Mars colony: computational design, organic approach and human resilience

This thesis presents an integrated architectural framework for a permanent human settlement on Mars, conceived as a long-duration colony embedded within the protective environment of Martian lava tubes. The project investigates how architecture can emerge from the interaction between planetary conditions, biological systems, and advanced computational design, establishing a resilient habitat capable of supporting human life beyond Earth. The design methodology is structured through two complementary exploration toolkits. The first consists of a terrain analysis framework utilizing planetary datasets, satellite imagery, and topographical modelling to identify optimal settlement locations, with particular attention given to lava tube systems that provide natural radiation shielding, thermal stability, and environmental protection. The second translates biological principles and environmental performance criteria into an algorithmic architectural language capable of generating adaptable and scalable habitat systems. The settlement is organized through a network of repeatable modular units developed using parametric design, optimization processes, and performance-driven form generation. Structural systems are conceived as regolith-based shell architectures fabricated through additive manufacturing technologies, enabling in-situ resource utilization and reducing dependence on Earth-supplied materials. These shells function simultaneously as structural support, radiation shielding, thermal buffering, and environmental infrastructure, integrating multiple life-support functions within a unified architectural envelope. Beyond structural performance, the project explores the role of architecture in sustaining psychological well-being under conditions of isolation, confinement, and environmental monotony. Human-centered design strategies are informed by studies of spatial perception, adaptive environments, and biophilic systems. Experimental investigations involving Chlorella vulgaris photobioreactors and moss-based biological systems were conducted to evaluate the potential integration of living organisms within interior environments, contributing to air regeneration, environmental enrichment, and the reintroduction of natural processes into extraterrestrial habitats. At the urban and architectural scales, biological logics become generators of form, organization, and environmental interaction. These living systems are complemented by an augmented digital layer consisting of AR-assisted interfaces and adaptive environmental technologies designed to support orientation, communication, personalization, and long-term psychological resilience. The resulting proposal positions architecture not as a static shelter, but as a dynamic ecological system where structural, biological, and digital components operate as a single interconnected framework. By merging planetary science, computational design, bioregenerative technologies, and human-centered architecture, the project proposes a vision for sustainable, resilient, and habitable settlements capable of supporting the future expansion of humanity beyond Earth.

Questa tesi presenta un framework architettonico integrato per un insediamento umano permanente su Marte, concepito come una colonia di lunga durata inserita all’interno dell’ambiente protettivo dei tubi di lava marziani. Il progetto indaga come l’architettura possa emergere dall’interazione tra le condizioni planetarie, i sistemi biologici e il design computazionale avanzato, dando origine a un habitat resiliente in grado di sostenere la vita umana oltre la Terra. La metodologia progettuale è strutturata attraverso due strumenti di esplorazione complementari. Il primo consiste in un framework di analisi territoriale che utilizza dati planetari, immagini satellitari e modellazione topografica per identificare le localizzazioni ottimali per l’insediamento, con particolare attenzione ai sistemi di tubi di lava, che offrono schermatura naturale dalle radiazioni, stabilità termica e protezione ambientale. Il secondo traduce principi biologici e criteri di performance ambientale in un linguaggio architettonico algoritmico capace di generare sistemi abitativi adattabili e scalabili. L’insediamento è organizzato attraverso una rete di unità modulari ripetibili sviluppate mediante progettazione parametrica, processi di ottimizzazione e generazione formale guidata dalle prestazioni. I sistemi strutturali sono concepiti come architetture a guscio realizzate in regolite e fabbricate tramite tecnologie di manifattura additiva, consentendo l’utilizzo delle risorse disponibili in situ e riducendo la dipendenza dai materiali provenienti dalla Terra. Questi gusci svolgono simultaneamente funzioni di supporto strutturale, schermatura dalle radiazioni, isolamento termico e infrastruttura ambientale, integrando molteplici sistemi di supporto alla vita all’interno di un unico involucro architettonico. Oltre alle prestazioni strutturali, il progetto esplora il ruolo dell’architettura nel sostenere il benessere psicologico in condizioni di isolamento, confinamento e monotonia ambientale. Le strategie di progettazione human-centered sono informate da studi sulla percezione dello spazio, sugli ambienti adattivi e sui sistemi biofilici. Sono state condotte sperimentazioni con fotobioreattori a Chlorella vulgaris e sistemi biologici basati su muschi per valutare il potenziale di integrazione di organismi viventi negli ambienti interni, contribuendo alla rigenerazione dell’aria, all’arricchimento ambientale e alla reintroduzione di processi naturali negli habitat extraterrestri. Alle scale urbana e architettonica, le logiche biologiche diventano generatori di forma, organizzazione e interazione ambientale. Questi sistemi viventi sono integrati da un livello digitale aumentato costituito da interfacce assistite dalla realtà aumentata (AR) e da tecnologie ambientali adattive progettate per supportare orientamento, comunicazione, personalizzazione e resilienza psicologica nel lungo termine. La proposta risultante concepisce l’architettura non come un rifugio statico, bensì come un sistema ecologico dinamico nel quale componenti strutturali, biologiche e digitali operano come un unico framework interconnesso. Attraverso l’integrazione di scienze planetarie, design computazionale, tecnologie biorigenerative e progettazione centrata sull’essere umano, il progetto propone una visione di insediamenti sostenibili, resilienti e abitabili, capaci di supportare la futura espansione dell’umanità oltre la Terra.