地球冰洞为火星冰穹研究提供了天然参照样本。图片来源：Peter Adams

本报讯 载人登陆火星是美国总统特朗普为美国宇航局设定的目标。对宇航员而言，抵达火星或许只是相对简单的一步。若想长期驻留火星，就必须建造具备防护功能的基地，让宇航员能够睡眠作息、开展科研工作并维持其身心健康与心智稳定。如今，一个创新构想为解决这个难题提供了科学佐证，其核心材料就是冰。

火星表面及浅层区域已探明的冰冻水储量超过500万立方千米，预计地下深处储量更大。12月15日，在旧金山举行的美国地球物理联合会年会上，科学家公布的研究成果显示，如果火星冰层被成功开采，宇航员有望住进一个宛如迪士尼动画片《冰雪奇缘》的梦幻世界。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，并能有效抵御太阳有害射线的侵袭。

“这是一个极具吸引力的构想。”美国麻省理工学院的Valentina Sumini指出，外星定居的主要障碍是从地球运输物资所需的大量往返航程，而任何能减少物资运输需求的方案都将加速人类开发外星的进程。

火星上可用于建造基地的潜在材料有两种，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，因为从中提取硅、氧等元素需要进行大规模筛选，还要将这些元素高温加热以制成玻璃等材料。因此，他的团队将研究重心转向了冰。

研究牵头人Rafid Quayum表示，该研究灵感来源于地球。“冰岛以湛蓝的冰洞而闻名，这些冰洞由地热融水侵蚀冰层形成。”

不过，研究人员在火星上设计的冰制基地并非洞穴，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空间。为验证这类结构的可行性，Quayum团队首先通过数学建模分析了冰的隔热性能。结果显示，仅需数米厚的冰层，就能将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。该温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。他们发现，向冰中掺入水凝胶等有机材料，能够增强冰的抗压能力与柔韧性，而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而消散在火星大气中。结论是，为冰层覆盖一层防水涂层即可解决问题，不过这种涂层可能需要从地球运来。

尤为关键的是，团队分析了火星接收的太阳光在冰层上的反射与透射情况。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，冰制基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，这对植物光合作用和宇航员身心健康至关重要。

然而，建造“冰城”也存在明显局限性——该方案需消耗大量冰。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，得先从地球运送钻探设备等相关器械。”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，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冰冻水开展水培农业，以及培育藻类细胞作为潜在食物来源等方案。（王方）