01_SSDH (Self-Sustaining Desert Habitat)
Desert geographical areas are regions characterized by high atmospheric pressure and limited precipitation, rarely exceeding 50 ml per year. Considering their geomorphological aspect, they appear not only as surfaces covered with sand dunes, but also as places with either mountains and plateaus or arid plains with no vegetation or rocky/gravelly surfaces.
Deserts are considered extreme environments and are remarkable even in their extent, since they cover a total area of 50 million square kilometres, which is 30% of the Earth's landmass, including hot deserts, cold deserts and polar deserts. The desert ecosystem is often thought as a place with limited life, but this is only partially true because everything depends on the specific kind of desert. In some areas, life is abundant, the vegetation is adapted to the low humidity rate and there is a predominantly nocturnal wildlife.
Despite the challenging environmental conditions, deserts have soils suitable for cultivation, and with the presence of water, vegetation can thrive. On the other side, in many deserts, because of climatic variations over the past million years, at least, arid periods have alternated with rainy ones, during which rivers and lakes were formed.
One way to make deserts fertile is irrigation and, in some regions of the world, cultivation areas using drip irrigation systems (with minimal water consumption) are already recreating fertile zones in the middle of deserts.
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SSDH is an idea for a self-sustaining habitat suitable for human life in the desert, designed to ensure energy and production autonomy, minimizing external supplies. In the event of climate change, including increased temperatures and the expansion of desert areas, the SSDH habitat envisions a community and self-reliant living environment, even in case of limited resources, because it is based on the water cycle. It also represents an alternative to marine or sub-marine habitats.Each SSDH unit is unique, but the dimensional data are similar in order to guarantee a critical mass. The average surface area of each unit ranges from 130,000 to 160,000 square metres, divided into 16-20 levels, on average. It has a height of approximately 200 metres and a planimetric size of 280 metres in length and 90 metres in depth. Each unit can accommodate a variable number of occupants, ranging from 2,500 to 3,500 people, and it works as a self-sustaining unit for extremely hot environments that contributes to the colonization and the regeneration of the surrounding area.The SSDH unit consists of five main components:
- Supporting structure and external surface (structural exoskeleton)
- Common spaces (meeting, education, physical activities, healthcare, green areas): 4-5 levels, approximately 30,000 square metres.
- Living spaces (residences): 5-6 levels, approximately 50,000 square metres.
- Workspaces (agriculture, aquaculture, laboratories, manufacturing): 4-5 levels, approximately 50,000 square metres.
- Technical spaces (resource management, energy production, recycling, disposal): 4-5 levels, approximately 20,000 square metres.
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Water Cycle - The construction is inspired by methods of water collection and conservation developed through the evolutionary process by animals and plants that have adapted themselves to arid regions. The external surface of the colony is spiky and deep, with a contact surface with the outside much larger than its real dimensions, and capable of providing shade on the entire recessed area. The spines contain channels and grooves that absorb and transport water when they come into contact with it, conveying it towards the inside of the building. Therefore, the unit collects water directly from the rain and the moisture in the air and soil.
The physical principle of capillary rise helps the semi-passive transport of water, then stored in large underground tanks, most of which are buried. The idea is to create a system of channels capable of moving the fluid for short distances without using electrical devices, in order to supply water to the settlement, not stealing electricity from it. Some of the water is purified and made potable, but most of it is used to generate energy and support agricultural crops and aquaculture. Since drinkable water does not have to be completely free of salts, the treatment leaves a modest amount of dissolved minerals (25-50 mg/l), and the filtration residues are used as fertilizing by-products for the cultivations.
Energy Production - Energy production is obtained by converting the water column into electrical power (hydroelectricity), and this is directly inspired by hydroelectric power plants that utilize water and gravity. The principle aims at creating large underground tanks at different levels of the settlement, containing water stored under natural pressure. A system of pumps connects these reservoirs to chambers located at the top of the unit. The electricity generated by this system is used to pump water from the lower reservoir to the upper chamber and then release it dawnward, through gravity. This downward flow of water activates micro-hydroelectric turbines that produce electricity. The efficiency of these devices is 50-60% and can rely on an unlimited number of charge and discharge cycles, which guarantee a long operational lifespan. More specifically, the water extracted from the underground tanks is transported from the pumping station to the chambers of the unit (located at various levels with a minimum height difference of 30 metres between them). Once the chambers are filled, the potential energy of the falling water is harnessed for electricity production. The energy generated is then partially reused for pumping water back to the chambers. Through this configuration, an estimated useful production of about 25-30 kWh is feasible.
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Cultivation and Temperature - The underground part of the SSDH contains the main tanks for water collection and also the spaces for cultivation, aquaculture and food storage. Natural light is channelled underground through reduced-section solar tubes, and the lower and constant temperature facilitates agricultural production. Within the SSDH, the temperature remains stable despite the remarkable day/night thermal excursions thanks to the continuous natural ventilation system existing between the exoskeleton layer and the secondary structure. The mass of the exoskeleton itself and the absence of direct radiation and ventilation from the inside to the outside also contribute to ensure a constant internal temperature. Thanks to various passive systems, the temperature inside can be most probably maintained within a range of 27-30 degrees Celsius.
Materials
Possible materials to be used for the construction include:
- Spiky exoskeleton: sand and binder mixture of polyolefins.
- Floors and ramps: steel, sand, and binder mixture of polyolefins.
- Secondary structure: steel.
- Structural exoskeleton: steel and carbon fibre cement.
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Le aree geografiche desertiche sono zone con alta pressione atmosferica e scarse precipitazioni, difficilmente superiori ai 50 ml l’anno. Sotto il profilo geomorfologico si presentano non solo come una superficie coperta di dune sabbiose ma anche come luogo di montagne ed altopiani, pianure aride e prive di vegetazione, superfici rocciose o ghiaiose. I deserti sono considerati ambienti terminali e sono importanti anche nelle loro estensioni: la loro superficie totale è infatti di 50 milioni di chilometri quadrati, costituendo il 30% delle terre emerse tra deserti caldi, deserti freddi e deserti polari. L’ecosistema desertico è generalmente immaginato come luogo con poca vita, ma questo è vero solo in parte poiché dipende dal tipo desertico: in alcune zone la vita è abbondante, la vegetazione è adattata al basso tasso di umidità e la fauna ha una attività prevalentemente notturna. Malgrado le condizioni ambientali il deserto ha un suolo adatto a sostenere le coltivazioni e in presenza di acqua la vegetazione può svilupparsi. D’altro canto, in molti deserti, almeno nell’ultimo milione di anni a causa le fluttuazioni climatiche, si sono alternati periodi aridi a periodi piovosi, durante i quali si sono formati anche fiumi e laghi. Un modo quindi per rendere fertile il deserto è irrigarlo artificialmente e già sono presenti in alcune regioni del pianeta delle coltivazioni che con sistemi di irrigazione a goccia, utilizzando pochissima acqua, ricreano aree fertili in pieno deserto.
SSDH è un’idea di habitat, autosufficiente e adatto alla vita dell’uomo nel deserto, pensato per garantire autonomia energetica e produttiva, limitando al massimo gli apporti esterni. Nell’ipotesi di un cambiamento climatico con aumento delle temperature e dell’estensione delle aree desertiche l’habitat SSDH prefigura un ambiente di vita comune ed autonomo pur in presenza di scarse risorse disponibili, basato sul ciclo dell’acqua ed alternativo ad habitat marini o sub-marini. Ogni unità SSDH è diversa dall’altra ma i dati dimensionali sono analoghi affinché sia garantita una determinata massa critica. La superficie media di ogni unità è di 130-160.000 metri quadrati suddivisi in una media di 16 – 20 livelli. Ha un’altezza di circa 200 metri e una dimensione planimetrica di 280 metri (lunghezza) e 90 metri (profondità). Ogni unità è per un numero variabile di occupanti che va comunque dalle 2500 alle 3500 unità e si configura come una unità autosufficiente per ambienti molto caldi che nel tempo contribuisce a colonizzare e rigenerare l’area in prossimità della colonia stessa.
L’unità SSDH è suddivisa in cinque elementi costitutivi principali:
• Struttura di sostegno e superficie esterna (esoscheletro strutturale)
• Spazi comuni (incontro, didattica, attività fisica, sanità, verde) - 4÷5 livelli mq. 30.000 circa;
• Spazi abitativi (residenze) - 5÷6 livelli mq. 50.000 circa;
• Spazi per il lavoro (agricoltura, acquacoltura, laboratori, manifattura) - 4÷5 livelli mq. 50.000 circa;
• Spazi tecnici (gestione delle risorse, produzione energia, riciclo, smaltimento) - 4÷5 livelli mq. 20.000 circa.
Ciclo dell’acqua - La costruzione è ispirata ai metodi di raccolta e conservazione dell’acqua messi a punto nel processo evolutivo da animali e piante adattate alla vita nelle regioni aride. La superficie esterna della colonia è spinosa e profonda, con una superficie di contatto con l’esterno assai superiore a quella delle sue reali dimensioni di ingombro e con la capacità di procurarsi ombra portata sulla totalità della superfice in recesso. Le spine contengono canali e scanalature che assorbono e trasportano l’acqua con cui entrano in contatto verso l’interno dell’edificio. La costruzione raccoglie quindi l'acqua direttamente dalla pioggia e dall’umidità dell'aria e del suolo. Il principio fisico della risalita capillare coadiuva il trasporto semi-passivo dell’acqua che è immagazzinata in ampie cisterne, la maggior parte interrate. L’idea è quella di realizzare un sistema di canali in grado di movimentare il fluido per brevi distanze senza ausilio di dispositivi al fine di rifornire di acqua l’insediamento senza sottrarre energia elettrica. Parte dell’acqua è depurata e resa potabile ma la maggior parte è utilizzata per produrre energia e sostenere culture agricole e acquacoltura. Poiché l'acqua potabile non deve essere priva di sali il trattamento lascia una modesta quantità di trascinamenti (25-50 mg/l) ed i residui della filtrazione sono utilizzati come sottoprodotto fertilizzante ad uso delle coltivazioni.
Produzione di Energia - La produzione avviene mediante la trasformazione in energia elettrica della colonna d’acqua (idroelettricità) il cui funzionamento è ispirato direttamente a quello delle centrali idroelettriche che sfruttano acqua e gravità. Il principio è di realizzare ai livelli interrati dell’insediamento grandi serbatoi contenenti acqua immagazzinata a pressione naturale. Un sistema di pompe collega questo serbatoio a camere posizionate alla sommità dell’edificio. L’elettricità generata dallo stesso sistema è utilizzata per pompare l’acqua dal serbatoio inferiore alla camera superiore per poi rilasciarla in basso sotto l’effetto della gravità. Il passaggio dall’alto al basso aziona microturbine idroelettriche che producono elettricità. L’efficienza di questi dispositivi è compresa tra il 50 e l’60 per cento, potendo inoltre contare su un numero illimitato di cicli di carica e scarica e una lunga durata operativa. Più dettagliatamente l’acqua prelevata nelle cisterne interrate è trasportata dalla stazione di pompaggio alle camere dell’edificio (poste a vari dislivelli, non solo agli ultimi livelli, ma ad almeno 30 metri di altezza tra uno e l’altro). Una volta riempite le camere l’energia potenziale dell’acqua in caduta è sfruttata per la produzione di elettricità. L’energia prodotta è poi in parte riutilizzata per il pompaggio dell’acqua nuovamente verso le camere. Con questa configurazione è ipotizzabile una produzione utile stimata di circa 25/30 kWh.
Coltivazioni e Temperatura - La parte interrata della SSDH contiene le cisterne principali per la raccolta dell’acqua e gli spazi destinati alle coltivazioni, all’acquacoltura e allo stoccaggio degli alimenti. La luce naturale è canalizzata nel sottosuolo per mezzo di tubi solari a sezione ridotta e la temperatura più bassa e costante agevola la produzione agricola. All’interno della SSHD la temperatura non risente delle notevoli escursioni termiche giorno/notte (in alcune aree desertiche fino a 40/50 gradi in valore assoluto) in ragione del sistema di ventilazione naturale in continuo che si instaura tra lo strato dell’esoscheletro e della struttura secondaria. Contribuiscono inoltre a garantire la temperatura costante la massa dell’esoscheletro stesso, l’assenza di irradiazione e ventilazione diretta interno/esterno. Si prevede che nei settori interni della costruzione la temperatura possa essere mantenuta costante, grazie ai vari sistemi passivi adottati, in un intervallo di 27/30 gradi.
Materiali - Ipotesi dei materiali costitutivi principali:
- Esoscheletro spinoso: sabbia e legante di miscela di poliolefine
- Solai e rampe: acciaio, sabbia e legante di miscela di poliolefine
- Struttura secondaria: acciaio
- Esoscheletro strutturale: acciaio e cemento in fibra di carbonio