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F.2.1.1.1.1 控制位置資料

此功能提供對位置的所有運營任務的控制，包括那些居住和運輸任務，這些任務不是內部控制到各自的元素。例如，推遲居住的衣服洗滌以管理峰值位置電源需求。根據需要提供對元素的內部控制。例如，本地控制器可以監控窯的溫度，並與外部通訊以獲取新任務並報告狀態。控制功能包括人工未來計劃和回顧性分析，生成對元素的即時命令，顯示，條件觀察和操作資料收集。它還包括接受外部銷售訂單，獲取外部供應以及內部簿記和輸出分配等任務。它是透過本地和遠端控制的混合以及人工，自動化和軟體命令和操作的混合來實現的。

控制位置需求

• 2.3 自動化 - 目標是相對於 2013 年美國類似任務的平均水平，將人工工時減少 85%。預計這將需要在位置和各個元素級別進行廣泛的控制軟體，並將感測器和執行器連結到整個位置，以使它們能夠作為一個連貫的系統執行。最初的自動化水平將無法達到 85% 的目標，但我們將納入現有的和可能的自動化，並著眼於隨著位置發展而隨著時間的推移而提高它。此要求還分佈在位置的其他功能中，只要每個單獨的元素（包括必要的感測器和控制硬體）滿足更高級別的自動化目標，即可實現此要求。

• 2.3 自治 - 目標是在本地控制至少 85% 的生產運營和維護。這將決策權主要放在了位置居民和當地專案成員手中。我們認為這本身是值得的，但從人工和技術角度來看，也縮短了決策和響應時間。在早期增長階段，由於當地缺乏人員和系統，可能需要更高水平的外部計劃和即時控制。此要求對人工技能和控制網路提出了要求，以達到預期水平。

控制位置替代方案

• 外部流量控制 - 這包括在位置級別管理輸入和輸出流量。它從較低級別的功能（如電源和資料頻寬）收集資源需求，確定位置內部未提供的資源量，並獲取足夠的外部供應以滿足需求。它還跟蹤交付給客戶的產品以及未迴圈利用的廢物輸出，並確保將其妥善處理。從位置的角度來看，外部輸入和輸出可以分為

- 專案之外，包括自然環境和人類文明，

- 其他專案階段，在開始建立此位置時將只有階段 0，

- 其他比溫帶範圍更大的環境，起初可能沒有，並且

- 溫帶範圍內其他位置，我們也預計最初沒有，因為這是第一個位置，但以後可以新增新位置。

此任務通常作為製造資源規劃 (MRP II) 的一部分執行，MRP II 是一種工廠計劃方法。我們不太可能為這項任務發明一種新方法，因此，將現有方法應用於我們的情況似乎更可行，在我們的情況下，工廠部分產出用於建造更多工廠。MRP II 可用於控制功能的其他部分。我們將根據需要使用它，並可能在必要時構建定製的電子表格、資料庫、網站和軟體。該任務將需要人工參與外部實體，至少要監督控制任務。最初，預計需要更多的手動資料輸入和計算，但隨著時間的推移，目標是將此任務與其他控制工作一起自動化。

• 生產位置控制 - 這包括向各個元素髮布生產指令，可以透過人工手動執行，或者最好透過電子網路自動化執行。生產指令基於完成工作的計劃和排程任務，例如“建造一個新的太陽能熔爐”。設計和裝配圖紙或檔案用於識別特定生產元素以執行生產序列。在未完全自動化的場合，將向人類發出執行指令。如果沒有任何生產元素能夠完成任務，則會發出外部供應請求。如果生產元素需要庫存，則會在級聯中生成額外的生產指令。例如，如果熔爐需要結構鋼部件，則會生成更多鋼材庫存的訂單以及部件製造，進而生成礦石還原或廢料購買的訂單。生產指令基於各種機器和流程的已知能力。

在自動化的範圍內，生產元素將擁有自己的本地控制軟體來執行離散操作，並向控制系統報告狀態。執行此任務的系統元素將包括人類、控制軟體（很可能是定製的）以及計算機和網路來傳遞指令並跟蹤進度。

• 居住地位置控制 - 這是根據需要向居住地元素髮送命令並從其收集資料以進行一般位置操作。例如，路燈和景觀澆水。私人居住空間主要由居住在該處的居民控制，但排程洗衣等資源負載可以幫助管理整體位置的電力需求。有關用水等事項的資料收集將反饋給供水元素。如居住/提供資訊功能中所述，資料網路將在整個位置共享。

• 運輸位置控制 - 這是根據需要向內部和外部運輸元素髮送命令並從其收集資料以進行位置操作。固定運輸（如清潔水供應和廢水收集）將主要由此功能控制。移動運輸將使用混合控制：透過內部感測器和計算機控制元素，以及來自此功能的更高級別的控制和任務。例如，機器人農場車輛可能在很大程度上無需人工干預即可執行。外部運輸需要遵守當地法律法規，一些人類會更喜歡手動操作。在這種情況下，此功能將執行較少的任務，但可能執行支援任務，例如路線和維護規劃，以及交通和天氣監測。

• 位置計劃和排程 - 此任務維護位置執行、維護和場地增長計劃。它使用總體計劃和專案目標、居民輸入、外部訂單和當前狀態資料作為輸入。計劃和排程面向未來，而之前的“位置控制”項處理的是立即操作。它還會向居民、專案參與者和其他人傳播規劃資訊。特別是，需要對人類執行位置操作的任務進行計劃和排程，既要響應能夠執行工作的員工的需求，又要響應需要完成的工作。如果居民或參與者無法執行任務，則必須根據“外部流程”功能委託給外部供應。計劃和排程將使用人工和自動化/軟體元素的混合來實現。

• 位置分析 - 此任務根據目標和計劃衡量過去的位置績效，並將進度報告給當地專案成員和整體計劃。它還確定對改進或新技術的需要，這些需求將反饋給第 0 階段“開發技術”。與計劃和排程相比，此任務側重於歷史——檢視已經發生的事情。

F.2.1.1.1.2 供應電力資料

此功能為整個位置的所有部分提供電力、熱能、水力和其他形式的能量，以及大量剩餘能量。高輸出比來自計劃級別目標，即擴大整個文明的物質和能源資源。它還透過為專案成員提供充足的可用能源來滿足他們的需求，以及出售剩餘能源帶來的收入，從而支援專案成員的高質量生活。最後，我們希望透過儘可能依賴可再生能源對環境影響做出積極貢獻。

電力供應可以按型別（電力、熱能等）和型別內的引數進行劃分：電力的電壓和電流；熱能的溫度、持續時間和精度；水力的壓力和流量。它還可以根據可靠性劃分為服務類別：住宅和控制功能應比可以延遲的工業任務更可靠。最後，它可以分為固定和行動式。

供應電力需求

• 2.3 本地資源 - 這是根據經濟價值衡量，設定了一個目標，即從本地資源提供 85% 的持續能源需求。我們將其作為來源要求，即 85% 的能源生產能力來自本地資源。否則，要求 2.6 將以更大的產出目標取代該要求。如果土地地塊分離並且合理，則當地供應可能會使用外部交付。例如，風力渦輪機可以放置在山脊上偏遠租賃的位置，以獲得更高的輸出，並將電力輸送到外部電網。然後，該位置從電網獲得滿足自身需求的電力。

• 2.6 資源 - 更高級別的生產需求 2.6 資源設定了一個目標，即內部需求的 10.5 倍，或 9.5 倍的剩餘量。此功能分配了需求中的能源部分。在施工開始時，不會有電力元素到位，因此我們將依靠外部來源。作為初始目標，我們希望在人口為 75 人的情況下滿足 1.0 倍的內部需求，並在該位置有 660 名居民時將剩餘量提高到滿足最終水平。因此，能源生產將比人口增長更快。實際增長率將由對實際需求以及最有效的增長路徑的分析來確定。

供應電力替代方案

• 電力整合 - 電源的選擇不是獨立於位置的其他部分進行的。其他位置功能以電力型別、引數、服務類別和移動性形式提出輸入需求。作為回報，電力選擇的可獲得性以及它們的成本和生產難度將影響其他功能的設計。將多個電源使用進行整合將提高整體效率。例如，熔爐或發電機產生的多餘熱量可用於較低等級的熱處理過程。由於我們無法詳細預測未來的需求，因此我們應該提供靈活的電力來源交付和安排方式，以最大限度地利用它們。這意味著保持配電線和管道易於訪問，以便根據需要進行更改。由於可再生能源通常是間歇性的，因此我們應該考慮多個電源和儲存，以提高可靠性。

• 外部電力： - 我們假設在施工開始時使用外部電力，並進一步假設我們將外部電力連線作為內部電源的備份，並用於以後交付剩餘電力。外部電力的傳統選擇是公用電力和天然氣管線、儲罐液態燃料（如丙烷）以及用於早期施工的外部燃料供應的發電機。外部電源應可用於靠近發達地區的溫帶地區。如果它們沒有供應到特定的土地地塊，則安裝成本需要計入施工成本。

• 高濃度太陽能熱能

這種替代方案使用大面積的鏡子將陽光集中到一個小目標上，以達到高處理溫度或產生大量的電力。我們將定義濃度比大於 4:1 作為高。需要一些方法來適應太陽的每日運動。我們將以佐治亞州亞特蘭大市為“典型”位置進行計算，但其他位置需要根據其實際情況進行調整。

太陽能資源 - 佐治亞州亞特蘭大的總日照時間/天：冬季 4.09 小時，夏季 5.16 小時，平均 4.74 小時。對於直射陽光，平均 = 4.2 小時（適合熱能聚光器）。假設直射陽光與總時間範圍相似，因此為 3.55 至 4.62 小時。地形和附近物體會影響這一點。

單元間距 - 為了全年執行，你不希望冬季一個單元的陰影過度影響下一個單元。對於亞特蘭大北緯 34 度，我們假設鏡子的傾斜度為 34+15=49 度，因此，為了避免陰影，單元間距為單元鏡陣列最高點和最低點之間差值的 1.15 倍，此外還要考慮其在該傾斜角下的地面投影。如果陣列尺寸為 D，則地面投影將為 cos(49 度) x D = 0.65D。高度差將為 sin(49 度) x D = 0.75D，因此額外的間距將為 0.87D。因此，南北方向單元線的總單元間距為 1.52 D。對於東西方向的間距，由於大氣吸收導致的太陽強度在 65 度天頂角（高於地平線 25 度）下降 20%，在 80 度天頂角下降 50%。然後，單元間距將取決於你是否想最大限度地提高每個單元的輸出，或者最大限度地提高每個地面區域的輸出，以及某個特定流程需要多少連續的日照時間。為了計算目的，我們將假設 65 度天頂角作為操作限制。然後，陣列間距需要為 1.94H + 0.43W，其中 H 是最大陣列高度（在本例中為 0.75D），W 是東西方向的陣列寬度。將間距組合起來，我們發現鏡子的面積約為地面面積的 35%。其餘部分可以用不需要大量直射陽光的矮樹填充，或者可以利用少量陽光的輔助工業任務填充。

經濟學 - 峰值陽光的標準值為 1000W/m²。因此，預計平均太陽能輸入為 1000 W x (4.2/24 小時/天) x (35% 地面填充面積) = 61 W/m² 地面面積。淨有用功率取決於鏡子和後續使用能量步驟中的效率損失。在一年中，61 W 平均功率產生 1925 MJ。以傳統來源的能量成本 0.03 美元/MJ 計算，則土地面積每年可產生高達 57.75 美元/m²/年（233,700 美元/英畝/年）。

桑迪亞國家實驗室估計，2006 年跟蹤式定日鏡的成本為 125 美元/m²。根據通貨膨脹和地面覆蓋率進行調整，我們得到 50.5 美元/m² 地面面積的成本。這意味著集中器元件理論上將在 0.875 年內收回成本，或回報率為 114%。這還不包括用於收集能量的任何聚焦裝置。這是一個很有希望的回報率。如果自產可以降低裝置成本，這將非常有希望。

替代方案

- 中央系統 - 該系統使用一組單獨控制的定日鏡（鏡子）對準中央目標。根據尺寸和距離，定日鏡可以是平的、彎曲的或分段的。對於 400:1 的集中度，至少需要 10 個彎曲的定日鏡，或者能夠調整形狀以補償太陽移動時的離軸指向。或者，一組平面定日鏡在圓形軌道上移動以跟蹤太陽方位角，並傾斜以跟蹤仰角，然後使用彎曲的二次鏡將光線反射到地面水平的固定目標。二次鏡升高以適應平均緯度傾斜。這樣可以使大部分鏡子保持在地面水平，並且它們可以共享一個共同的傾斜機制。地形會影響任何太陽能聚光器系統的設計。

- 碟形系統 - 該系統使用一個可操縱的碟形鏡，它帶有升高的目標或二次鏡，將光線引導到固定或地面水平的目標。使用單個碟形鏡會限制尺寸，因為需要支撐結構，而升高的目標更難使用。然而，固定形狀的碟形鏡更容易達到更高的濃度比。

- 線性系統 - 該系統使用拋物線槽或線性菲涅耳鏡陣列，朝東西方向排列，以達到中等濃度。一個長的裝置可以最大程度地減少太陽運動造成的端部損失，並且每天只需要進行較小的季節性調整。

- 極地系統 - 該系統是鏡子在極軸安裝上的扁平佈局，焦點或二次鏡朝向較低端。它實際上是圓形碟形鏡的一部分，但扁平的佈局和只保持碟形鏡的較高階會降低焦點和支撐結構。極軸每天跟蹤太陽的運動，季節性傾斜調整可以彌補太陽在天空中的赤緯變化。

• 低濃度太陽能熱

該系統使用固定或季節性反射器，鏡子/目標面積比為 0.0 到 4.0。零鏡子面積意味著目標直接暴露在陽光下，沒有額外的幫助。一些例子包括溫室或木材幹燥棚，它們有適度的反射器面積，以增加冬季生長或加快乾燥速度。在這些比率下可以進行建築物空氣和水的加熱以及直接太陽能烹飪。

• 熱儲能

平均位置的直接陽光每天大約只有 4 小時可用，在最理想的位置，每天只有 8 小時可用。熱儲能允許每天延長高溫過程或發電時間，但代價是需要更多的集熱器面積和儲能系統。人們嘗試了各種熱儲能介質，包括高溫油、熔鹽、兩種介質與固體填料混合，以及幹岩石。傳熱介質可以包括直接的油或鹽、管道中的水/蒸汽、非加壓潮溼空氣或乾燥空氣。如果傳熱介質與使用點介質不同，則需要熱交換器。

- 從 比熱資料 中我們可以知道，普通岩石的比熱為 800 焦耳/千克-K，一立方米碎石的質量約為 1400 千克。如果你將岩石加熱 500 K，那麼一立方米可以儲存 560 MJ，或 155 千瓦時，或約 19 美元的電費，按典型的公用事業費率計算。它相當於 90 個普銳斯電池組。

- 需要隔熱層，以便儲存的熱量不會過快地洩漏到周圍環境中。岩棉的導熱係數為 0.045 W/(m-K)，使用溫度高達 1000 攝氏度。絕緣耐火磚 具有多種特性，具體取決於成分和溫度等級。如果我們使用最低等級（1260 攝氏度等級），它的熱負荷容量為 69 kPa，允許 5 米的最大礫石負荷，以及 3 米的設計負荷。導熱係數與溫度 C 的關係為 [260, 0.13]、[538, 0.17]、[816, 0.22]、[1093, 0.24] W/(m-K)。混凝土和石材的導熱係數為 1.7 W/(m-K)，混凝土在負荷下的最高工作溫度約為 400 攝氏度（這取決於混合型別）。

在 1000 攝氏度高溫儲存溫度下，礫石層堆疊在一起，上面有 0.25 米的耐火磚，以及 0.15 米的混凝土，會損失 450W/m² 的熱量。對於 1 米立方體，儲存時間常數為 200,000 秒。耐火混凝土是一種特殊的混合物，可以承受更高的溫度。

- 一種選擇是真空/粉末絕緣儲存。真空減少了熱量傳遞，粉末填充物支撐儲存容器以抵抗壓差。這很可能比混凝土儲存裝置更昂貴，但可能對行動式應用有用。

• 太陽能電力

這主要指的是光伏 (PV)，或太陽能電池板，已經達到了大規模生產水平。面向太陽的固定面板安裝成本最低，但跟蹤器單元也是一種選擇。集中式光伏可以提高面板的面積效率，但需要對跟蹤器單元進行間距，以避免相互遮擋。僅使用購買的集中式電池並自行建造系統的其餘部分將提高當地生產的百分比。這將與上面的高濃度設計相結合。如果一些較低效率的技術提供低成本且可生產，則應予以考慮：染料或氧化物電池、整合屋頂/光伏、窗戶整合電池。

- 極軸安裝 - 該選項的目的是從購買的面板中獲得比固定式安裝更高的輸出。極軸安裝允許跟蹤太陽。使用平均傾斜角，因為季節性赤緯造成的損失很小。根據面板的熱極限，側向反射器或將面板放置在反射器焦點處會提高輸出。主動冷卻可以防止面板過熱。與使用為高通量設計的集中式電池進行比較。

• 風力渦輪機

一個概念是在塔架上安裝有一個帶有螺旋形渦輪機單元的圓形軌道安裝座。軌道呈 L 形，帶有直立和側向滾輪用於支撐和定位，並帶有蓋子以防止碎屑進入。渦輪機單元成對設定，位於旋轉中心的後方，帶有二面角，因此它們會自動指向風向。較大的單元可能使用驅動電機進行指向。單元垂直堆疊在塔架上，以獲得更大的總輸出。塔架高度用於將渦輪機置於樹木之上，進入更高風速區域。

• 生物能源

這指的是使用植物廢料、微生物、外部垃圾或其他有機來源來製造用於運輸的液體燃料，或直接燃燒固體、液體或氣體產品來供熱或發電。這可能與從植物中生產木材或食物相平行。一種選擇是使用燃燒或其他生產過程產生的 CO₂ 副產品來提高生長速度。生物能源的最佳情況下太陽能效率約為 6%，而對於未經改造的植物則要低得多，因此總體而言效率遠低於太陽能選擇，即使包括儲存損失。使用它的原因包括行動式電源，以及其他能源來源無法正常執行的非高峰時段。有機來源更有可能用作化學原料，而不是燃料，因此應考慮其在其他用途中的價值。

• 其他來源

我們不假設該地點具有特殊特徵，例如水力或地熱潛力，但如果在選擇土地時有此類選擇，應將其視為優勢。不太可能發現化石能源，但如果可用，我們更願意將其用於非能源用途，以免增加大氣中的 CO₂。可以研究其他儲存方案，例如壓縮氣體、大型電池和深井重力，以瞭解是否有任何自建方案具有經濟效益。

F.2.1.1.1.3 提取材料資料

提取原材料涵蓋材料進入庫存並準備進一步加工或使用之前的步驟。它包括開採、從環境中收集水和空氣，以及從生物體中收穫有機產品等任務。提取後，通常需要運輸到另一個生產功能。它包括在自有或租賃的土地上進行此項工作，或者使用內部裝置從其他財產中提取和運輸材料。由他人使用其裝置開採和運送的材料是外部供應，在其他地方進行核算。

提取材料需求

• 2.3 本地資源 - 與之前的供應電力功能一樣，我們的目標是根據經濟價值，至少提供 85% 的持續原材料來自當地資源。這並不包括初始建設，這可能需要更多外部供應。

• 2.6 資源 - 更高水平的生產能力要求傳遞一個長期目標，即內部需求的 10.5 倍，或 9.5 倍的盈餘。盈餘被出售或用於生產的後期階段，然後出售，以支援居民的生活質量和專案所有者的收入。我們將此要求解釋為在 75 人時提供 1.0 倍的內部需求，當人口達到 660 人時，增長到更高的目標。由於給定位置的土地和原材料資源有限，高盈餘需要從其他財產、外部廢物來源或豐富的資源（如生長植物、空氣和降雨）中獲取原材料。這將是除了地點自身內部的高水平回收以外的。

提取材料替代方案

• 外部供應與本地提取 - 第一個決定是在獲取外部來源的原材料之間進行選擇，還是從自有土地上獲取，或者租賃其他土地上的採礦權，但使用地點裝置。這反過來又與自有土地的數量及其地質和其他資源有關。雖然風能和陽光等能源不斷自我更新，但物理資源是有限的，必須更仔細地進行核算。我們可以將這些資源分為

- 通用資源：這些資源通常在大多數位置都可用，並且沒有特別專業，例如當地岩石、土壤、植物、空氣和水流。

- 專業資源：這些資源包括附近的礦藏、外部回收、廢料、垃圾和廢物來源，以及商業原材料供應商。

• 廢物提取 - 這是尚未準備好運輸的外部廢物，例如垃圾填埋場或汙水汙泥，需要透過場地裝置在運輸前收集。外部裝置送來的廢物計為外部供應。

• 開挖和採礦 - 我們可以估算建築期間所需的材料數量，假設我們在該功能下提取它們，而不是從外部來源提取。

- 居住基礎： 27 m³/人 x 75 人/年 = 2,025 m³/年的合適礫石和沙子集料，其中 15% 需要是用於水泥生產的石灰石和頁岩。

- 居住屋頂： 3 m³/人 x 75 人/年 = 225 m³/年的用於屋頂瓦的粘土或水泥成分。

- 居住外牆： 24 m³/人 x 75 人/年 = 1,800 m³/年的用於制磚的合適粘土和沙子。

• 水收集 - 這包括從降雨、冷凝、流水和地下水中收集的新水，只要不超過自然補給量。清潔或汙染形式的水都可能從外部地點收集。不直接進入內部運輸而需要從儲存池中提取的再生水將包括在此。

- 總用水量 - 水足跡 (Mekonnen - 2011) 的資料表明，美國所有用途的總用水量為 2840 m³/年/人。這並不包括任何回收，包括農業用水，因此應被視為水收集量的上限。

- 生活用水 - 來自多個來源的資料表明，美國住宅用水量平均為 0.6 m³/天/人 (220/年)。同樣，這應該被視為沒有再利用的上限。

• 空氣收集 - 我們將首先假設這是用於車輛和生產的壓縮空氣，除非設計中廣泛使用氣動裝置，否則需求量很小。二氧化碳、氧氣、氮氣和其他氣體的提取目前為零，除非某些工藝需要它們。

• 收穫木材和植物 -

- 框架木材： 在施工期間，我們需要 (40 m³/人用於生活空間 + 10 m³/人用於屋頂支撐) x 75 人/年 = 3,750 m³/年的成品木材。假設原木到成品木材的轉化率為 75%，這意味著每年收穫 5,000 m³ 的原木。

- 食用植物： (需要資料)

- 其他植物： 包括從樹木中收穫水果、用於纖維、原料或燃燒的非食用植物。

F.2.1.1.1.4 工藝材料資料

該功能包括將原材料轉化為成品材料庫存，這些庫存已準備好進行儲存、部件製造或消耗。它可以包括一系列化學、電解、機械、熱或其他工藝，無論是連續流還是間歇式。需要對材料屬性進行一些可衡量的改變，但沒有對設計部件進行特殊的成型或成型。因此，通用金屬棒料是該功能的輸出。由於材料和工藝數量眾多，因此該功能被進一步細分。請注意，相同的硬體可用於多個序列和材料。這從功能分解開始，說明需要製造什麼，然後是說明如何完成的設計。

工藝材料需求

• 2.3 迴圈流 - 除了處理從外部提取或供應的新材料外，我們的目標是重新處理場地廢物輸出的至少 85%。其他功能需要考慮到這一要求。我們更喜歡消耗比我們產生的更多的外部廢物，這樣整個場地就能產生負廢物，儘管個別型別的廢物可能產生正質量流。

• 2.6 資源 - 與其他生產功能一樣，我們的長期目標是處理 660 人持續需求的 10.5 倍。從 75 人的需求的 1.0 倍開始，並逐步增加。庫存直接銷售與在後續生產步驟中使用之間的分配將在以後確定。初始建設的加工量在此需求之外。

一般替代方案

• 製造還是購買 - 對於任何給定的材料以及給定的生產裝置和時間表，我們可以選擇自己進行加工，或者從外部購買現成的材料。我們無法對此選擇給出固定答案，而是將其分配給外部流程的控制位置任務，以及計劃和排程。

• 工藝選擇 - 660 人的場地可能太小，無法從當地來源加工每種型別的材料。因此，我們根據總質量流量、經濟價值、它們對增長的支援程度以及工藝在新的裝置和經常性運營方面的成本對工藝進行排名。得分最高的工藝首先考慮，但最終選擇取決於它們如何與其他生產要素和場地以及增長順序相整合。

• 工藝整合 - 整合是將獨立的工藝連線成完整的流程，並將一個工藝的剩餘輸出或廢物輸出用於另一個工藝。例如，使用爐子中的餘熱在另一個工藝中進行乾燥。設計整合順序應首先考慮回收流程：使用過的水、過量的二氧化碳、維修、更換和改造返回質量以及內部製造廢物。接下來，考慮滿足內部需求的新生產流程，最後考慮剩餘生產/外部銷售。在每一步，都要考慮如何連線各種輸入和輸出。

• 增長順序 - 從啟動器套裝到最終工廠的設施增長順序也需要按照邏輯順序進行。如何做到這一點並不明顯，但我們可以嘗試各種方法，看看哪種方法效果最好。我們暫定的方法是將工藝材料與場地的其他部件一起包括在內，並根據我們的評估標準對總結果進行評分。由於存在許多可能的組合要素集，我們將需要使用貿易樹或迭代選項的方法來找到合適的候選者。

F.2.1.1.1.4.1 加工石頭和混凝土

該功能包括為直接使用石頭準備材料，形式為碎石用於礫石床和集料，沙子或更精細的碎石用於集料、過濾或熱床，較大的碎石或尺寸石用於建築，以及作為石灰或水泥的間接使用。

數量

• 水泥生產 - NIST 的參考材料 對於波特蘭水泥，顯示約 68% 的 CaO + MgO、30.75% 的二氧化矽、氧化鋁和氧化鐵，以及少量的其他成分。少量的石膏 (CaSO₄⋅2H₂O) 作為研磨助劑和緩凝劑新增。基本配方的許多變化是用不同的成分製成的，或者是在之後新增新增劑。要生產標準波特蘭水泥，需要研磨和混合成分，加熱到 1450 攝氏度，然後再次研磨所得的熟料。質量損失來自白雲石的轉化：（CaMg）（CO₃）₂（分子量 = 152）到氧化物（分子量 = 48），因此所需的原材料質量比成品質量多約 50%。

水泥約佔混凝土質量的 15%，這需要相對於最終混凝土成分額外開採 7.5% 的質量。我們估計在施工期間有 2250 處居住地 + 2250 處生產地 = 4500 m³/年的混凝土產品，這意味著 1800 噸水泥，因此每年需要 2,700 噸（每天 7.4 噸）水泥製造成分。生成焓為 1.757 MJ/kg，實際能量在沒有熱回收的情況下約為 3.6 MJ/kg。這需要平均 308 千瓦的功率，或者說每人每年 4.1 千瓦的施工率。如果這是能源來源，則需要大約 0.5 公頃的太陽能集熱器面積。

• 混凝土生產 - 混凝土混合物根據所需的用途和強度而有很大差異，但基本混合物每立方米最終產品包含 400 公斤水泥、1275 公斤粗集料（10-20 毫米礫石）、725 公斤細集料（沙子）和 160 公斤水。對於我們估計的混凝土生產率，因此我們需要每年 9,000 噸（每天 24.7 噸）的尺寸集料，以及每年 720 噸（每天 2 噸）的清潔水。

設計替代方案

• 水泥生產 - 常規的替代方案是旋轉 和立式軸 窯，在研磨步驟中使用球磨機和篩子或旋風分離器。窯使用燃燒作為主要的能源。我們將考慮太陽能加熱作為替代能源，並在需要時進行輔助加熱。另一種工藝是等離子體放電水泥生產。最後，可以考慮其他粘合劑，例如環氧樹脂，或者與主要以氧化鈣為基礎的化學成分不同的粘合劑。

所有水泥都需要爐子加熱才能將原材料轉化為最終產品。所需溫度根據成分而有所不同。來自高嶺石粘土的偏高嶺石需要 500-800 攝氏度的煅燒溫度。它可以用於替代高達 30% 的波特蘭水泥，而不會降低強度。粉煤灰和飛灰是由燃料燃燒產生的細小顆粒，通常來自發電廠，並在排氣流中冷凝。它們也可以替代波特蘭水泥。我們不希望透過燃燒化石燃料來發電，但替代方案是生物燃料燃燒和購買商業灰產品。波特蘭水泥生產需要最高的溫度，約為 1450 攝氏度，因此需要更高的陽光濃度，或者需要補充加熱。

F.2.1.1.1.4.2 加工金屬

在現代文明中，鐵和鋼約佔金屬總用量的 95%。因此，我們可以將此功能視為首先供應這種金屬，然後將其他金屬視為補充。目前尚未確定超過鋼筋的產量。

數量

• 鋼筋 - 這是混凝土的鋼筋。所需數量很大程度上取決於混凝土的用途和負荷。在沒有更詳細的資料之前，我們將採用 200 kg/m³ 作為該地點的總體估計值。此數量相當於混凝土體積的 2.5% 的鋼筋。當做出更好的估計時，請使用已知混凝土體積的實際數量，並將 2.5% 的鋼筋估計值保留給尚未設計的部分。鑑於我們建造期間對 2,250 m³/年的總需求量，這意味著每年需要 450 噸鋼筋。

• 結構鋼 - 這是用於建築物的鋼材，以板材、柱子、梁、支撐、預製形狀、螺栓、錨、螺釘和其他緊韌體的形式存在，除了混凝土鋼筋之外。

• 鑄鐵 - 鑄鐵含有高碳含量，顧名思義，易於鑄造成複雜的形狀，可以加工成良好的表面光潔度，並具有良好的減振效能。鑄件可以包括用於磨損表面的更硬的合金嵌件。它通常用於重型機械的機身、管道和其他易於製造的物品。在強度和溫度特性更重要的場合，通常會選擇其他合金。在沒有其他估計方法的情況下，我們將假設需要一個 1.0L x 0.5L x 0.1L = 0.05 L³ 的塊用於主要機器，其中 L 是主要尺寸。這需要用詳細的估計值來代替。

• 合金鋼 - 除純元素外，所有鐵和鋼都是與其他元素的合金。此類別用於為其特定特性而製作的合金，超出了典型的低碳鋼筋和結構等級。高合金等級範圍從那些含鐵量低於 50% 的合金。

• 輕金屬 - 該組包括鋁、鈦和鎂合金，因其相對輕的重量和更高的強度重量比而被選中。高階版本包括用於更高強度的增強纖維。

• 其他金屬 - 這包括銅、黃銅、青銅、鋅、錫以及上述各組之外的任何其他金屬。

設計替代方案

• 鋼筋 - 常規的替代方案是從商業供應商那裡直接購買鋼筋。當地的選擇是回收廢金屬，尤其是廢鋼筋，製成新的鋼絲和鋼筋，或將礦石還原成新金屬。另一種選擇是用玻璃纖維或玄武岩環氧樹脂代替金屬鋼筋，這兩種材料又有購買或製造的替代方案。

• 鑄鐵 - 顯而易見且傳統的替代方案是透過在熔爐中熔化足夠的鑄鐵成分並將其倒入鑄造區域的模具中來進行鑄造。鑄造是所有型別工業的基本工藝，我們預計將其列入首批製造專案之一，而金屬加熱則是基本的過程工廠功能。那麼差異就在於熔爐的型別以及鑄鐵成分的來源。

F.2.1.1.1.4.3 工藝陶瓷

此功能包括準備用於磚、屋頂瓦、鋪路、家庭用品的粘土和沙子。它還包括用於高溫襯裡和容器的其他陶瓷混合物，以及用於切割和研磨工具的碳化物和礦物氧化物。實施此功能的裝置與工藝石材和混凝土共享，因為這些材料存在重疊。

數量

• 建築磚和瓦 - 對於居住區外牆，我們估計每人 24 m³ 粘土磚/人 x 75 人/年 = 1,800 m³/年（5 m³/天）。實心混凝土磚可以具有相同的體積，或者空心混凝土砌塊的厚度是其兩倍。

• 家庭陶瓷製品 - 粗略估計是每人 100 公斤。

• 耐火襯裡和容器 - 這些主要用於生產元素。粗略估計是加工的其他材料的 5% x 4000 噸 = 200 噸耐火材料。

• 工業碳化物和氧化物 - 也用於生產元素。粗略估計是需要 100 噸，但需要更好的資料。

設計替代方案

• 磚窯 - 常規的替代方案是熔爐，在熔爐中，溫度超過 950 攝氏度，持續時間足夠長，使粘土熔化，然後逐漸冷卻，以免破裂。所需時間通常超過一天，因此太陽能熔爐需要用其他加熱方式來補充。

• 混凝土磚和砌塊 - 這些在製造階段不需要窯爐（它們需要製作水泥）。將混合物模製成磚或砌塊形狀，然後溼潤或蒸汽固化，直到它們足夠堅固可以堆疊，然後在堆疊中完成強度增長的過程。這需要大約 28 天才能使標準水泥達到強度。

F.2.1.1.1.4.4 工藝玻璃

此功能包括製造鈉鈣（普通）玻璃，以及可能使用硼酸或鋇氧化物和其他新增劑製造特種玻璃。

數量

• 溫室 - 玻璃面積取決於植物的光照需求。

• 太陽能集熱器 - 鏡面面積基於 1000 W/m^2 峰值入射陽光 / (cos a)，其中 a 是鏡子相對於入射光的傾斜角。只要玻璃可以承受反射塗層並被鑄造成平面，玻璃的型別就不重要。低鐵玻璃的損耗更低。

• 容器 - 玻璃容器包括加工容器和管道、生產儲存以及家庭食品和飲料容器。

設計替代方案

• 鈉鈣玻璃 - 這是在大多數常見物品中發現的普通玻璃。它由礦物氧化物的混合物組成，如標題連結中所述，通常出於成本原因，以原料礦物的形式而不是純氧化物的形式存在。它們在約 1500 攝氏度下熔化在一起，在該溫度下，成分會發生化學變化，透過多種方法之一形成（浮動或吹制），並使其緩慢冷卻，以避免因熱應力而破裂。製造完成後，玻璃的熔點約為 900 攝氏度，因此可以從基礎材料中形成新的形狀。所需硬體主要包括用於製造玻璃料的高溫熔爐、加熱的成型或模製裝置以及用於緩慢冷卻成品的退火爐。玻璃的厚度決定了冷卻速度。

F.2.1.1.1.4.5 工藝木材

從樹上提取原木形式的原木後，必須將其切割成適當尺寸的木塊，然後將其乾燥到所需的含水量，通常為 8-19%，具體取決於其使用位置。由於它是一種天然產品，因此存在差異和缺陷，並且是各向異性的：具有不同的特性，例如強度作為方向的函式。木材的特性也因樹種而異。因此，木塊可以用粘合劑和增強材料粘合在一起，以形成更大的更堅固的木材和板材作為庫存。

數量

• 框架木材 - 在建造期間，我們估計需要 0.2 米厚 x 200 平方米居住區 + 0.15 米厚 x 200 平方米生產區木材。生產區的數字較低是因為有些建築物只是棚屋，而且一般來說側牆可能不會完成，需要較少的框架。這相當於每人每年 70 立方米，或每年 5,250 立方米。

• 室內木材 - 這包括用於居住區的傢俱和室內裝飾木材，以及用於生產區的架子、工作臺和類似物品。假設量為每平方米 40 公斤 x 每人 400 平方米總面積 = 每人 16 噸。鑑於乾燥木材的平均密度為 0.4，這相當於每人每年 40 立方米，或每年 3,000 立方米。

• 總木材 - 將上述木材需求加起來，需要 8,250 立方米/年。這是最終的切割和乾燥體積。原始原木的體積需要約為每年 11,000 立方米，以考慮缺陷、樹皮、鋸切損耗以及乾燥過程中的收縮。轉換中損失的材料可以回收成其他生物輸入。乾燥過程中損失的水分可以代表完成木材 200-400 公斤/立方米，或每天 4.5-9 噸。由於水分蒸發掉了，因此相對乾淨，應考慮回收利用。

由於提供優質木材的樹木需要 25 年或更長時間才能生長，因此早期建造將取決於現有的森林庫存。每公頃 125 噸的森林庫存@平均密度 0.7 綠色意味著每人 0.8 公頃的森林用於初步建造。這遠大於可持續量，因此最初的木材供應可以選擇砍伐權，將場地本身用作來源，或者購買多餘的土地並轉售。可以使用這些方法的組合。可持續性將取決於補種或選擇性砍伐，以維持持續供應。收穫後，“綠色”木材需要儘快開始乾燥，並在此後受到腐爛和潮溼的保護。

設計替代方案

• 切割木材的位置 - 木材加工的早期步驟可以在運輸之前在現場進行。這樣可以節省運輸有缺陷或廢棄的材料，並使要移動的部件更小。在現場工作的缺點是地形和天氣變化無常。在某種程度上，這種選擇將取決於可用的裝置以及廢棄材料的用途。

• 密封和剝皮 - 樹木透過毛孔垂直運輸水分，因此蒸發和收縮從原木或木板的末端更快地發生。差異乾燥會導致末端開裂，因此應將新砍伐的原木用油漆或其他方法密封。這也將減少真菌或其他生物的分解。樹皮和活的形成層通常不用於木材，因此它們被剝離。這也使最終的原木保持清潔。剝皮工具可以像一把磨尖的鏟子一樣簡單，也可以使用機械化的帶齒研磨機。在某些情況下，可以將乾淨的樹皮保留在原位，直到鋸開之後。

• 鋸開 - 在大多數情況下，原始原木的大小和形狀不是最終產品所需的，未切割的原木通常會因乾燥收縮而徑向分裂。使用楔子劈開原木是一個簡單的過程，並且切割廢料很少，但最終形狀不均勻，因此大多數木材被鋸開。帶鋸相對於圓鋸或鏈鋸產生的鋸末廢料更少，因為鋸片處於張緊狀態，並且可以更薄。這是主要的方法。雷射通常沒有足夠的功率來切割厚的原木。鋸開過程可以自動分為兩部分：掃描原木以確定最佳切割方式，以及移動鋸和原木進行切割。鋸開需要為未切割的原木、鋸木廠本身、產生的鋸末以及要乾燥的切割板材留出空間。對於種子級生產，帶鋸可以使用與其他 3D 工作頭相同的框架。對於 75 人的建造速度，由於體積，可能需要一組專門的裝置。

• 乾燥 - 最簡單的選擇是將切割板材堆疊起來，用間隔物隔開，並避開雨水，讓它們自然風乾。對於高產量，例如為 75 人生產木材，這需要大量的乾燥空間，因為風乾每英寸板厚需要一年時間。太陽能幹燥窯將陽光收集到一個室中以加熱板材，並使用風機和冷凝器來去除蒸發的水分。在晴朗的天氣下，它們可以將乾燥時間縮短到每英寸約一個月。傳統乾燥窯使用任何熱源來加熱板材，並使用真空或氣流來去除水分。這可以將乾燥時間縮短到幾天。必須控制乾燥速率，以防止板材內部應力積聚，並且板材的各個側面都需要暴露以進行均勻乾燥。通常使用層與層之間的間隔物來做到這一點。夾緊木材堆也可以減少因乾燥不均而造成的翹曲。乾燥時會有一些損失。一旦板材達到所需的含水率，就可以將其放入倉庫，在那裡它們需要繼續受到腐爛的保護。含水率可以用儀表來確定，也可以透過在烘乾前後的稱重樣品來確定，以達到 0% 的含水率。最終含水率將始終趨於與環境平衡，如果木材在使用中因外部變化而發生膨脹和收縮是一個問題，則需要對木材進行密封。

F.2.1.1.1.4.6 處理纖維

天然纖維包括棉花和羊毛等物品。種植和加工它們到線和織物的程度已經是大型機械化產業，我們認為我們無法對其進行足夠的改進以值得做。從織物開始縫製成品值得考慮。合成纖維包括玻璃、玄武岩、碳和聚合物。這些在工業中被用作高強度增強材料和絕緣材料，其數量和市場價格使它們成為內部生產的更具吸引力的選擇。

數量

• 建築保溫 - 我們估計每人 71 m³/人纖維或岩棉保溫。因此，對於 75 人/年，我們需要 5,325 m³/年。保溫密度相對較低，因為小的氣穴減少了熱量流動，在 10-60 kg/m³ 的範圍內。因此，所需的質量在 50-320 噸/年的範圍內。

F.2.1.1.1.4.9 處理無機化合物

包括純化氣體、液體溶液和固體無機物。金屬的提取可以透過熱力學、化學或電解方法進行，具體過程取決於礦石和要提取的元素。

F.2.1.1.1.5 製造部件資料

F.2.1.1.1.5.8 製造有機化合物

這包括由塑膠、橡膠和相關有機材料製成的部件。

F.2.1.1.1.5.9 製造無機化合物

包括由非金屬化合物製成的部件，這些化合物不在其他地方列出。

注意

工藝子功能 10 肥料和 11 水是散裝材料，本身不加工成部件。它們從工藝直接進入儲存或直接使用。

F.2.1.1.1.6 庫存資料儲存

• 模組化地板概念 - 在混凝土地板模組（例如 1 平方米）的角上設定地腳柱或墊塊，深度根據需要調整。根據需要填充碎石、鋪設塑膠襯裡和隔熱材料。模組放置在支撐角上，如有需要可灌漿以填補縫隙。對於經常移動（越過公用設施）的模組，包含嵌入式管道和凹陷式 J 型螺栓的起吊點。不經常移動的模組為普通型，透過先移除相鄰單元以獲得空間來進行移動。模組的厚度和支撐高度根據預期載荷進行調整。對於過載荷，將平板按所需深度橫向放置並用螺栓固定，形成剛性元件。

• 建築結構 - 基礎和地板的粗略估計為重工業地板 @ 100 平方米/人 x 0.2 米厚 + 標準地板 @ 100 平方米 x 0.1 米厚 = 30 立方米/人 總計。此資料需要在後續進行更新。