前往火星，是美国总统特朗普为美国宇航局（NASA）设定的目标之一。对宇航员而言，奔赴火星或许只是相对简单的一步。若想在登陆后长期驻留，就必须建造一片具备防护功能的栖息地，供宇航员睡眠作息、开展科研工作，并维持身心健康与心智稳定。

如今，研究人员为一个有望一举解决这些难题的创新构想提供了科学佐证，这个构想的核心材料就是冰。火星表面及浅层区域已探明的冻水储量超过500万立方千米，而据预测，其地下深处的储量更大。

地球冰洞为火星冰穹研究提供天然参照样本。图片来源：Peter Adams/Avalon/Universal Images Group

12月15日，在美国旧金山举办的美国地球物理联合会年会上，科学家公布研究成果称，如果火星冰层可被成功开采利用，未来的宇航员有望住进一个宛如迪士尼动画《冰雪奇缘》般的梦幻世界。该研究团队通过多项建模实验证实，冰可被塑造成隔热性好、经久耐用的建筑结构，能有效抵御太阳有害射线的侵袭。

美国麻省理工学院的Valentina Sumini评价道：“这是一个极具吸引力的构想。”她指出，外星定居的一大主要障碍在于，从地球运输物资需要大量往返航程，而任何能减少物资运输需求的方案，都将加速人类在外星建立常驻居所的进程。

火星上有两种可用于建造栖息地的潜在材料，一种是冰，另一种是火星表层由尘埃和碎石构成的风化层。美国哈佛大学的Robin Wordsworth指出，风化层并非理想选择，这是因为从其中提取硅、氧等元素，需进行大规模筛选，随后还得将这些元素高温加热，加工成玻璃等材料。因此，他的团队将研究重心转向了冰。

该研究的牵头人Rafid Quayum曾是Wordsworth的学生，现在是一名系统工程师。他表示，研究灵感来源于地球。“冰岛以澄澈湛蓝的冰洞闻名于世，这类冰洞的形成源于地热融化冰川，融水冲刷侵蚀冰层，最终雕琢出洞穴的形态。”

不过，研究人员为火星设计的冰制栖息地并非洞穴，而是传统的穹顶结构。每个穹顶面积约1公顷，内部划分出生活区与农业区等不同功能舱。为验证这类建筑的可行性，Quayum团队首先通过数学建模分析冰的隔热性能。结果显示，仅需数米厚的冰层，就能将建筑内部温度从火星常见的零下120摄氏度提升至零下20摄氏度。虽称不上温暖宜人，但足以维持冰结构的稳定。

随后，团队对冰结构的力学特性展开建模研究。参考此前的研究成果，他们发现向冰中掺入水凝胶这类有机材料，能够增强冰的抗应力与柔韧性。这两种特性均是建筑材料不可或缺的。团队还分析了如何防止冰结构因升华作用消散在火星大气中。结论是，为冰层覆盖一层防水涂层即可解决这一问题，不过这种涂层大概率需要从地球运送至火星。

尤为关键的是，团队建模分析了冻水对火星接收的太阳光的反射与透射效果。结果表明，相较于风化层等其他材料，冰具有一项核心优势，即在大幅阻挡紫外线的同时，允许可见光与红外线穿透。这意味着冰制栖息地既能保护人类免受太阳有害电离辐射的伤害，又能引入光线与热量，后者对植物光合作用、宇航员身心健康至关重要。

然而，建造“冰城”也存在明显的局限性。该方案需要消耗大量冰。研究人员初步测算，借助一套功率与国际空间站相当的能源系统，每天大约可处理15平方米的冰层，面积相当于一个标准停车位。“要开采火星地下冰层，先得从地球运送钻井设备等相关器械。”瑞士苏黎世联邦理工学院的Adomas Valantinas指出，另外，火星上沙尘暴频发，沉降在冰层表面的沙尘会遮挡阳光，同时削弱冰的隔热性能。

尽管如此，Wordsworth团队仍构想了一幅蓝图：未来，火星表面的冰处理系统可直接利用太阳能或核能设施产生的废热运转，为人类长期星际定居提供支持。

在Sumini看来，冰“堪称人类在另一颗星球上延续生命的基石”。火星冰层的用途不限于建造居所，她的团队已探索过利用冻水开展水培农业，以及培育藻类细胞作为潜在食物来源等方案。