摘要：你敢想象未来住在火星上吗？但火星可不是地球，没有磁场挡辐射，白天热得能让金属变形，晚上冷得能冻裂钢铁，连呼吸的空气都几乎全是二氧化碳！要在这样的“死亡星球”上建避难所，难度堪比登天。不过科学家们已经拿出了实招：用火星土壤3D打印房子，用冰做穹顶防辐射，甚至让机
你敢想象未来住在火星上吗？但火星可不是地球，没有磁场挡辐射，白天热得能让金属变形，晚上冷得能冻裂钢铁，连呼吸的空气都几乎全是二氧化碳！要在这样的“死亡星球”上建避难所，难度堪比登天。不过科学家们已经拿出了实招：用火星土壤3D打印房子，用冰做穹顶防辐射，甚至让机器人先去当“建筑工人”。今天就带你揭秘火星避难所背后的科学，看看人类如何在红色星球上打造“生存堡垒”
住在火星上，听起来像是天方夜谭，但看到设计蓝图后，你会改变想法。目前已有实际项目在测试火星生存所需的技术。而我们建造的避难所，将直接决定谁能在火星上存活下来。
在火星上，任何失误都可能致命。避难所墙壁一旦破裂，就会瞬间失压。火星没有磁场来偏转太阳辐射，也没有浓厚的大气层调节温度。每一个建筑都必须成为一个独立的生态系统，否则就可能变成一座坟墓 ⚠️
火星大气中95%是二氧化碳，几乎不含氧气，既无法呼吸，也难以传播声音。避难所必须完全密封，并配备氧气系统才能维持生命。如果没有这些设备，人类在火星大气中只能存活几分钟，很快就会因缺氧昏迷。
火星上的温度一天内可波动超过77摄氏度（170华氏度）。白天可能像夏日午后一样炎热，到了晚上却会骤降到极地严寒的程度。这种剧烈的温度变化会对材料造成严重损耗，只有高弹性或绝缘性极强的建筑才能承受住这种日常“考验” ❄️
除了极端温度，火星的重力仅为地球的38%，这也是一大挑战。低重力会导致人体骨骼变弱，还会改变建筑物的受力分布。地基必须适应更小的荷载，同时还要在火星不稳定的地表上保持稳固。
火星尘埃带有电荷，比滑石粉还细。它会附着在物体表面，腐蚀电子设备。更严重的是，它可能导致系统短路或堵塞通风过滤器。因此，避难所要么必须完全隔绝这些尘埃，要么就得设计成能在这种持续的磨蚀环境中正常运行
科学家计划利用火星土壤（即火星表土）来建造，避免从地球运送数吨重的建筑材料。将火星表土与黏合剂混合后，就能通过3D打印技术制成坚固的层状避难所。这些建筑设计用于阻挡辐射，并且会在人类抵达前由机器人完成建造 ️
用火星土壤3D打印建筑（续）美国国家航空航天局（NASA）的“3D打印栖息地挑战赛”和欧洲空间局（ESA）的试验表明，火星表土模拟物在高温高压下能硬化成砖块。穹顶设计能减少暴露面积，提高耐用性。借助机器人自动化技术，避难所可在人类抵达前建成，降低风险并加快在恶劣环境中的部署速度。
在火星较寒冷的地区，冰不仅储存着维持生命的水资源，还能成为建筑材料。将冰制成穹顶，既能阻挡辐射，又能让光线进入。这种透明性带来心理上的舒适感，而且将避难所建在极地冰盖附近，能确保获得持久的重要水源储备 ❄️
有些设计方案采用从地球运送的充气模块。着陆后，这些模块会展开成居住空间，然后迅速用火星土壤掩埋。这些表土能提供必要的隔热和辐射防护。这类建筑重量轻，非常适合火星任务的初期阶段。
由AI SpaceFactory设计的马尔沙（MARSHA），是一款为火星打造的高大垂直避难所。它的高度能减少尘埃接触，梯度壁厚设计可平衡内部压力。避难所内部分为多个楼层，既能提高空间利用率，又能为宇航员提供私人空间——这对长期任务来说至关重要 ️
该建筑采用火星岩石提炼的玄武岩纤维，制成坚固且可回收的外层。多层设计将工作区和休闲区分开，减少认知疲劳。内置的植物墙和采光井，旨在调节宇航员的生物钟，提供心理慰藉并补充营养。
火星熔岩管是在古代火山活动期间，由快速流动的玄武岩熔岩形成的。当熔岩外层冷却凝固后，内部就形成了中空的隧道。这些天然洞穴被厚厚的地壳包裹，能有效隔绝辐射，抵御火星表面的极端环境，是理想的避难所选址
轨道探测器已探测到这些熔岩管的存在，天窗和蜿蜒的沟槽进一步证实了它们的位置，有些隧道可能长达数英里。它们内部温度稳定，顶部岩层厚重，是未来避难所的绝佳选址。这些熔岩管甚至可能封存着水冰等挥发物，为研究火星过去的气候和潜在生命迹象提供线索。
模块化舱体以高效为设计核心，运输时体积小巧，在火星上易于组装。这些扁平包装的单元展开后就能成为居住空间，减少发射时的重量。它们的灵活性使任务规划者能根据需要扩展建筑规模，非常适合长期火星任务。
这些舱体采用碳纤维复合材料和合金制造，既坚固又轻便。此外，部分舱体还预装了动力系统和生命支持设备。为确保能适应火星环境，科学家在类似火星的环境中进行测试，比如美国夏威夷的HI-SEAS模拟基地，在这里微调每一个细节。
在宇航员踏上火星之前，自主机器人将率先开辟道路。群体机器人和人工智能控制的无人机将负责挖掘和避难所组装工作。这不仅能降低人类的风险，还能确保在宇航员抵达时，避难所已经安全可用
NASA的RASSOR机器人和ESA的PRO-ACT原型机，已经展示了如何实现挖掘和结构施工的自动化。机器人还可能部署太阳能电池板，并侦查潜在危险。由于火星与地球之间存在通信延迟，无法进行实时操控，这些机器必须具备适应不可预测地形的能力。
火星大气中95%是二氧化碳。NASA的“火星氧气原位资源利用实验”（MOXIE）搭载在“毅力号”火星车上，已成功通过固体氧化物电解技术将二氧化碳转化为可呼吸的氧气。扩大这项技术的应用规模对人类生存至关重要，它能减少对地球物资的依赖，让长期火星任务具备现场制氧能力
火星地下冰层是最具潜力的水源。专用加热器和钻机可以提取这些冰冻资源，净化后作为饮用水。最新的雷达数据显示，火星许多地区的地表附近都存在可获取的冰层，为可持续居住提供了可能
由阿里·布拉姆森等研究人员领导的NASA“火星地下水冰测绘”项目，利用雷达和光谱学技术识别隐藏的冰层。火星北半球中纬度地区发现了广泛分布的地下冰。目前，科学家正在地球测试地面雷达系统，为未来的火星钻探任务做准备。
在火星上，废物就是资源。生命支持系统必须循环利用空气和有机废物，才能维持长期驻留的宇航员生存。国际空间站（ISS）已验证的技术，如尿液转化水装置和二氧化碳洗涤器，将成为火星生态系统的核心，确保每一种物质都能高效循环利用 ♻️
火星任务绝不能浪费任何废物。人类有机废物可在生物反应器中处理，产生甲烷气体为发电机供能。剩余的副产品则成为富含营养的肥料，在这个紧凑高效的系统中，实现了卫生处理与粮食生产的闭环。
火星土壤含有有毒的高氯酸盐，因此不能直接用于种植粮食。水培技术提供了解决方案：在封闭的种植舱内，用富含营养的水为植物根部提供养分。这些系统能循环利用水资源，维持适宜的温度和湿度，并使用LED灯模拟光合作用所需的光线，无需依赖火星阳光
NASA的研究表明，土豆、羽衣甘蓝、大豆和花生等作物非常适合火星种植。它们体积小巧，在人工光照下适应性强。科学家还在培育更高产、更有营养的品种。每一种候选作物的选择，都基于生长速度和低浪费率的标准。
集成人工智能系统将实时监测氧气水平、二氧化碳浓度、水循环率和植物生长状况。宇航服和避难所表面植入的生物传感器能提供实时数据。这些系统能提前预警故障，防止小问题升级为危及生命的紧急情况
火星上的太阳能资源丰富，但稳定性差。频繁的沙尘暴和微弱的阳光会影响太阳能电池板的性能。工程师设计了可倾斜、自清洁的太阳能电池阵列，并搭配高效电池储能。有些方案还加入反光镜增强光照，或配备备用核发电机，以应对长时间沙尘暴期间的电力需求 ☀️
NASA的“千瓦级电力系统”（Kilopower）项目正在研发小型核裂变反应堆，每个反应堆可提供高达10千瓦的稳定电力，足以支撑一个小型火星前哨基地。这些反应堆带有防护装置，且可扩展，即使在沙尘暴或漫长黑夜导致太阳能失效时，也能确保持续供电 ⚡
为火星定制的电池火星环境需要能在低温、低压下工作的电池。带有温度调节功能和深度放电能力的锂离子电池是首选。这些电池将储存太阳能或核能产生的电力，为生命支持系统、供暖设备、通信系统和农业设施稳定供电。
构建火星本地电网工程师不打算让每个避难所独立供电，而是探索建设微电网。这些分散式系统将多个核反应堆和电池储能装置连接到各个避难所。智能控制器会根据需求分配电力，平衡负载，提高整个火星定居点的电力韧性。
为心理韧性而设计火星避难所必须保护宇航员的心理健康。设计师正在尝试使用舒缓的色调和多变的照明来减轻压力。内部布局会预留活动空间和私人区域，缓解单调感和长期隔离带来的心理影响
没有自然的昼夜交替，宇航员容易出现睡眠障碍和认知能力下降。生物钟照明系统利用可调节的LED灯，模拟地球的阳光变化——一天中灯光的颜色和亮度会逐渐变化。这套系统旨在帮助宇航员调节睡眠，在紧急情况下还能提高警觉性。
即使在共享的避难所里，私人空间也至关重要。宇航员可以使用可折叠隔板和调光灯来打造私人区域。模块化布局设计让房间功能灵活可变，方便个人休息或独处。这对维持团队凝聚力非常重要。
避难所内会加入亲生物元素，比如室内植物、电子屏幕上的地球风景，以及自然音效，以缓解心理压力。研究表明，这些元素能减轻焦虑，提高专注力——当外部环境充满敌意、内部环境略显机械时，这些设计带来的舒适感至关重要
宇航员必须能独立处理医疗问题。诊断设备和3D打印药物将发挥关键作用。远程专家可以远程指导医疗程序，但宇航员的自主操作能力和培训同样重要。NASA已在偏远的南极洲和NEEMO（水下实验室）模拟任务中测试过这些系统。
火星任务中，通信延迟可达4到24分钟。宇航员必须依赖预先存储的指导信息和异步支持。长时间的沉默和与地球的距离会加剧孤独感，因此心理准备和同伴支持策略从任务一开始就融入规划中。
火星的极端温度会导致材料热胀冷缩，损耗严重。研究人员正在研发一种特殊混凝土，其中混入了细菌或聚合物胶囊——这些物质与空气和水分接触后，能自动修复微小裂缝。这种自修复系统能减少避难所的维护需求
一种很有前景的方案是使用芽孢杆菌——这种细菌在接触氧气和水分时会产生石灰石，自然填补裂缝。另一种方案是使用微胶囊包裹修复剂，当裂缝出现时，胶囊破裂释放修复剂。目前，欧洲空间局（ESA）和多所大学正在积极测试这些技术。
工程师正在探索“4D材料”——这类材料能根据温度或压力变化改变形状。这些智能材料可用于制造能适应新环境的火星避难所，或在受损时自动封锁受影响区域，让建筑像生物一样对周围环境做出反应。
长期处于低重力环境会导致肌肉萎缩和骨密度流失。一种解决方案是建造旋转式避难所，利用离心力模拟重力。另一种方案是使用磁阻舱。这两种方法目前都还处于实验阶段，但早期研究正在探索它们在火星长期驻留中的应用潜力。
受生物启发的建筑可能通过机器人群体和内置指令实现自主生长或组装。相关概念包括3D打印生物聚合物，以及能分阶段建造避难所的合成“有机体”。这为打造适应性强、可扩展的火星建筑提供了方向，让建筑能随任务需求不断发展。
NASA和美国国防高级研究计划局（DARPA）通过“生物 masonry”和“新兴生物材料”（ELM）等项目，探索了可编程物质和自主系统。这些研究设想火星避难所能在需要时自我修复或扩建。尽管仍处于实验阶段，但这种技术融合为未来的自给自足型避难所提供了可能。
火星殖民引发了关于环境破坏和动机的伦理争议。批评者认为，火星应保持原始状态供科学研究，而支持者则认为殖民能保障人类存续。在探索与开发之间找到平衡，将决定我们是否以及如何在这颗外星上推进计划。
包括1967年《外层空间条约》在内的国际法，禁止任何国家对太空主张主权。但私营公司的崛起让情况变得复杂。由于缺乏执行机制和更新的法规，随着火星任务逐渐商业化，关于火星资源和土地使用的争议可能会出现。
火星治理仍是一片空白。未来的定居者会采用地球的政治模式，还是创造新的体系？各国航天局和国际组织都与此息息相关。挑战在于如何平衡权威与自治，避免重蹈地球地缘政治分裂的覆辙。
来源：科学快车