototipi sulla Terra, utilizzando il calcestruzzo, sono presentati per convalidare la fattibilità del sistema proposto. I risultati suggeriscono che i sistemi a sciame autonomi, abbinati alla tecnologia di stampa 3D, possono svolgere un ruolo fondamentale nell'abilitare la colonizzazione umana di Marte, fornendo un metodo scalabile ed efficiente per costruire habitat utilizzando risorse locali. Questa scalabilità offre speranza per il futuro della colonizzazione spaziale. Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre Marte, offrendo un quadro di riferimento per la costruzione robotica in altri ambienti extraterrestri, aprendo la strada a una presenza umana sostenibile nello spazio.