火星作为一颗与地球最相似的太阳系行星，一直是人们太空移民的首要目标。随着今年又一个火星探测高潮年的到来，中国“天问一号”、美国“毅力号”、阿联酋“希望号”三颗火星探测器都已启程奔向火星。我们祝福他们一路顺利，成功完成使命，进一步揭开这颗人类“姊妹星”的神秘面纱。

假设未来的某一天，人类历经探索火星中重重的困难后，成功抵达了火星。那么，我们如何在火星上生存？就像《荒野求生》那样，我们需要做好哪些充足的准备？如何改造这个家园，让人类可以更好的生活？

火星表面：Credits:NASA

我们已经知道，火星大气层很薄，其大气密度只有地球的1%。火星体积很小，导致内部散热很快，从而内部发电机会很快停止工作，火星表面磁场很弱。太阳风会缓慢的将其表面大气剥离，因此目前火星表面气体密度极低。此外，较弱的磁场，使得火星表面充满着来自宇宙空间的宇宙线辐射，对生命带来极大挑战。目前火星大气主要是由遗留下的二氧化碳（95.3%）、氮气（2.7%）、氩气（1.6%）和微量的氧气（0.15%）和水汽（0.03%）。虽然火星上二氧化碳含量极高，但气体密度较低，从而温室效应并不强，受太阳照射的影响，火星近日点和远日点温度可相差近160℃，冬天（-133℃）到夏日白天（27℃）的温度跨度极大，表面平均温度零下55℃，季节变化很大。

午后的火星Credits:NASA/JPL-Caltech/MSSS

因此，建设火星基地是探索，登陆，并移居火星的必由之路，它将是我们的“庇护所”，保护我们免受宇宙高能射线辐射的影响，并维持一个温暖舒适的生态环境。根据美国航空航天局专家设想，火星基地必须遵循“太空”原则，外出需要穿戴宇航服，并时刻保持与地球的通信畅通。

设想中，建设火星基地可以分为三步走过程：

第一步利用自我组装的微型基地，它与空间站类似，利用小的生活舱供首批探索者短暂的定居，并探索实验设备的可靠性。

火星微型基地想象图Image credit: NASA

第二步建立气象站，既能监测火星的表面环境，大气磁场和地质条件等信息，又能以此为基础补充设备，构建小型基地，研究建立永久基地的可行性。

第三步选址与建设方案，选择合适的位置进行设计和建设永久基地。我们需要就基地布局，有效利用率和可行性，包括大气环境，重力，土壤，地质结构，辐射影响，饮用水，空气，舒适度等因素综合考虑，因地制宜，充分利用人类现有的科技水平和建设能力。

火星基地栖息地想象图Image credit: NASA

据报道，美国宇航局进行了一场火星基地建设设计竞赛，有三项入围方案，这三种方案均利用了3D打印技术来进行制造可持续建筑。

让我们来一探究竟！

第一种方案将基地设计为类似蒙古包的结构，非常适合多风的环境，且可方便的折叠和转移。

火星基地设计图1Image Credits: Zopherus

第二种方案结构类似于足球，开有天窗，具有充足的阳光。

火星基地设计图2Image Credits: Mars Incubator

第三种方案其独特外形结构可使栖息地不断加强，光线通过侧面和顶部的槽形端口进入。

火星基地设计图3Image Credits: Team SEArch+/Apis Cor

当然我们也可以考虑因地制宜，寻找一个合适的熔岩洞穴，学习像我们的祖先一样穴居洞中，慢慢适应火星并试着改造火星的环境。

另一项名为HP Mars的设计竞赛则更为大胆，需要挑战的是设计可容纳百万人量级的大型火星城市。设计者们更是八仙过海各显神通，有很多出色的设计作品，如图

火星摩托车Image Credits: Xabier Albizu

风力发电机Image Credits: CSABA团队

蜂窝温室Image Credits: CSABA团队

模拟蓝天Image Credits: CSABA团队

火星上的信号塔Image credits: CSABA团队

是不是有几分对火星基地的向往和期待呢？

火星基地的构成

火星基地需要有飞行居住舱，表面居住舱-实验室，和返回居住舱，发电机，生命保障系统，这些设备的核心意义在于发电、生产燃料、获取资源以及保障生命系统的运转。

火星基地应分为几个区域，每个区域发挥不同的动能。有一个区域用来保存和测试宇航服，其他区域包括食品区，测量冷却加热等设备区，办公区包含计算机，通讯设备，墙上挂有火星地图和任务表等基础工具。

在火星表面发电，核能舱作为核心发电设备，能为宇航员提供充足的电力，此外火星收到太阳的辐射是地球上的44%，因此还可以建立一个太阳能发电厂提供电力。上文提到的风力发电机建设也非常合适。

火星资源利用设备

（1）空气、食物和水

我们知道，生存的三要素是空气（氧气）、食物和水。人类如果登陆火星，很难从地球上带去足够的资源。为了在火星上生存，必须创造条件，就地取材达到上述基本生存条件。

水是生命之源，有水才有生机。移民火星，“水”资源应该首当其冲。NASA科学家给出了一些火星存在水的证据，比如火星两极可能存在冰川，在夏季时可能会出现河流。另外，火星上也可能存在液态地下湖。然而，这些需要进一步的探索，并给出水或冰的分布，为将来移民火星做好准备。

氧气是人类生存必要条件，然而火星上目前氧气含量极低，主要是二氧化碳（95%以上），因此制造氧气，让火星变得宜居也是关键中的关键。当然，跟地球一样，利用植物把二氧化碳转化成氧气是最经济可行的办法，这样植物既提供了人类的需要的食物，又能提供氧气，一举多得。当然，在移民火星初期，利用电解水产生氧气，也是一种便捷之道。此外，也可以利用强大的能量将二氧化碳中的碳和氧分离。总之，如何造出更多的氧气，需要更加聪明的方法、更加先进的新技术。

美食，是在火星上长期快乐生活的不可或缺之物。在火星上，到底能有哪些食物？火星土壤跟地球类似，种土豆是一种比较容易的获取食物的方式，土豆里富含淀粉，可以比较好的满足能量需求，当然，在食材有限的情况下，必须带个中国大厨，煎炒烹炸，利用少量的食材做出多样化的美食。当然，如果火星存在液态湖，有鱼虾等海产品的话，那是更好不过了。

(2)居住与工作

考虑到改造火星大气是极其困难的，因此在人类移民火星日子里，只能建立完全封闭的大型基地。外部环境恶劣，外出必须穿厚重的宇航服。人类日常生活和工作要住在舱内。通常居住舱和飞行居住舱相连，互为备份，可以大大降低居住者的风险。

火星表面人工生态圈Image credits:Surviving Mars

(3)生命保障

为了保障人或其他生物的正常生命活动，最重要的便是生命保障系统。宇航员生命保障系统将有两级系统冗余，飞行试验舱提供主要的生命保障，与之相通的地面实验舱是第一级冗余，生活储备的水，氧气，缓冲气体构成第二级冗余。

(5)往返地球

在人类未能充分利用火星的资源自给自足之前，人们需要利用返回舱进行地球到火星的来回穿梭，并运送必要的物资,同时人们也充分保留有返回地球的权利。

如何在火星长期生活？最好的一个例子莫过于《火星救援》中的主人公马克（Mark），在登陆火星后，却遇到风暴而被困所在的火星基地上，他决定活下去，等待救援，他将至少在火星上生存四年之久。为了获取氧气和水，他利用基地里的制氧机（可以分解二氧化碳）和净水机，有足够的电力就可以解决。最大的问题莫过于食物了，好在火星的土壤成分和地球接近，利用携带来的可提供微生物环境的地球土壤，与人的粪便等与火星土壤结合，便能制成可供种植的合成土壤，于是马克利用获得的土壤和从地球带来的种子，开始种起了土豆，并自诩为火星上“最伟大的植物学家”，当然也是当时的唯一一位“火星人类”，这种乐观的态度也是火星移民必备的一种素质呢。

Mark在种土豆Image credits:《火星救援》剧照

大概美国人民最爱的食物之一莫过于土豆了，而我国劳动人民最强大的技能莫过于开荒种菜了，或许我们可以帮Mark出谋划策，种点青菜和白菜，它不比干巴巴的饱含淀粉的土豆更香吗？

结语

面对一个与地球完全不同的生活环境，经历了初到火星的惊奇，在较低的大气压强和重力加速度、单调的环境、匮乏的物资条件下，火星移民们不得不面对如何长期在此生活的问题，我们的火星基地建设将发挥至关重要的作用。

定居火星，你准备好了吗？如果还没认真思考过，我们现在思考也还不晚，让我们为火星的美好家园，为火星的青山绿水而思索吧。

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参考文献

-[1] How Can We Live on Mars?

-[2] [火星家园](火星家园[M].解放军出版社, 2004.)

-[3] [飞向火星](霍尔德曼.飞向火星[M].中国妇女出版社, 2009.)

-[4]Latest Updates from NASA on 3D-Printed Habitat Competition

作者简介

吕兵，华中科技大学天文系博士研究生，主要研究方向为高能天体与SKA。

 

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编校：吴庆文 许文龙

文章编号：华中大天文200805B