概念方案｜火星水环：假如我们定居在火星

摘要：“火星水环”是一个建于巨大水体中的人类聚居地，可供约1万人长期居住。水不仅具有良好的热绝缘性能，其透明特性也使其如同“液体天空”，能够引入自然阳光。这不仅有助于调节生理节律与心理健康，也能提升功能性与生产效率。

“火星水环”是一个建于巨大水体中的人类聚居地，可供约1万人长期居住。水不仅具有良好的热绝缘性能，其透明特性也使其如同“液体天空”，能够引入自然阳光。这不仅有助于调节生理节律与心理健康，也能提升功能性与生产效率。

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数十年来，人类一直在畅想登陆火星并在那里定居。如今，多家企业正在积极研发火箭运输系统，其中一些的目标是将一百万人送上火星。但人们将居住在哪里呢？“火星水环”（Mars Hydrosphere）是一个设想中的水下商业城市，建于火星一处陨石坑内部。水是维持生命的必要资源。人类平均每天大约需要消耗150升水。根据美国国家航空航天局（NASA）与喷气推进实验室（JPL）2008年“凤凰号”探测器的证据，火星表面存在大量水冰。火星的辐射暴露是人类居住的一大风险，而氢元素（或水）是对抗辐射的有效屏障。

火星水环渲染图©Clouds Architecture Office

选址

洛厄尔陨石坑（Lowell Crater）位于火星南半球，是为数不多的海拔足够低、适合航天器直接着陆的地点之一。该陨石坑为结构完整的复杂环形坑，其阶地与中央峰环可为研究大型盆地形成机制提供重要线索，不仅适用于火星，也适用于整个太阳系。其高纬度位置提高了从风化层中获取水冰的几率，可用于人类生活和燃料转化资源。此外，该地点适合作为贸易与物流枢纽，有助于未来进一步探索和理解火星。

洛厄尔陨石坑剖面©Clouds Architecture Office

水资源

生命离不开水。人类至少需要洁净的水用于饮用、烹饪、清洗及农业灌溉。以纽约市为例，该市拥有7个水库，总蓄水量超过5520亿加仑，为五个行政区内约825万人口提供供水，相当于人均储水66,970加仑。纽约市日均用水为10亿加仑，人均日用水量为120加仑，显著高于欧洲平均的40加仑。本设计参考欧洲标准，设定人均每日用水40加仑，人均储水60,000加仑，总储水量达6亿加仑（约22.7亿升）。

火星水环内的水体©Clouds Architecture Office

该水体不仅用于日常消耗，更重要的是充当辐射屏障，可抵御火星表面有害的宇宙射线（GCR）与太阳粒子事件（SPE）。城市整体位于水面下5米处，提供足够的氢含量阻挡大部分有害伽马射线。水体的透明度可创造出“液体天空”，为内部空气穹顶提供天然光照。这种可呼吸的“泡泡式”空气层在一定程度上也可抵御微陨石撞击，形成一个类似地球的受控开放环境，适于公共聚会与活动。

城市整体位于水面下5米处©Clouds Architecture Office

在火星的物理条件下，液态水并不自然存在，除非通过盐类（如高氯酸盐）降低其冰点。清水一般会直接由冰升华为水蒸气。该构想提出以密封加压容器储存盐水，利用城市内部的废热维持其液态，再通过海水淡化模块过滤出可供饮用的水。

以密封加压容器储存盐水的构想©Clouds Architecture Office

压力系统

城市结构设计基于空气压力与水压的平衡。水下透明穹顶的内部将保持1个标准大气压（112千帕），相当于水下30米的水压。这一平衡条件限制了城市垂直剖面的高度为25米以内。穹顶直径为400米，已达到悬链线结构所能承受的最大尺寸。城市整体呈碗状，由3D打印建造悬挂在充气气环上。部分结构深入水下，以增加有效层高与使用面积，提高居住密度。

压力系统©Clouds Architecture Office

透明穹顶下的公众生活©Clouds Architecture Office

结构系统

该水下建筑为充气张拉膜结构，依靠内部加压气体产生的浮力使城市悬浮。结构材料结合地球制造与火星就地制造两种方式。透明薄膜与高强度纤维缆索（如Dyneema）以轻质、可折叠形式从地球运送，是密闭张力穹顶的关键构件。城市的主要承重结构为压缩壳体，由火星陨坑中挖掘的风化层材料3D打印与烧结成型。运输火箭亦被改造为城市结构的一部分，作为精密的垂直交通核心，连接地表与水下城市，其原有的泵阀与进排气系统可用于调节内部气候与空气流通。

居住空间©Clouds Architecture Office

项目图纸与模型

模型©Clouds Architecture Office

轴测图©Clouds Architecture Office

屋顶花园层平面©Clouds Architecture Office

公共区域层平面©Clouds Architecture Office

居住区域层平面©Clouds Architecture Office

交易层平面©Clouds Architecture Office

Location: Lowell Crater, Mars

Date: May 2025

Project Team:

Design Architect: Clouds Architecture Office

Project Designers: Ostap Rudakevych, Masayuki Sono, Maria Clara Machado

Structural Engineer: Jun Sato, The University of Tokyo + Jun Sato Structural Engineers Co Ltd

Technical Collaborators:

Joseph Dituri PhD (University of South Florida) Kevin Kempton (NASA Langley Research Center) Kirby Runyon PhD (Planetary Science Institute) Luca Gamberini (Nemo’s Garden)

Jeffrey Montes (Blue Origin)

Stefan Harsan Farr (identityplus)

Jared W. G. Atkinson, PhD (Impossible Sensing Energy Inc)