The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture

Leszek Orzechowski

doi:10.5277/arc170405

Abstract

The purpose of this publication is to present the problem of determining the costs of creating extreme space architecture using autonomous robots based on the example of the theoretical manned mission to Mars scenario contained in the NASA Mars Reference Mission document. The author focuses on strategies that can determine the embodied energy contained in architecture made from local materials, using additive manufacturing processes – 3D printing. Embodied energy is the sum of the energy invested in the process of producing any service or good, including the energy consumed to obtain raw materials for its production and transport. Procedures to optimise the work of robotic agents will be crucial during manned Mars missions with limited access to resources, including electricity. Using robots to work on the surface will precisely determine the amount of energy used to complete the given job, which will enable optimisation and the determination of the embodied energy of these works. As part of the strategy discussed by the author, the scope of work and tasks are grouped into four divisions that coincide with the gameplay structure of 4X-type strategic computer games. 4X computer games get their name from the brief description of the gameplay elements: “explore, exploit, expand, exterminate”. During the game, the user focuses on managing and developing a civilisation or city, where resource acquisition and management play a central role. The author considers such a structure to be a promising starting point for the strategy of optimising the process of building a Martian architecture using robotic agents. Procedures that can determine the embodied energy of the described processes have been grouped into the sections Exploration, Extraction, Exploitation, and Expansion, and have been included in the simulation model for the manned mission to Mars in the form of a 4X-type computer game prototype. This simulation could be used to create a tool for optimising procedures for the needs of an actual mission to Mars, using embodied energy as an indicator. Such a tool would have the potential to reduce costs during the first manned missions to other planets. In the longer term, the use of such a solution for the collection of data on embodied energy will preserve all environmental footprint data of the colonisation of Mars.

Full article view is only available on bigger screens.

2017

4(52)

DOI: 10.5277/arc170405

Leszek Orzechowski*

Czerwone Pogranicze: energia ucieleśniona marsjańskiej architektury

The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture

Cywilizacja a zużycie energii

Ludzka cywilizacja jest oparta na energii. Wraz z postę

pem rośnie na tę energię zapotrzebowanie. Na przestrzeni

wieków można wyszczególnić procesy, które powszech

nie nazywa się rewolucjami, np. rewolucja agrokulturo

wa, rewolucja przemysłowa czy rewolucja cyfrowa. Każ

de z wymienionych wydarzeń skutkowało podniesieniem

możliwości produkcyjnych oraz standardu życia, przy

jednoczesnym znacznym zwiększeniu popytu na energię.

Wysunięto więc wniosek, że stopień rozwoju cywilizacji

można mierzyć ilością zużywanej energii. Do tego stwier

dzenia doszedł Nikolai Kardashev [1], tworząc skalę

zaawansowania technologicznego cywilizacji w zależno

ści od pożytkowanej ilości energii. Skala dzieliła poten

cjalne cywilizacje na trzy typy. Cywilizacja typu I byłaby

w stanie wykorzystać ogół energii docierającej na jej pla

netę z macierzystej gwiazdy. Cywilizacja typu II byłaby

w stanie ujarzmić całość energii emitowanej przez macie

rzystą gwiazdę, natomiast cywilizacja typu III pożytko

wałaby energię i zarządzałaby energią na skalę macierzy

stej galaktyki [2]. Nieżyjący już Carl Sagan ocenił postęp

cywilizacji ludzkiej na 0,7 typu I [3]. Oznacza to, że

według Sagana jesteśmy w stanie zagospodarować 70%

energii, jaką Ziemia otrzymuje ze Słońca (brzmi to dość

optymistycznie, jednak należy pamiętać, że paliwa kopal

ne to też przetworzona energia słoneczna) (il. 1).

Obecnie nie ma powodu, aby się zastanawiać, czy

i kie dy zostaniemy cywilizacją galaktyczną, jednakże

Civilisation and energy consumption

Human civilisation is based on energy. Along with pro

gress, the demand for this energy is increasing. Over the

centuries, processes have occurred that are commonly

referred to as revolutions, such as the agriculture, indus

trial and digital revolutions. Each of these events resulted

in increased production capacity and a higher standard of

living, while significantly increasing the demand for ener

gy. As a result, a conclusion was proposed that the degree of

civilisation development can be measured by the amount

energy consumed. This statement was made by Nikolai

Kardashev [1] while creating the scale of a civilisation’s

technological advancement based on the amount of ener

gy used. The scale breaks the potential civilisations down

into three types. A Type I civilisation would be able to use

all of the energy reaching the planet from its parent star.

A Type II civilisation would be able to harness all the

ener gy emitted by its parent star, while a Type III civilisa

tion would use and manage energy on the scale of its

entire host galaxy [2]. The late Carl Sagan assessed the

progress of human civilisation at 0.7 of Type I [3]. This

means that, according to Sagan, we can utilise 70% of the

energy that the Earth receives from the sun (this sounds

quite optimistic, but it should be borne in mind that fossil

fuels are also processed solar energy) (Fig. 1).

Currently, there is no reason to wonder whether and

when we will become a galactic civilisation; however, the

concept of analysing the development of human civilisa

tion by measuring the level of energy consumed seems

very sensible. Today, humanity is trying to reduce the use

of fossil fuels, because of evidence that human civilisa

tion is suffering from climate change [4]. The scientific

* Wydział Architektury Politechniki Wrocławskiej/Faculty of Ar

chitecture, Wrocław University of Science and Technology.

66 Leszek Orzechowski

propozycja, by analizować rozwój ludzkiej cywilizacji,

mierząc poziom zużywanej energii, wydaje się bardzo

sensowna. Współcześnie ludzkość stara się ograniczyć

wykorzystanie paliw kopalnych ze względu na dowody

ob cią żające naszą cywilizację za zmiany klimatu [4].

Spo łecz ność naukowa jest zgodna, że ludzkość stoi przed

og rom nym wyzwaniem, jakim jest zahamowanie tych

zmian i powstrzymanie globalnej katastrofy. W tym celu

potrzeba precyzyjniejszych zestawów danych oraz lep

szych stra te gii zarządzania energią i zasobami. Proponuje

się, by pozyskiwać odpowiednie ilości danych kalkulacja

mi ener gii ucieleśnionej każdego produktu oraz usługi.

W książkowym zestawieniu Inventory of Carbon & Ener-

gy (ICE) przez energię ucieleśnioną Groff Hammond

rozumie [5, s. 1]: Sumę energii wymaganej do wytworze-

nia dowolnego dobra lub usługi, przy założeniu, że ta

ener gia jest „ucieleśniona” w samym produkcie. Pojęcie

to może być przydatne w określaniu efektywności urzą-

dzeń produkujących bądź oszczędzających energię. Za -

leca się też używać energii ucieleśnionej jako „praw-

dziwej” wartości kosztów budowy budynków. Z racji że

ob liczenia tego wskaźnika uwzględniają także emisję ga -

zów cieplarnianych, mogą pomóc określić, czy produkt

lub rozpatrywany proces przyczynia się w znaczący spo-

sób do globalnego ocieplenia. Fundamentalnym powo-

dem mierzenia tej wiel kości jest porównanie ilości energii

wyprodukowanej lub zaoszczędzonej przez produkt i ilo-

ści energii zużytej podczas jego produkcji. Powyżej opisa

na metoda jest już stosowana przez wielu producentów

materiałów budowlanych. Cechuje się ona wysokim po 

ten cjałem dla optymalizacji procesów produkcji oraz kon

sumpcji energii. To z kolei w dużej skali byłoby pomocne

w przeciwdziałaniu zmianom klimatu spowo dowanym

aktywnością człowieka. Pełne wdrożenie ta kich praktyk

może jednak okazać się problematyczne, jeśli uwzględ

ni się złożoność kluczowych gałęzi przemysłu. Istnieje

zatem potrzeba przeprowadzenia kontrolowanego testu

community agrees that humanity is facing the enormous

challenge of stopping these changes and preventing

a global disaster. For this purpose, moreaccurate data sets

and better energy and resource management strategies are

needed. It is proposed that adequate amounts of data

should be obtained by calculating the embodied energy of

all products and services. Groff Hammond understands

embodied energy to mean [5, p. 1]: The total amount of

energy required to produce any goods or service, assum-

ing that this energy was included or “embodied” in the

pro duct itself. This concept can be useful in determining the

efficiency of energy-producing or energy-efficient equip -

ment. It is also recommended that embodied energy be

used as a “true” value of the costs of building construc-

tion. Because the calculation of this indicator also in -

cludes the emission of greenhouse gases, it can help deter-

mine if the product or process in question contributes

significantly to global warming. The fundamental reason

for measuring this size is to compare the amount of ener-

gy produced or saved by the product with the amount of

energy consumed during its production. The above meth

od is already used by some manufacturers of building

materials. It is characterised by a high potential for opti

misation of the production process and energy consump

tion, which, in turn, would be of great help in the counter

acting climate change caused by human activity. The full

implementation of such practices may, however, prove

problematic, if the complexity of key industries is taken

into account. Therefore, there is a need for a controlled

test to be carried out at an isolated construction site, where

new resource management and energy consumption strat

egies would be applied. In the author’s opinion, NASA’s

planned series of “Journey to Mars” missions and the

preparation for a manned mission to Mars in the 2030s are

a good model for similar tests [6].

Man on Mars

Dr. Robert Zubrin – an American aviation engineer and

author known for his advocacy of the manned Mars

research expedition – adapted the Kardashev scale to rep

resent the cosmic range of civilisation, rather than deter

mining the amount of energy consumed. The process of

a civilisation’s development towards Type II begins with

the colonisation of our closest planet – Mars [7].

In the 1990s, Dr. Zubrin paved the way for a new

approach to manned Mars missions. The Mars Direct mis

sion concept was focused on reducing costs by using the

resources the planet offers, as opposed to bringing all the

needed supplies from Earth [8]. Some of Zubrin’s ideas

were later adapted by NASA, and are still present in

Human Exploration of Mars Design Reference Archi tec-

ture 5.0 from 2009 [9], and are constantly discussed under

the „Journey to Mars” programme [6].

Despite this work, the question of “Why send people to

Mars?” still exists. In response, it is often argued that

we need to colonise the Red Planet while a global disaster

has not yet occurred. Opponents say that the problems

facing society on Earth must be resolved before even

thinking of spending billions on manned Mars missions.

Il. 1. Wykres przedstawiający rozwój ludzkiej cywilizacji

oraz dalszą prognozę zgodnie z założeniami skali Kardasheva,

(źródło: geopolicraticus.com/beyondthekardashevscale/

[data dostępu: sierpień 2017])

Fig. 1. Graph showing the development of the human civilisation

and further forecasts according to the Kardashev Scale

(source: geopolicraticus.com/beyondthekardashevscale/

[accessed: August 2017])

Czerwone Pogranicze: energia ucieleśniona marsjańskiej architektury /The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture 67

na odizolowanym terenie budowy, na którym byłyby sto

sowane nowe strategie zarządzania zasobami i zużycia

energii. Cykl planowanych misji NASA „Journey to

Mars” oraz przygotowania do załogowej misji na Marsa

w latach 30. XXI w. zdaniem autora są dobrym modelem

do podobnych testów [6].

Człowiek na Marsie

Doktor Robert Zubrin – amerykański inżynier lotniczy

oraz pisarz znany z działalności promującej załogową

ekspedycję badawczą na Marsa – zaadaptował skalę

Kardasheva, by przedstawić kosmiczny zasięg cywiliza

cji, zamiast określać ilość zużywanej energii. Proces roz

woju cywilizacji ku typowi II zaczyna się od kolonizacji

naszej najbliższej planety – Marsa [7].

W latach 90. XX w. działalność Zubrina utorowała

drogę nowemu podejściu do załogowych misji marsjań

skich. Koncepcja misji Mars Direct skupiała się na obni

żaniu kosztów poprzez wykorzystywanie zasobów, jakie

oferuje planeta, w przeciwieństwie do przywożenia cało

ści potrzebnych zapasów z Ziemi [8]. Niektóre koncepcje

Zubrina zostały później zaadaptowane przez NASA i są

nadal obecne w Human Exploration of Mars Design

Reference Architecture 5.0 z roku 2009 [9], jak również są

na bieżąco dyskutowane w ramach programu „Journey to

Mars” [6].

Mimo tych prac wciąż zadawane jest pytanie: „Po co

zajmować się wysyłaniem ludzi na Marsa?”. W odpowie

dzi często stawiany jest argument, że potrzebujemy skolo

nizować Czerwoną Planetę, póki jeszcze nie wydarzył się

jakiś globalny kataklizm. Oponenci odpowiadają, że naj

pierw należy rozwiązać problemy, jakie nękają społe

czeństwo na Ziemi, nim można będzie myśleć o wydatko

waniu miliardów na załogowe misje marsjańskie. Takie

opinie mogą się wydawać racjonalne, jednak doświadcze

nia pokazują, że dotychczasowa eksploracja kosmosu

za owocowała ogromnymi zyskami dla naszej cywilizacji

w po staci globalnej komunikacji, danych o pogodzie

(wie dza o globalnym ociepleniu) czy nawigacji satelitar

nej. Two rzenie placówki na skrajnie niegościnnym glo

bie, o bardzo ograniczonych zasobach jest w stanie roz 

winąć wiele systemów związanych z budownictwem,

robotyką, sposobami uzdatniania wody czy produkcją

energii. Prze pro wadzenie załogowych misji na Marsa

będzie wymagało technologii mogących znacząco wpły

nąć na walkę ze zmianą klimatu, brakiem dostępu do

wody pitnej czy od budowy infrastruktury po katastrofach

naturalnych. Za łogowe misje będą mieć bardzo szczegó

łową strategię za rządzania zasobami oraz energią i niewy

kluczone, że będą się opierały na szacunkach energii ucie

leśnionej.

Środowisko marsjańskie

oraz marsjańska architektura

Mars jest mniejszą planetą niż Ziemia, a astronauci

będą na niej doświadczać jedynie 38% ziemskiego ciąże

nia. Planeta nie ma pola elektromagnetycznego chronią

cego żywe organizmy przed promieniowaniem kosmicz

Such opinions may seem rational; however, experiments

show that previous space exploration has resulted in huge

benefits for human civilisation in the form of global com

munication, weather data (knowledge of global warming)

and satellite navigation. Creating a facility on an extreme

ly inhospitable globe with very limited resources could po 

tentially develop a variety of systems related to construc

tion, ro bo tics, water treatment and energy production.

Con ducting manned missions to Mars will require tech

nologies that can significantly impact the fight against

climate change, the lack of access to drinking water, and

the rebuilding of infrastructure after natural disasters.

Manned missions will have a very detailed strategy for ma 

naging resources and energy, and it is possible that they

will be based on embodied energy estimates.

The Martian environment

and Martian architecture

Mars is a smaller planet than Earth, and astronauts will

experience only 38% of Earth’s gravity on it. The planet

has no electromagnetic field that protects living organisms

from cosmic rays. Low atmospheric pressure at 6 hPa

results in low average temperatures of –64°C. Both the

low temperature and low pressure make it impossible for

unprotected astronauts to survive. This significantly affects

the plans of manned missions. The parameters referred to

above allow inferences about the requirements for the

Martian habitat intended for human habitation. It should

ensure not only survival, but also a sense of security. It is

also worth highlighting the features of Mars that make it

similar to Earth (Fig. 2).

A day on Mars lasts 24 hours and 40 minutes, which is

important for the human daynight cycle and the plant gas

exchange cycle. Because of the lack of reservoirs, the

planet has as many land masses as Earth. There is also

a large amount of solidified water, and it was recently

con firmed that under certain conditions, Mars also has

liquid water. Water and atmosphere composed of carbon

dioxide can be an oxygen source. Martian soil – regolith

– has been investigated in terms of potential plant growth,

and is also being considered as a building material for

Martian architecture that could provide its inhabitants

with protection against cosmic rays.

In the light of the above, the basic features of Martian

architecture can be determined:

–

a sealed space, isolated from the external environment,

– controlled pressure, atmosphere, temperature and

humidity values,

– protection provided against cosmic rays,

– access provided to water and oxygen, together with

recovery,

– made of materials available on Mars – regolith or ice.

The above assumptions can be found in the NASA

document The Mars Surface Reference Mission [8] of

2001. Newer papers, such as Mars Destination Operations

[10], strongly recommend using the planet’s resources

and additive manufacturing techniques to build the archi

tecture. 3D printing is a synonym of additive manufactur

ing techniques – this is the process of threedimensional

68 Leszek Orzechowski

nym. Niskie ciśnienie atmosferyczne, na poziomie 6 hPa,

skutkuje niskimi temperaturami o średniej wartości –64°C.

Zarówno niska temperatura, jak i niskie ciś nienie wyklu

czają życie niezabezpieczonych astro nautów. Wpły wa to

w sposób decydujący na plany misji załogowych. Przy

toczone tutaj parametry pozwalają wnioskować o wymo

gach dla marsjańskiego habitatu przeznaczonego na pobyt

ludzi. Powinien on zapewnić nie tylko możliwość przeży

cia, ale i poczucie bezpieczeństwa. Warto też wspomnieć

cechy Marsa, które upodobniają go do Ziemi (il. 2).

Dzień na Marsie trwa 24 godziny i 40 minut, co ma

duże znaczenie dla cyklu dobowego ludzi oraz cyklu wy 

miany gazowej roślin. Planeta ze względu na brak akwe

nów ma tyle samo mas lądowych co Ziemia. Znaj duje się

tam również znaczna ilość zestalonej wody, a niedawno

potwierdzono, że w określonych warunkach na Marsie

występuje też woda w stanie płynnym. Woda oraz atmos

fera złożona z dwutlenku węgla mogą być źródłem tlenu.

Gleba marsjańska – regolit – została zbadana pod kątem

potencjalnej uprawy roślin i jest także rozważana jako

budulec dla marsjańskiej architektury, która mogłaby sta

nowić ochronę przed promieniowaniem kosmicznym dla

jej mieszkańców.

Biorąc powyższe pod uwagę, można określić podsta

wowe cechy architektury marsjańskiej:

– przestrzeń szczelna, odizolowana od środowiska ze 

wnętrznego,

– kontrolowane wartości ciśnienia, atmosfery, tempe

ratury i wilgotności,

– zapewniona ochrona przed promieniowaniem ko 

smicz nym,

– zapewnienie dostępu do wody i tlenu wraz z odzy

skiem,

– tworzona z materiałów dostępnych na Marsie – re 

go litu lub lodu.

Powyższe założenia można znaleźć w dokumencie

NASA The Mars Surface Reference Mission [8] z roku

2001. Nowsze opracowania, jak Mars Destination Opera-

tions [10], mocno rekomendują z kolei używanie zaso

bów planety oraz addytywnych technik produkcyjnych do

budowy architektury. Synonimem addytywnych technik

produkcyjnych jest druk 3D. Określa on proces trójwy

miarowego produkowania przedmiotu poprzez pozycjo

nowanie materiału. Europejska Agencja Kosmiczna wraz

z firmą Foster+Partners opracowywała studium wykonal

ności druku 3D z gleby księżycowej [11]. Stała baza na

Księżycu autorstwa ESA ma szansę być wybudowana

zdalnie przez roboty w latach 2025–2030 (il. 3).

W roku 2015 NASA oraz America Makes ogłosiły

konkurs 3D Printed Habitat Challenge. Szukano koncep

cji technologicznych pozwalających budować architektu

rę poza Ziemią z lokalnych materiałów. Wedle założe

nia habitaty miałyby być konstruowane autonomicznie

przez maszyny. Taka technologia mogłaby być wykorzy

stywana nie tylko na Księżycu czy Marsie, ale też na

Ziemi [12].

Nadesłane prace konkursowe, w tym praca autora

ni niejszego tekstu, prezentowały autonomiczne rozwią za

nia wytwarzania architektury poza Ziemią. Auto ma ty za

cja jest kluczowa, by wyręczyć ludzi w skomplikowa nych

production of an object by positioning material. The Euro

pean Space Agency together with Foster+Partners per 

formed a feasibility study on 3D printing using the moon’s

soil [11]. A permanent base on the moon by the ESA

could be built remotely by robots in 2025–2030 (Fig. 3).

In 2015, NASA and America Makes announced the

competition “3D Printed Habitat Challenge”. Technology

concepts were sought in order to build architecture out

side the Earth from local materials. According to the

assum ption, habitats were to be constructed autonomous

ly by machines. Such technology could be used not only

on the Moon or Mars, but also on Earth [12].

The submitted competition entries, including the entry

of the author of this paper, presented autonomous solu

tions for creating architecture away from Earth. Automa

tion is key in order to substitute people in performing

complex and dangerous tasks in a hostile environment.

A human crew will largely control the work of semi

autonomous machines from the safety of the habitat. Mars

has extremely unfriendly conditions, but the planet also

has enough resources to use robots to create a selfsuffi

cient human base, as Terry Huntsberger et al. proved in

the paper Robotic outposts as precursors to a manned

Mars habitat [13].

Augmented humans and their agent-avatars

on Mars

Mars is currently the only known planet inhabited

exclusively by robots. It has three active rovers that serve

as an extension of human senses [14]. One could say that,

in a sense, people physically on Earth are already driving

and exploring the Red Planet, testing the rocks and soil of

the planet. The only problem is the huge distance separat

ing the two worlds. At an average distance of 80 million

kilometres, the speed of light seems insufficient for effec

tive data transfer. Data transfer takes an average of four

minutes (when Mars and Earth are the farthest away from

each other, this is significantly longer); therefore, sending

a command to a rover and watching the results provides

the operator with feedback after an average of eight min

utes. Only once astronauts are on the surface, or in the

immediate vicinity of Mars, will this problem disappear.

Different types of rovers and humanoid robots would be

the perfect avatars for astronauts inside a safe base or

spaceship [15].

While overseeing the work of Space is More research

team registered at the Centre of Knowledge and Science

and Technology Information of Wrocław University of

Science and Technology, the author conducted design stu

dies of rovers and robots needed to create a habitat using

local materials [16] for the contest 3D Printed Habitat

Challenge. Two types of rovers for working in the de 

manding Martian environment were proposed. The first

type of machine was a rover collecting regolith for build

ing materials. The other type of machine was two rovers

connected by a crane equipped with a robotic arm with

a highenergy laser and a regolith feeding line. This arran

gement forms a semiautonomous 3D printer for facilities

in the size of buildings, as shown in Figure 4.

Czerwone Pogranicze: energia ucieleśniona marsjańskiej architektury /The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture 69

i niebezpiecznych zadaniach we wrogim środowisku.

Za łoga ludzka będzie w dużym stopniu kontrolowała

prace półautonomicznych maszyn z bezpiecznego wnę

trza habitatu. Na Marsie panują skrajnie nieprzyjazne

warunki, lecz planeta posiada również dostatecznie dużo

zasobów, by za pomocą robotów stworzyć samowystar

czalną ludzką bazę, jak udowadniali Terry Huntsberger et

al. w swojej pracy Robotic outposts as precursors to

a manned Mars habitat [13].

Rozszerzony człowiek i jego agenci-awatary

na Marsie

Mars jest obecnie jedyną znaną planetą zamieszkałą

wyłącznie przez roboty. Na jej powierzchni znajdują się

trzy działające łaziki służące jako przedłużenie ludzkich

zmysłów [14]. W pewnym sensie można powiedzieć, że

ludzie, fizycznie znajdując się na Ziemi, już teraz jeżdżą,

eksplorują Czerwoną Planetę, badając jej skały i glebę.

Jedynym problemem są ogromne odległości dzielące dwa

światy. Przy średniej odległości 80 milionów kilometrów

prędkość światła wydaje się niewystarczająca dla efek

tywnego transferu danych. Transfer danych zajmuje śred

nio 4 minuty (kiedy Mars i Ziemia są od siebie najdalej,

jest zdecydowanie dłużej), więc przesłanie polecenia do

ła zika i obserwacja wyników dostarcza operatorowi

zwrotnej informacji po średnio 8 minutach. Dopiero kie

dy astronauci będą na powierzchni bądź w najbliższej

okolicy Marsa, ten problem zniknie. Różne rodzaje łazi

ków i humanoidalnych robotów stanowiłyby idealne awa

tary dla astronautów znajdujących się w bezpiecznym

wnętrzu bazy lub statku kosmicznego [15].

Autor przy okazji kierowania pracami zespołu badaw

czego Space is More zarejestrowanego w Centrum Wie

dzy i Informacji NaukowoTechnologicznej Poli tech niki

Wrocławskiej przeprowadził studia projektowe łazików

i robotów potrzebnych do wytworzenia habitatu przy uży

ciu lokalnych materiałów [16] na potrzeby konkursu 3D

Printed Habitat Challenge. Zostały zaproponowane dwa

typy łazików do pracy w wymagającym środowisku mar

sjańskim. Pierwszym typem maszyny był łazik zbierający

regolit służący za budulec. Drugim typem maszyny były

dwa łaziki połączone suwnicą wyposażoną w robotyczne

ramię z wysokoenergetycznym laserem oraz przewodem

podającym regolit. Taki układ tworzy półautonomiczną

drukarkę 3D do obiektów w skali budynków, jak zostało

to przedstawione na ilustracji 4.

Używając podobnych rozwiązań, będzie można stwo

rzyć placówkę spełniającą rygorystyczne wymagania

mar sjańskiego habitatu, zapewniającą przyszłej załodze

prze strzeń do życia oraz pracy. Roboty oraz łaziki w cza

sie produkcji architektury potrzebowałyby w ograniczo

nym zakresie dozoru ludzkiego, jednakże proces jest

w dużej mierze autonomiczny (il. 5).

Energia ucieleśniona na Marsie

Na Marsie kalkulacje energii ucieleśnionej mogłyby się

przysłużyć do optymalizacji zużycia energii oraz zmniej

szenia kosztów. Większość sprzętów o znaczeniu strate

By using similar solutions, a facility can be created that

meets the stringent requirements of the Martian habitat,

providing the future crew with space for living and work

ing. During the production of architecture, the robots and

rovers would require a limited amount of human su per vi

sion; however, the process is largely autonomous (Fig. 5).

Embodied energy on Mars

On Mars, the calculation of embodied energy could be

used to optimise energy consumption and reduce costs.

Most of the equipment critical to the manned Mars mis

sion will consume electricity, which will need to be pro

duced onsite. Accurate management of energy consump

tion will be a very important aspect of mission planning.

Lifesupport systems, communication systems, testing

equipment, and rovers are all components that are essen

tial for the safety of astronauts and carrying out basic

research. The value embodied energy can be calculated

Il. 2. Porównianie ogólnych cech Ziemi i Marsa

(oprac. L. Orzechowski)

Fig. 2. A comparison of the general features of Earth and Mars

(by L. Orzechowski)

Il. 3. ESA Moon Habitat Foster+Partners

(źródło: www.esa.eu [data dostępu: sierpień 2017])

Fig. 3. ESA Moon Habitat Foster+Partners

(source: www.esa.eu [accessed: August 2017])

70 Leszek Orzechowski

Il. 4. Przygotowanie

autonomicz nych łazików

drukujących do pracy

(oprac. L. Orzechowski)

Fig. 4. Preparing autonomous

printing rovers for work

(by L. Orzechowski)

gicznym dla załogowej misji na Marsa będzie zużywała

prąd, który trzeba będzie wytworzyć na miejscu. Pre

cyzyjne zarządzanie poziomem zużycia energii będzie

bardzo ważnym aspektem planowania misji. Systemy

podtrzymywania życia, systemy komunikacji, aparatura

badawcza, łaziki, wszystkie te elementy są niezbędne do

zapewnienia astronautom bezpieczeństwa oraz wykona

nia podstawowych badań. Dla każdego z tych systemów

można obliczyć wartość energii ucieleśnionej. Jest to

jeden z powodów skłaniających do przypuszczenia, że

energia ucieleśniona może być w przyszłości używana

jako wskaźnik kosztów życia i kolonizacji Czerwonej

Planety. Pomiary energii ucieleśnionej pozwalają na do 

kładne analizy danych zużycia energii, ułatwiając optyma

lizację. Takie dane umożliwiłyby ustalenie wielu in nych

współczynników takich jak koszty pieniężne, okreś lenie

ilości pracy wykonanej przez roboty czy wy dzielone przez

nie ciepło. Warto też dodać, że zastosowanie takich obli

czeń od samego początku działalności ludzkiej na Mar

sie pozwoli na ze branie bardzo szczegółowych da nych

o wpły wie cywilizacji na klimat Czerwonej Planety. Koszt

wszystkich czynności, w tym tworzenia architektury, był

by wtedy przedstawiony w jednostkach energii uciele

śnionej, jaką jest MJ/kg [1].

Strategia 4X

Szacowanie energii ucieleśnionej wytwarzanej archi

tektury marsjańskiej musi odbywać się wedle ustalonej

strategii pozwalającej sprawnie zarządzać poszczegól

nymi etapami produkcji. Autor proponuje podzielić po 

szczególne zadania na cztery odrębne działy wyróżniają

ce się skomplikowaniem oraz wykorzystaniem robotów

o różnym przeznaczeniu:

–

eksplorację w celu zlokalizowania depozytu materiału,

– ekstrakcję i transport tego materiału,

– eksploatację tego materiału bądź zasobu w celu za 

spokojenia potrzeb placówki,

–

ekspansję placówki poprzez tworzenie nowych struk

tur przy wykorzystaniu nadprogramowych, zgromadzo

nych

surowców.

Taki podział nazwano strategią 4X (eXplore, eXtract,

eXploit, eXpand), a wywodzi się ze sposobu projekto

for each of these systems. This is one of the reasons for

supposing that, in the future, embodied energy can be

used as an indicator of the cost of living and colonisation

of the Red Planet. The measurement of embodied energy

allows for an accurate analysis of energy consumption

data, facilitating optimisation. Such data would make it

possible to establish many cofactors, such as cash costs,

as well as the amount of work done by the robots and the

heat they emit. It is also worth adding that the application

of such calculations from the very beginning of human

activity on Mars will make it possible to collect very

detailed data on the impact of human activity on the cli

mate of the Red Planet. The cost of all activities, includ

ing the creation of architecture, would then be denoted in

units of embodied energy, i.e. MJ/kg [1].

4X Strategy

The estimation of the embodied energy of Martian ar 

chitecture being created must be based on a set strategy

that allows for efficient management of the various stages

of production. The author proposes to divide the individual

tasks into four separate departments, distinguished by

complexity and the use of robots with different purposes:

– exploration to locate material deposits,

– extraction and transport of this material,

– exploitation of this material or resource to meet the

needs of the facility,

– expansion of the facility by creating new structures

using a surplus of raw materials gathered.

This break down has been named the “4X strategy”

(eXplore, eXtract, eXploit, eXpand), and derives from the

method of designing the gameplay mechanics of a popular

computer game genre. The main goal of games in the 4X

genre is to provide convenient conditions for the growth of

a specific social structure model, such as a city or civilisa

tion, by securing strategic resources and efficient manage

ment of resources and space [17].

The most wellknown representatives of this game gen

re are, for example, the series Sid Meier’s Civilization and

Colonization [18], [19], Pharaoh [20] and Master of Orion

[21]. In each game, the strategically important resources

are matched to the type of gameplay, and this could be the

Czerwone Pogranicze: energia ucieleśniona marsjańskiej architektury /The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture 71

wania mechaniki rozgrywki popularnego gatunku gier

kom

puterowych. Głównym celem gier z gatunku 4X jest

za pew nienie dogodnych warunków wzrostu pewnego

mo delu struktury społecznej, np. miasta czy cywilizacji,

po przez zabezpieczenie strategicznych surowców oraz

sprawne zarządzanie zasobami i przestrzenią [17].

Najbardziej znanymi przedstawicielami tego gatunku

gier jest np. seria Cywilizacja oraz Kolonizacja Sida

Meiersa [18], [19], Faraon [20] czy Master of Orion [21].

W każdej z gier ważne strategicznie zasoby są dopasowa-

ne do typu rozgrywki i nie inaczej musi być w przypadku

realnego rozwoju placówki na innej planecie. Podane

powyżej aspekty strategii 4X będą wykonywane przez

roboty, które do realizacji zadań będą zużywały energię.

Budując autonomicznie nowy habitat, można zsumować

ilość energii zużytej przez roboty podczas wykonywania

poszczególnych zadań, a następnie podzielić tę wartość

przez końcową masę gotowej budowli, otrzymując war-

tość energii „ucieleśnionej” w daną konstrukcję, jak po 

kazano we wzorze (1):

(1)

gdzie:

hab

– energia ucieleśniona wybudowanego habitatu

[MJ/kg],

– energia zużyta na procesy typu eksploracja [MJ],

– energia zużyta na procesy typu ekstrakcja [MJ],

– energia zużyta na procesy typu eksploatacja

[MJ],

– energia zużyta na procesy typu ekspansja [MJ],

hab

– masa skonstruowanego habitatu [kg].

case in the development of a facility on another planet. The

abovementioned aspects of the 4X strategy will be per-

formed by robots that will use energy to carry out tasks. By

autonomously building a new habitat, one can add up the

amount of energy consumed by the robots while performing

individual tasks, then divide this value by the final mass of

the completed structure and obtain the value of “embodied”

energy in a given structure, as shown in formula (1):

(1)

where:

hab

– embodied energy of the built habitat [MJ/kg],

–

energy consumed for explorationtype processes [MJ],

–

energy consumed for extractiontype processes

[MJ],

– energy consumed for exploitationtype pro cess es

[MJ],

–

energy consumed for expansiontype processes [MJ],

hab

– mass of the constructed habitat [kg].

Exploration

Exploration will be one of the fundamental tasks of

future manned Mars missions. This is a way of collecting

data and studying the points of interest. The points of

interest may have scientific or strategic importance. Areas

with potential resource reserves should be tested and, if

the verification is positive, exploited. Exploration using

robotic agents is the fastest and safest way of conducting

investigations. If one of the goals of the mission is to

achieve partial independence of finding water, building

Il. 5. Etapy budowy habitatu

(oprac. L. Orzechowski)

Fig. 5. Stages of habitat

construction

(by L. Orzechowski)

hab

DCBA

hab

EEEE





hab

DCBA

hab

EEEE





72 Leszek Orzechowski

Eksploracja

Eksploracja będzie jednym z fundamentalnych zadań

przyszłych załogowych misji marsjańskich. Jest to sposób

na zbieranie danych i badanie tzw. regionów zaintereso-

wań (points of interests). Regiony zainteresowań mogą

mieć znaczenie naukowe bądź strategiczne. Obszary z po 

tencjalnymi złożami zasobów powinny zostać przebada-

ne, a w przypadku pozytywnej weryfikacji – eksploato-

wane. Eksploracja za pomocą robotycznych agentów to

najszybszy i najbezpieczniejszy sposób dokonania rozpo-

znania. Jeśli jednym z celów misji będzie osiągnięcie czę-

ściowej niezależności odnajdywania depozytów wody,

materiałów budowlanych czy metali, stanie się on ko 

niecz nością dla powodzenia misji oraz rozwoju samowy-

starczalnej placówki. Biorąc powyższe pod uwagę, eks-

ploracja za pomocą łazików jest relatywnie prosta do

przedstawienia w formie zużytej przez roboty energii, jak

pokazano to we wzorze (2):

(2)

gdzie:

A,i

– moc itego łazika użytego w procesie eksplora-

cji,

A,i

– czas pracy itego łazika w procesie eksploracji,

– liczba łazików.

Ekstrakcja

Proces ekstrakcji skupia się na pozyskaniu zasobów

zidentyfikowanych podczas eksploracji oraz transporcie

ich w okolice bazy w celu rafinacji do użytecznych wa 

riantów. Energia wykorzystana w tym etapie to suma pra-

cy wykonanej przez łaziki oraz inne urządzenia uczestni-

czące w procesie, jak pokazano we wzorze (3):

(3)

gdzie:

– moc itego łazika w jtej grupie procesu ekstrak-

cji,

– czas pracy itego łazika w jtej grupie procesu

ekstrakcji.

Eksploatacja

Eksploatacja reprezentowana jest sumą energii zuży-

wanej, by utrzymać astronautów przy życiu, a placówkę

w pełni możliwości operacyjnych. U podstaw tego proce-

su znaleźć można wszystkie zrównoważone technologie

oparte na zamkniętych pętlach odnawiania zasobów oraz

zarządzania tymi zasobami. Załoga zużywa wodę, jedze-

nie i tlen, wydalając dwutlenek węgla i organiczne odpa-

dy. System kontroli klimatu i podtrzymywania życia (En 

vironmental Control and Life Support System – ECLSS)

jest odpowiedzialny za utrzymywanie tlenu i dwutlenku

węgla na dopuszczalnych poziomach. System odpowia

da też za kontrolę temperatury, ciśnienia we wnątrz habi-

tatu oraz odzyskiwanie zużytej wcześniej wody i tlenu.

material or metal deposits, it will become a necessity for

the success of the mission and the development of a self

sufficient facility. Taking this into account, rover explora-

tion is relatively easy to represent in the form of energy

consumed by the robots, as shown in formula (2):

(2)

where:

A,i

– the power of the ith rover used in the explora-

tion process,

A,i

– the working time of ith rover in the exploration

process,

– number of rovers.

Extraction

The extraction process focuses on obtaining the re 

sources identified during exploration, and transporting

them to the base for refining for useful forms. The energy

used at this stage is the total of the work carried out by the

rovers and other devices involved in the process, as shown

in formula (3):

(3)

where:

– the power of ith rover in the jth group of the

Extraction process,

– the operating time of ith rover in the j-th group

of the Extraction process.

Exploitation is represented by the total energy con-

sumed to keep the astronauts alive and the facility fully

operational. At the heart of this process are all sustainable

technologies based on closed resource renewal loops and

managing these resources. The crew uses water, food and

oxygen, expelling carbon dioxide and organic waste. The

Environmental Control and Life Support System (ECLSS)

is responsible for keeping oxygen and carbon dioxide at

acceptable levels. The System is also responsible for con-

trolling the temperature, pressure inside the habitat, and

recovering previously used water and oxygen. The recov-

ery efficiency of current ECLSS is 80% of water and 98%

of oxygen used [22].

In the simplest type of a manned mission, all consum-

able resources needed are delivered from Earth, and the

crew will be able to complete the mission only because of

ECLSS. In such a scenario, the sum of the energy during

the exploitation process will be equal to the work done by

ECLSS, as shown in formula (4):

= P

(4)

where:

– power of ECLSS machines,

– ECLSS working time needed to service one as 

tro naut,

– number of astronauts.

A morecomplex scenario can also be envisaged, in

which consumable resources, such as water, are obtained







)(

)2(

)1(

)(

)2(

)1(

,BB

tPtPtPE





,A,AA

tPE





,A,AA

tPE







)(

)2(

)1(

)(

)2(

)1(

,BB

tPtPtPE

)(

CCCC

NtPE 

Czerwone Pogranicze: energia ucieleśniona marsjańskiej architektury /The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture 73

from local deposits. This scenario demonstrates the objec-

tive of the facility being selfsufficient and, in that case,

this aspect of the mission could be given top priority. In

this scenario, the crew would have to use robotic rovers to

find and obtain water ice, which could then be treated or

used to obtain oxygen and hydrogen. Embodied energy

calculations will help optimise these tasks to create the

mosteffective strategy for the maintenance of the facility

from the resources available on the Red Planet. It is only

when the facility reaches a satisfactory level of selfsuffi-

ciency and the crew has a surplus of locally sourced raw

materials that development and expansion of the base can

be considered.

Expansion

Expansion is a process that requires substantial re 

sources. The construction of new structures requires not

only large amounts of energy (which is also consumed by

existing infrastructure), but also building materials ac 

quired during the exploration and extraction processes.

This process is also time consuming and, therefore, con-

sidered to be the most complicated. The habitat and its

crew must be prepared and secured for the duration of the

construction, requiring a certain degree of involvement of

all previous processes. A completed extension of the facil-

ity entails the need to, once again, aspire to selfsufficien-

cy by increasing the scale of obtaining raw materials from

available sources to be sufficient for the new demand for

oxygen, energy and water. The development cycle of the

facility is limited by the amount of resources available

and the level of their extraction.

An example of a theoretical process of constructing

architecture from local resources using additive manufac-

turing technology is presented in Figures 4 and 5. This

process involves the use of two rovers connected by

a crane with a robotic arm with a laser for the 3D printer

at the end, and one rover transporting building material.

For the above process, calculations of the work performed

by the robots are simple, as shown in formula (5):

(5)

where:

– power of ith rover in jth group of the Ex pan 

sion process,

– the operating time of ith rover in the j-th group

of the Expansion process.

Prototype scenario

To illustrate the 4X strategy, a prototype simulation

was used. The simulation is based on realtime strategy

computer games and turnbased games. Creating simi

lar simulations will make it possible to not only illustrate

how this type of solution works, but also carry out the first

simplified optimisations of resource management strate-

gies. As a result, it will be possible to prepare a number of

strategies and procedures depending on the scenario set.

The technological concepts contained in the pre sented

Spra wność odzysku obecnych systemów ECLSS sięga

80% zużytej wody oraz 98% zużytego tlenu [22].

W najprostszym typie misji załogowej wszystkie po 

trzebne zasoby zużywalne zostają dostarczone z Ziemi,

a załoga będzie mogła wykonać misję jedynie dzięki pra-

cy systemu ECLSS. W takim scenariuszu suma energii

podczas procesu eksploatacji będzie równa pracy wyko-

nanej przez ECLSS, jak przedstawione zostało we wzo-

rze (4):

(4)

gdzie:

– moc maszyn ECLSS,

– czas pracy ECLSS potrzebny do obsłużenia jed-

nego astronauty,

– liczba astronautów.

Można założyć też bardziej złożony scenariusz, w któ-

rym zasoby zużywalne, np. woda, są pozyskane z lokal-

nych złóż. Taki scenariusz przedstawia dążenie do samo-

wystarczalności placówki i w takim wypadku ten aspekt

misji mógłby uzyskać najwyższy priorytet. W tym scena-

riuszu załoga musiałaby za pomocą robotycznych łazi-

ków odnaleźć i pozyskać wodny lód, który następnie

mógłby zostać poddany procesowi uzdatniania lub zużyty

do pozyskania tlenu i wodoru. Obliczenia energii uciele-

śnionej będą pomocne w procesie optymalizacji tych za dań

w celu stworzenia najbardziej efektywnej strategii utrzy 

mania placówki z zasobów dostępnych na Czerwonej Pla

necie. Dopiero kiedy placówka osiągnie zadowalający

poziom samowystarczalności, a załoga dysponować bę 

dzie nadwyżką pozyskanych lokalnie surowców, będzie

można rozważać ekspansję i rozbudowę bazy.

Ekspansja

Ekspansja jest procesem łączącym się ze znacznymi

nakładami zasobów. Konstrukcja nowych struktur wyma-

ga nie tylko dużej ilości energii (którą również zużywa

istniejąca infrastruktura), ale też materiałów budo w la nych

pozyskanych podczas procesów eksploracji oraz ekstrak-

cji. Ten proces jest również czasochłonny, dlatego też

uznawany jest za najbardziej skomplikowany. Ha bi tat

i jego załoga muszą być przygotowani i zabezpieczeni na

czas budowy, wymagającej zaangażowania w pe w nym

stop niu wszystkich poprzednich procesów. Za koń czo na

roz bu dowa placówki pociąga za sobą ko nieczność po no w

nego dążenia do samowystarczalności po przez zwięk

szenie skali pozyskiwania surowców z do stępnych źródeł

w celu pokrycia nowego popytu na tlen, energię czy

wodę. Cykl rozwoju placówki ograniczony jest przez

ilość dostępnych zasobów oraz poziom ich wydobycia.

Przykładowy, teoretyczny proces konstrukcji archi

tektury z zasobów lokalnych za pomocą technologii

wytwarzania przyrostowego został przedstawiony na ilu-

stracji 5 oraz 6. Proces ten zakłada użycie dwóch łazików

połączonych suwnicą z ramieniem robotycznym zakoń-

czonym laserem składających się na drukarkę 3D, oraz

jednego łazika transportującego materiał budowlany. Dla

powyższego procesu łatwo można dokonać kalkulacji

CCCC

NtPE 







)(

)2(

)1(

)(

)2(

)1(

,DD

tPtPtPE

)(

74 Leszek Orzechowski

pro totype are based on the solutions developed by the

Space is More project team of the Wrocław Uni versity of

Science and Technology under the direction of the author

as part of the NASA 3D Printed Habitat Challenge [12].

Landing site

The facility was located on Mars in the Gale Crater

with coordinates 5.4S, 137.8E in the northwestern quad-

rant of the Aeolis region (Fig. 6). It was chosen because

of the existing extensive orbital data sets and analyses

conducted for the purpose of the rover Curiosity during

the process of selecting the MER (Mars Exploration

Rover) mission area [23], [24].

The selected region has at least three possible sources

of construction material in the form of dunes. Aeolis

dunes can be divided into three subgroups:

1. Dark dunes at the base of the Sharp Mountain –

composed of metamorphic components suggesting a pow-

dered olivine, which is basalt rock. Grain sizes require

detailed field studies [25].

2. Dunes inside the craters scattered over Aeolis Palus

– on the map (Fig. 7), large formations with a size larger

than 60 m have been marked in white. Each highlighted

deposit has a sufficient amount of building material for

habitat construction [26].

3. Small aeolian dunes scattered at the base of the crater

that may contain useful material on fine fraction [27].

Simulation

The simulation scenario presented is defined as the

mission of four astronauts in a functional habitat. Nearby

are solarpanel batteries providing energy, and a set of

au to nomous machines: four exploring rovers, two rovers

collecting regolith, and one printer consisting of two

robots. In the simulated scenario, the base is selfsuffi-

cient. A decision is made to build a habitat extension that

will provide shelter for the next four astronauts. To this

end, a robotic process of finding and gathering construc-

tion materials can be carried out, as well as construction

of the shell stage of the construction. An example of such

a simulation is shown in Figures 8 and 9.

In order to execute the scenario, the described process-

es operate in a 4X cycle: exploration, extraction, exploita-

pracy wy konanej przez roboty, jak przedstawiono we

wzorze (5):

(5)

gdzie:

– moc itego łazika w jtej grupie procesu eks

pansji,

–

praca

i-tego

łazika w

jtej

grupie procesu ekspan-

sji.

Prototypowy scenariusz

W celu przedstawienia funkcjonowania strategii 4X

posłużono się prototypową symulacją. Symulacja operuje

na zasadach zaczerpniętych z komputerowych gier strate-

gicznych czasu rzeczywistego oraz gier turowych. Two

rzenie podobnych symulacji pozwoli nie tylko zilustro-

wać zasadę działania tego typu rozwiązań, lecz także

przeprowadzić pierwsze uproszczone optymalizacje stra-

tegii zarządzania zasobami. W rezultacie możliwe będzie

przygotowanie wielu strategii i procedur w zależności od

zadanego scenariusza. Technologiczne koncepcje zawar

te w przedstawianym prototypie opierają się na rozwią

zaniach wypracowanych przez grupę projektową Space

is More z Politechniki Wrocławskiej pod kierownictwem

autora w ramach konkursu NASA 3D Printed Habitat

Challenge [12].

Miejsce lądowania

Placówka została umiejscowiona na Marsie w kraterze

Gale o współrzędnych 5.4S, 137.8E w północnozachod-

nim kwadrancie regionu Aeolis (il. 6). Została ona wybra-

na ze względu na istniejące obszerne zbiory danych orbi-

talnych i analiz wykonanych na potrzeby misji łazika

Curiosity podczas procesu selekcji obszaru misji MER

(Mars Exploration Rover) [24], [25].

Wyselekcjonowany region ma przynajmniej trzy moż-

liwe źródła materiału budowlanego w postaci wydm.

Wydmy Aeolis można podzielić na trzy podgrupy:

1. Ciemne wydmy podstawy góry Sharp – złożone

z metamorficznych składowych sugerujących sproszko

wa ny oliwin, czyli skałę bazaltową. Rozmiary ziarna wy 

magają szczegółowych badań terenowych [26].

Il. 6. Krater Gale oraz wybrane

miejsce lądowania

(oprac. L. Orzechowski)

Fig. 6. Gale Crater and selected

landing site (by L. Orzechowski)







)(

)2(

)1(

)(

)2(

)1(

,DD

tPtPtPE

)(

Czerwone Pogranicze: energia ucieleśniona marsjańskiej architektury /The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture 75

2. Wydmy znajdujące się wewnątrz kraterów rozrzu

conych po Aeolis Palus – na mapie (il. 7) oznaczono kolo

rem białym znaczne formacje o rozmiarach większych niż

60 m. Każdy zaznaczony depozyt posiada dostateczną

ilość budulca dla konstrukcji habitatu [27].

3. Małe wydmy aeolinu rozsiane przy podstawie kra

teru mogące zawierać przydatny materiał o drobnej frak

cji [27].

Symulacja

Scenariusz symulacji jest przedstawiony jako misja

czterech astronautów znajdujących się w funkcjonalnym

habitacie. W pobliżu znajdują się baterie paneli słonecz

nych dostarczające energię oraz zestaw autonomicznych

maszyn: 4 łazików eksplorujących, 2 łazików zbierają

cych regolit oraz jednej drukarki złożonej z dwóch robo

tów połączonych suwnicą z ramieniem robotycznym.

W symulowanym scenariuszu baza jest samowystarczal

na. Podjęta zostaje decyzja o budowie rozszerzenia habi

tatu, który zapewni schronienie kolejnej czwórce astro

nautów. W tym celu można przeprowadzić robotyczny

proces zlokalizowania materiałów konstrukcyjnych, po 

zy skania ich oraz budowy stanu surowego konstrukcji.

Przykładowy przebieg takiej symulacji przedstawiony

został na ilustracji 8 i 9.

W celu realizacji scenariusza opisane procesy operu

ją w cyklu 4X: eksploracji, ekstrakcji, eksploatacji oraz

ekspansji. Zaczynając, operator habitatu oraz robotów

– po zapoznaniu się z sytuacją bazy (il. 8A, nr 2) –

stwierdza:

– Łazik zbierający pozyskuje wodę w postaci lodu

z po b liskiego depozytu (il. 8A, nr 1). Zgromadzone zapa

sy są wystarczające na zaspokojenie potrzeb habitatu na

okres rozbudowy.

– W pobliżu habitatu znajduje się niewielka ilość zgro

madzonego wcześniej materiału budowlanego w po staci

od powednio małej frakcji regolitu.

– Łaziki eksplorujące nie pracują, znajdują się w naj

bliższej okolicy bazy (il. 8A, nr 3).

Operator podejmuje decyzje o rozbudowie habitatu,

wy bierając miejsce konstrukcji (il. 8B, nr 4). Po zatwier

dzeniu lokalizacji roboty drukujące rozpoczynają proces

budowy, używając wcześniej zgromadzonego materiału

budowlanego. Rozpoczyna się procedura ekspansji. Ro 

boty drukujące kontynuują proces budowy, podczas gdy

łaziki zbierające dostarczają materiał (il. 8B, nr 5, 6).

W pewnym momencie operator dostaje informacje o wy 

czerpaniu zgromadzonego depozytu materiału budo wla

nego i wstrzymaniu procesu budowy. Procedura ekspansji

zostaje przerwana, a zostają uruchomione procedury eks

ploracji w celu zidentyfikowania nowego depozytu mate

riału budowlanego oraz procedura ekstrakcji pobliskie

go depozytu lodu – kontynuacja wcześniej przerwanego

procesu (il. 8C, nr 8, 9).

Operator na podstawie danych satelitarnych określa

obszar eksploracji dla łazików eksplorujących. Wybiera

oddalony o pół kilometra na wschód teren pokryty nie

licznymi wydmami oraz rumoszem skalnym. Po dotarciu

na miejsce łazik, analizując jedną z wydm, identyfikuje

tion, and expansion. While startinrubbleg the scenario the

player needs to consider the state of the base, robots and

resources (Fig. 8A, no. 1–3). He asses:

– A gathering rover collects water in the form of ice

from a nearby deposit,

– Station has enough consumables (water, food, oxy

gen) to sustain its crew for a prolonged period of time,

– There is a small deposit of building material located

in the close proximity of the base.

– The exploration and building rovers are idle and are

near the base.

The operator decides that it is a favourable situation to

start the building process. A place for future expansion of

the habitat is chosen. Printing robots begin the construc

tion process using previously collected building mate rials.

The Expansion procedure begins. Gathering ro vers trans

port construction material to printing robots until the

deposit of construction material has been ex hausted be

fore

completion of the construction process (Fig. 8B, no. 4–6).

The player is in need of new construction material de 

posit. He analyses satellite data to set exploration directions.

Key sites are identified: Habitat (Fig. 8C, no. 7), Rock

rubble (Fig. 8C, no. 8), Water ice deposit (Fig. 8C, no. 9).

An exploring rover is sent to a location near rocky rub

ble fields. It finds a regolith deposit with the right fraction

for construction (Fig. 8D, no. 10, 11). The collecting rovers

are sent to the building material deposit (Fig. 8E, no. 12–14).

The expansion process can continue. With enough material,

power and supplies construction can be finalized without

further drawbacks (Fig. 8F, no. 16, 17). The player is pre 

sented with an amount of power used and embodied energy

of the habitat. He/she is informed that according to the

simulation scenario the process could be optimized and

could take less time and energy resulting in lower embod

ied energy of the habitat.

Il. 7. Rejony zainteresowań w kraterze Gale

(oprac. L. Orzechowski)

Fig. 7. Areas of interest in the Gale Crater

(by L. Orzechowski)

76 Leszek Orzechowski

Conclusions

The above scenario describes a series of actions that

co incide with the 4X strategy and that are needed to

create the architecture using robots. Calculations of the

em bodied energy of the constructed habitat can be car-

ried out for the scenario. The results of such calculations

can help optimise future tasks and reduce construction

time and energy consumption. Following is equation (6),

which de scribes the calculations for the considered sim-

ulation:

(6)

The meaning of symbols, in order:

– power and running time of rover No. 1 in

the Exploration group,

– power and running time of rover No. 1

assigned to task (1) in the Extraction group,

– power and running time of rover No. 2

assigned to task (2) in the Exploitation group,

Il. 8. Wizualizacja scenariusza symulacji (oprac. L. Orzechowski)

Fig. 8. Visualisation of the simulated scenario (by L. Orzechowski)

odpowiednią frakcję regolitu pozwalającą na użycie

w procesie budowlanym (il. 8D, nr 10, 11). W tym mo -

mencie proces eksploracji może zostać zakończony po

bezpiecznym powrocie łazika i oznaczeniu trasy. Cel pro-

cesu ekstrakcji zostaje zmieniony z depozytu lodu na od -

dalony

depozyt materiału budowlanego (il. 8E, nr 12–14).

Po za pewnieniu regularnych dostaw materiału operator

może pod jąć decyzję o kontynuacji procesu ekspansji

(il. 8F, nr 16,

17). Przy dostatecznie dużych ilościach

energii, zapasów wody oraz materiału budowlanego roz-

budowa bazy kończy się sukcesem.

Wnioski

Powyżej omówiony scenariusz przedstawia szereg ak 

cji zbieżnych z założeniami strategii 4X pozwalający

mi opisać proces prowadzenia budowy za pomocą robo

tów. Dla scenariusza można przeprowadzić kalkulacje

ener gii ucieleśnionej skonstruowanego habitatu. Wy niki

ta kich obliczeń mogą pomóc w optymalizacji przyszłych

zadań i ograniczeniu czasu budowy lub zużycia energii.



















)2(

2,D

)2(

2,D

)2(

1,D

)2(

1,D

)1(

1,D

)1(

1,D

)2(

1,B

)2(

1,B

)1(

1,B

)1(

1,B1,A1,A

hab

tPtPtP

tPtPtPtP

1,A1,A

; tP

)1(

1,B

)1(

1,B

; tP

)2(

1,B

)2(

1,B

; tP

Czerwone Pogranicze: energia ucieleśniona marsjańskiej architektury /The Red Frontier: the embodied energy of Martian architecture 77

Rów nanie (6) dla rozważanej sy mulacji wygląda nastę

pująco:

(6)

gdzie:

– moc i czas pracy łazika 1 w grupie eksplo-

racji,

– moc i czas pracy łazika 1 przydzielonego do

zadania (1) w grupie ekstrakcji,

– moc i czas pracy łazika 2 przydzielonego do

zadania (2) w grupie eksploatacji,

– moc i czas pracy łazika 1 przydzielonego do

zadania (1) w grupie ekspansji,

– moc i czas pracy łazika 1 przydzielonego do

zadania (2) w grupie ekspansji,

– moc i czas pracy łazika 2 przydzielonego do

zadania (2) w grupie ekspansji,

4 – liczba astronautów;

oznaczenia P

, t

o raz M

hab

zostały zdefiniowane we

wcześ niejszych wzorach.

Wyniki powyższego obliczenia wyznaczyłyby koszt

architektury tworzonej na Marsie mierzony w jednost-

kach energii ucieleśnionej. Zastosowanie strategii 4X

w trakcie tworzenia powyższego równania pozwala na

przej rzystą klasyfikację podobnych co do złożoności grup

zadań. Autor jest zdania, że dzięki połączeniu estymacji

energii ucieleśnionej ze strategią 4X możliwe są daleko

idące optymalizacje kosztów i zużycia energii pracy robo-

tów. Moż liwe jest również użycie powyższej metody

w warunkach ziemskich, przy założeniu odpowiednio du 

żej automatyzacji procesów produkcji i dokładnym okre-

śleniu odcisku węglowego tych procesów. Aby potwier-

dzić takie szacowania, potrzebne jest przeprowadzenie

testów i symulacji pozwalające pozyskać konkretne dane

liczbowe. Zaprezentowany powyżej scenariusz takiej sy 

mulacji jest obiecującym wstępem do badań nad zaryso-

wanym powyżej zagadnieniem.

Il. 9. Wizualizacja procesu druku 3D (oprac. L. Orzechowski)

Fig. 9. Visualisation of the 3D printing process (by L. Orzechowski)

– power and running time of rover No. 1

assigned to task (1) in the Expansion group,

– power and running time of rover No. 1

assigned to task (2) in the Expansion group,

– power and running time of rover No. 2

assigned to task (2) in the Expansion group,

4 – number of astronauts;

meanings of P

, t

and M

hab

are defined in earlier for mulas.

The results of the above calculation would determine

the cost of the Mars-based architecture measured in units

of embodied energy. The use of the 4X strategy while cre-

ating the above equation allows for a clear classification

of similarly complex task groups. The author is of the

opinion that, thanks to the combination of the estimation

of embodied energy with the 4X strategy, far-reaching

optimisation of costs and energy consumption of robots is

possible. It is also possible to use the above method in

Earth conditions, assuming a sufficiently high automation

of production processes and precise determination of the

carbon footprint of these processes. In order to confirm

such estimates, it is necessary to carry out tests and simu-

lations to obtain specific figures. The above scenario of

such a simulation is a promising introduction to research

on the abovementioned problem.

Translated by

Robert Ciechowicz

Bibliografia /References

[1] Kardashev N., Transmission of Information by Extraterrestrial Civi

lizations, „Soviet Astronomy” 1964, Vol. 8, No. 2, 217–221.

[2] Kardashev N., On the Inevitability and the Possible Structures of

Su per civilizations, [w:] M.D. Papagiannis (ed.), The search for

extra terrestrial life: Recent developments. Proceedings of the 112

Symposium of the International Astronomical Union Held at Boston

University, Boston, Mass., U.S.A., June 18–21, 1984, D. Reidel

Publishing, Dordrecht 1985, 497–504.

[3] Sagan C., Cosmic Connection: An Extraterrestrial Perspective, Dell

Publishing Company, New York 1975.

[4]

Parmesan C., Yohe G., A globally coherent fingerprint of climate chan

ge impacts across natural systems, „Nature” 2003, No. 421, 37–42.

[5]

Hammond G., Jones C., Inventory of Carbon & Energy (ICE), Uni ver si-

ty of Bath, 2008, http://www.organicexplorer.co.nz/site/organicexplore

files/ICE%20Version%201.6a.pdf [accessed: September 2017].

[6] NASA, Journey To Mars, https://www.nasa.gov/content/nasasjour-

ney-to-mars [accessed: September 2017].

[7]

Zubrin R., Richard W., The Case for Mars: the plan to settle the red pla

net and why we must, Touchstone by Simon & Schuster, New York 1997.

[8] The Mars Surface Reference Mission: A Description of Human and

Robotic Surface Activities, S.J. Hoffman (ed.), NASA 2001, http://

www.nss.org/settlement/mars/2001NASAMarsSurfaceReferen-

ceMission.pdf [accessed: September 2017].

[9] Mars Architecture Steering Group, Human Exploration of Mars

Design Reference Architecture 5.0, B.G. Drake (ed.), NASA 2009,

https://www.nasa.gov/pdf/373665main_NASASP2009566.pdf

[accessed: September 2017].

[10] Mars Destination Operations, L. Toups (ed.), NASA 2014, https://

www.lpi.usra.edu/lunar/strategies/HAT_MarsDOT2013Final

Report.pdf [accessed: September 2017].



















)2(

2,D

)2(

2,D

)2(

1,D

)2(

1,D

)1(

1,D

)1(

1,D

)2(

1,B

)2(

1,B

)1(

1,B

)1(

1,B1,A1,A

hab

tPtPtP

tPtPtPtP

1,A1,A

; tP

)1(

1,B

)1(

1,B

; tP

)2(

1,B

)2(

1,B

; tP

)1(

1,D

)1(

1,D

; tP

)1(

1,D

)1(

1,D

; tP

)2(

1,D

)2(

1,D

; tP

)2(

1,D

)2(

1,D

; tP

)2(

2,D

)2(

2,D

; tP

)2(

2,D

)2(

2,D

; tP

78 Leszek Orzechowski

Streszczenie

Celem publikacji było przedstawienie zagadnienia określania kosztów tworzenia ekstremalnej architektury kosmicznej za pomocą autonomicznych

robotów na przykładzie teoretycznego scenariusza załogowej misji na Marsa zawartego w dokumencie NASA Mars Reference Mission. Autor opi

suje strategie pozwalające określić energię ucieleśnioną zawartą w architekturze stworzonej z lokalnych materiałów za pomocą addytywnych pro

cesów produkcyjnych, czyli druku 3D. Energia ucieleśniona jest sumą energii włożonej w proces wytworzenia dowolnej usługi bądź dobra, w tym

energii zużytej do pozyskania surowców do jego wytworzenia, transportu. W ramach omawianej przez autora strategii zakresy prac oraz zadań

zostały pogrupowane w cztery działy pokrywające się ze strukturą rozgrywki strategicznych gier komputerowych z gatunku 4X. Gry komputerowe

4X biorą swoją nazwę od skrótowego opisu elementów prowadzenia rozgrywki: explore, exploit, expand, exterminate, co w wolnym tłumaczeniu

znaczy: eksploracja, eksploatacja, ekspansja, eksterminacja. W trakcie trwania gry użytkownik skupia się na zarządzaniu i rozwijaniu cywilizacji

lub miasta, gdzie głównym jego zadaniem jest pozyskiwanie i zarządzanie zasobami. Taka struktura została uznana przez autora za obiecujący punkt

wyjścia strategii optymalizacji procesu budowy architektury marsjańskiej przez agentów robotycznych. Wspomniana symulacja mogłaby zostać

użyta do stworzenia narzędzia do optymalizacji procedur na potrzeby realnej misji na Marsa przy wykorzystaniu jako wyznacznika energii uciele

śnionej. Takie narzędzie miałoby szanse obniżyć koszty podczas pierwszych załogowych misji na inne planety. W dalszej perspektywie stosowanie

takiego rozwiązania do gromadzenia danych o energii ucieleśnionej pozwoli na zachowanie całości danych o odcisku ekologicznym kolonizacji Marsa.

Słowa kluczowe: architektura kosmiczna, druk 3D, energia ucieleśniona, automatyzacja budowy

Abstract

The purpose of this publication is to present the problem of determining the costs of creating extreme space architecture using autonomous robots

based on the example of the theoretical manned mission to Mars scenario contained in the NASA Mars Reference Mission document. The author

focuses on strategies that can determine the embodied energy contained in architecture made from local materials, using additive manufacturing

processes – 3D printing. Embodied energy is the sum of the energy invested in the process of producing any service or good, including the energy

consumed to obtain raw materials for its production and transport. Procedures to optimise the work of robotic agents will be crucial during manned

Mars missions with limited access to resources, including electricity. Using robots to work on the surface will precisely determine the amount of

energy used to complete the given job, which will enable optimisation and the determination of the embodied energy of these works. As part of the

strategy discussed by the author, the scope of work and tasks are grouped into four divisions that coincide with the gameplay structure of 4Xtype

strategic computer games. 4X computer games get their name from the brief description of the gameplay elements: “explore, exploit, expand, exter

minate”. During the game, the user focuses on managing and developing a civilisation or city, where resource acquisition and management play

a central role. The author considers such a structure to be a promising starting point for the strategy of optimising the process of building a Martian

architecture using robotic agents. Procedures that can determine the embodied energy of the described processes have been grouped into the sections

Exploration, Extraction, Exploitation, and Expansion, and have been included in the simulation model for the manned mission to Mars in the form

of a 4Xtype computer game prototype. This simulation could be used to create a tool for optimising procedures for the needs of an actual mission

to Mars, using embodied energy as an indicator. Such a tool would have the potential to reduce costs during the first manned missions to other

planets. In the longer term, the use of such a solution for the collection of data on embodied energy will preserve all environmental footprint data

of the colonisation of Mars.

Key words: space architecture, 3D printing, embodied energy, building automation

[11] ESA, http://www.esa.int/Highlights/Lunar_3D_printing, 2015 [acces

sed: September 2017].

[12] NASA 3D-Printed Habitat Challenge, https://americamakes.us/

wpcontent/themes/3dchallenge2015/assets/Design_Competition_

Rules.pdf, 2015 [accessed: September 2017].

[13] Huntsberger T., Pirjanian P., Schenker P.S., Robotic outposts as pre-

cursors to a manned Mars habitat, „AIP Conference Pro ceed ings”

2001, Vol. 552, Iss. 1, https://www.researchgate.net/publication

/2801344_Robotic_Outposts_as_Precursors_to_a_Manned_Mars_

Habitat [accessed: September 2017].

[14]

Huntsberger T., Rodriguez G., Schenker P.S., Robotics challenges for

robotic and Human Mars Exploration, Jet Propulsion Labo ra tory,

Pasadena 2012, http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=

10.1.1.83.3242&rep=rep1&type=pdf [accessed: September 2017].

[15]

Fong T., Thorpe C., Baur C., Collaboration, Dialogue, and Hu man-

Robot Interaction, [w:] 10

International Symposium of Robotics Re -

search, Lorne, Victoria, Australia, SpringerVerlag, Pitts burgh, PA

2001, https://pdfs.semanticscholar.org/f617/005acc94c64f6f8fed991f

9949774257ae8f.pdf [accessed: September 2017].

[16] Space is More design team, www.spaceismore.com [accessed: Sep 

tember 2017].

[17] 4x Strategies, https://en.wikipedia.org/wiki/4X [accessed: Sep tem

ber 2017].

[18]

Civilization, https://en.wikipedia.org/wiki/Civilization_(video_game)

[accessed: September 2017].

[19] Colonization, https://en.wikipedia.org/wiki/Sid_Meier%27s_

Colonization [accessed: September 2017].

[20] Pharaoh, https://en.wikipedia.org/wiki/Pharaoh_(video_game)

[accessed: September 2017].

[21]

Master of Orion II, https://en.wikipedia.org/wiki/Master_of_Orion_II

[accessed: September 2017].

[22] Meyer Th.R., McKay C., The resources of Mars for human settle-

ment, „Journal of the British Interplanetary Society” 1989, Vol. 42,

147–160, https://www.researchgate.net/publication/252478654_

Using_the_Resources_of_Mars_for_Human_Settlement [acces

sed: September 2017].

[23] Schwenzer S.P., Abramov O., Allen C.C. et al., Gale Crater: For-

ma tion and postimpact hydrous environments, „Planetary and Space

Science” 2012, No. 70, Iss. 1, 84–95, http://www.sciencedi rect.

com/science/journal/00320633/70 [accessed: September 2017].

[24] Golombek M., Grant J., Vasavada A.R. et al., Final Four Landing

Sites For The Mars Science Laboratory, LPI Contribution No. 1608,

1520, Texas 2011, https://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2011/pdf/

1520.pdf [accessed: September 2017].

[25] Arvidson R.E., Bellutta P., Calef F. et al., Terrain physical proper-

ties derived from orbital data and the first 360 sols of Mars Science

Laboratory Curiosity rover observations in Gale Crater, „Journal

of Geophysical Research: Planets” 2014, Vol. 119, 1322–1344,

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2013JE004605/epdf

[accessed: September 2017].

[26] Milliken R.E., Ewing R., Fischer W., Hurowitz J., Clay and Sul-

fate-Cemented Sandstones in Gale Crater: Evidence from Orbital

Data, [w:] 44

Lunar and Planetary Science Conference, The

Wood lands, Texas, March 18–22, 2013, 1243, https://www.lpi.usra.

edu/meetings/lpsc2013/pdf/1243.pdf [accessed: September 2017].

[27] Milliken R., MSL Science Team, Mineral Mapping of Gale Crater

Using Orbital Data: Results From Visible Near Infrared Reflec-

tance Spectroscopy, „Search and Discovery” 2014, Article #51013,

http://www.searchanddiscovery.com/documents/2014/51013milliken

/ndx_milliken.pdf [accessed: September 2017].