火星的次布莱克定居点
在地球上形成地形是一项令人叹为观止的任务，人们经常认为这与将火星变成人类定居者的良好环境有关。但在提供庇护所以维持殖民地方面，还有其他挑战较小的选择。正如罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)在下面的文章中解释的那样，冰盖湖泊是一种选择，可以提供所需的资源，同时保护殖民者免受辐射。祖布林是火星协会的创始人，也是几本书和许多论文的作者，他是火星直接概念的创始人，该概念设想使用当前和近期的技术进行探索。在这些页面中，我们研究了他关于星际飞行的许多想法，包括磁帆刹车和核咸水火箭概念。祖布林现在是先锋宇航公司的总裁，他的最新著作是“太空的案例：航天革命如何开启无限可能性的未来”，最近由普罗米修斯图书公司出版。
这篇论文研究了在冰覆盖的湖泊表面下建立火星定居点的可能性。结果表明，这种聚落提供了许多优势，包括能够迅速设计出非常大的加压空间，全面的辐射防护，高效的发电，温度调节，丰富的资源可用性，户外娱乐，以及创造一个充满活力的当地生物圈，支持不断增长的人口的营养和美学需求。
火星表面给人类住区带来了许多挑战。大气压只有地球的1%左右，这就要求人们养成加压习惯，使宇航服成为户外活动的必需品，而且对宇宙辐射的屏蔽效果也不是最好的。出于这些原因，一些人建议建造可与城市地铁系统相媲美的大型地下结构，为人类居住提供加压、防护良好的体积[1]。然而，建造这样的系统在土木工程上的挑战是相当艰巨的。此外，这类定居点的粮食必须在温室中种植，这限制了潜在的种植面积，如果放置在地下，要么要求巨大的电力需求，要么需要在地面上建造大型透明的加压结构。火星表面的水要么是冰，要么是永冻土。这些材料可以开采，产品可以运输到基地，但是这样做的后勤工作虽然比月球上任何可能的事情都要好得多，但与直接获得地球上几乎所有人类住区可用的液态水相比，要方便得多。虽然白天的温度可以接受地接近0摄氏度，但夜间的温度降到了零下90摄氏度，这给机械和地面温室带来了问题。然而，尽管夜间温度很低，但由于必须将废热排入近真空环境，核能的效率受到了影响。
所有这些困难都可以很容易地通过对地球进行地形改造来解决[2]。然而，这是一个巨大的项目，其巨大的规模将需要认真开展已经存在的相当大规模的火星文明和工业力量。出于这个原因，一些人提出了“准地形形成”的想法[3]，即在红色星球的一个更有限的区域(如水手谷)上盖屋顶，然后就在这一部分进行地形形成。但建造这样的屋顶本身就是一项比人类历史上任何一项工程都要大得多的工程项目。
然而，火星上的一些地方已经被盖上了屋顶。这些是地球上无数充满冰的陨石坑。
地球的北极和南极地区有许多永久冰盖或“冰下”湖泊[4]。这些湖泊已被证明支持活跃的微生物和浮游生态系统。
大多数亚北极和高纬度温带湖泊在冬季都被冰雪覆盖，但它们的许多水生群落成员仍然非常活跃，这是冰上渔民所熟知的事实。
目前，似乎没有。欧空局火星快车轨道器使用探地雷达探测到火星地下深处的高盐度液态水，这种环境对通过钻探进行科学采样非常感兴趣。但是要用来定居，我们需要冰雪覆盖的湖泊，这些湖泊可以直接从地表进入。火星上有很多充满冰的陨石坑。然而，这些不是湖泊，因为虽然它们是由几乎纯净的水冰组成的，但它们从上到下都被冻结了。但这一缺陷是否可以纠正呢？
科罗廖夫是位于火星北纬73°、东经165°的Mare Boreum四边形中的一个充满冰的撞击坑(图1)。它的直径为81.4公里，包含约2200立方公里的水冰，体积与加拿大北部的大熊湖相似。为什么不用核反应堆融化冰下的水，形成一个巨大的冰盖湖泊呢？
图1。科罗廖夫陨石坑可以为火星上的亚雷克城提供一个家。图片由欧空局/DLR提供。
让我们算一算吧。在0摄氏度融化冰需要334kJ/kg。假设冰的初始温度是零下100摄氏度，我们将需要提供这个外加200kJ/kg，总共534kJ/kg。冰的密度为0.92公斤/升，因此融化1立方公里的冰将需要4.9x1017J，或15.6千兆瓦-年的能量。地球上一座1千兆瓦的核电站需要大约3千兆瓦的火力发电。对于位于科罗廖夫附近的发电厂来说也是如此，因为它将使用它在陨石坑中产生的冰水作为极好的散热介质。在5个这样的装置的帮助下，利用它们的余热和电力系统的散热，我们每年可以融化一立方公里的冰。
科罗廖夫的平均深度为500米，比我们需要的深度要深得多。因此，与其试图完全融化它，一个优化的策略可能是专注于平均深度可能为40米的沿海地区。在这种情况下，每融化一立方公里的冰就会打开25平方公里的液态湖进行沉降。或者，我们可以选择一个更小、深度更小的陨石坑，融化整个陨石坑，除了顶部的冰盖。
在地球上，10米深的水产生一个大气层的压力。因为火星的重力只有地球的38%大，所以需要26米的水才能产生同样的压力。但没有必要施加如此大的压力。只有10米以上的水，我们仍然有0.38巴的外部压力，或5.6磅/平方英寸，允许3psi的氧气/2.6psi的氮气大气，与天空实验室空间站上使用的相当。以这种方式降低大气中的氮含量也可能是有利的，因为氮只占火星大气的一小部分，这使得火星上更难获得氮，而且限制呼吸空气中的氮含量也将有助于旅行到压力较低的环境，而不用担心弯曲。水下栖息地上方10米的水面也将提供相当于海平面上地球大气所提供的宇宙射线的屏蔽。
建造栖息地可以使用地球上用于水下栖息地的任何方法。这些包括封闭式压力容器，如潜水艇，或开底系统，如潜水钟。后者提供了最大限度减少结构质量的优势，因为它们的内部压力几乎等于周围环境的压力，而且直接通过底门很容易到达大海，而不需要任何气闸。因此，虽然封闭式潜水艇可能更适合旅行，因为它们的居住者不会经历压力随深度的变化，但开敞式海底栖息地提供了更好的定居选择。因此，我们将把我们的兴趣集中在后者上。
考虑一个开底沉降模块，它由一个直径100米的圆顶组成，其最高点在地表以下4米，底部在地表以下16米。因此，穹顶有四个甲板，每个甲板有3米的顶部空间。穹顶处于紧张状态，因为里面的所有空气都处于9磅/平方英寸的压力下，相当于底部的湖泊水压，而顶部的湖水压力只有2.2磅/平方英寸，因为穹顶材料在顶部附近的向外压力为6.8磅/平方英寸。圆顶的曲率半径为110米。
其中σ是屈服应力，P是压力，R是半径，t是穹顶厚度，x是安全系数。假设穹顶由钢制成，屈服应力为100,000磅/平方英寸，x=2。在这种情况下，公式(1)表示：
钢材的质量约为600吨。这还不错，因为它创造了一个有大约3万平方米居住空间的栖息地。
如果我们不使用钢，而是用光谱织物做一个帐篷穹顶，它的强度是钢的4倍，密度是钢的1/9，那么穹顶的质量只需要大约17吨。然而，它需要被绑在它的圆周上。9万吨岩石的压舱物重量可以用于这一目的。否则，绳索可以锚定在深入湖底冻土的桩子上。
这些用人造材料建造穹顶的工程方法的一个有吸引力的替代方案是，简单地将穹顶从覆盖湖泊本身的冰中融化出来。例如，假设冰盖有20米厚，我们在其中融化一个12米高、直径100米、曲率半径为110米的圆顶，填充氧气/氮气混合物将提供与上面讨论的相同大小的栖息地。20米冰(密度=0.92)下的压力为0.7巴，或10.3磅/平方英寸。穹顶的屋顶在8米厚的冰下，其质量施加0.28巴(4.1磅/平方英寸)的压缩压力，留下6.2磅/平方英寸的压力差由冰的强度来保持。冰的抗拉强度约为150磅/平方英寸，因此将这些值粘贴到公式(1)中，我们发现圆顶最薄点处的安全系数x将为：
这个安全系数已经足够了。这种大小的圆顶网络可以融化到冰盖中，通过隧道将它们底部的厚厚材料连接起来。如果需要曲率半径大得多的圆顶，冰层可以通过冻结光谱网得到极大的加强。
形成每个这样的圆顶所融化的冰的质量约为8万吨，需要1兆瓦年的能量来融化。它还需要大约90吨氧气才能将气体填满穹顶。这可以通过水电解产生。假设80%效率的电解装置，这将需要1950年千焦耳，或62千瓦-年的电力生产。因此，这样大的居住穹顶可以在湖泊形成之前很久就建造起来，并充满可呼吸的气体，使用的能源要少得多。
压缩的居住结构可以在更大的冰下形成。这是因为冰的密度是水的92%，所以如果湖面下50米深的冰柱融化，就会产生42米深的水柱和8米的空隙，可以充满空气。
所以，让我们假设我们有一个冰坑，冰坑的一部分，甚至是半径5公里，深度70米或更深的冰川。我们融化它的一部分，从冰下20米到下50米。如上所述，这将在水面上形成一个4米厚的净空。这个空隙上方的冰的重量是7磅/平方英寸，所以我们会用压力为6.999磅/平方英寸的氧气/氮气混合物来填充空隙。这将抵消几乎所有的重量，使冰盖处于极其温和的压缩状态。(温和的压缩比轻微的拉伸更可取，因为冰的压缩强度约为1500磅/平方英寸，是拉伸强度的十倍。)。在这种情况下，悬挑表面的曲率半径可以是无限的。因此，将创造一个78平方公里的有压力和充足屏蔽的宜居区。栖息地可以放在这个室内湖泊上的木筏或游艇上，或者形成一个冰架，为大部分地区的传统建筑提供坚实的地板。
创建这个室内湖城需要融化的总水量是4立方千米。通过我们提议的5Gwe电力系统，这可以在大约4年内完成。随着时间的推移，进一步的供暖将继续横向扩大宜居区。如果湖很深，以至于水柱下面有冰，它就会逐渐融化，也会增加定居点的净空。
亚雷克火星聚居地的生活环境不需要局限于充满空气的栖息地内部。通过融化冰层，我们为周围充满活力的水生生物圈创造了可能性，穿着普通潜水服和潜水装备的火星殖民者可以很容易地参观到那里。
这个湖正在用陆上或漂浮的核反应堆排热产生的热水融化。如果热量被排斥在湖底附近，就会出现猛烈的上升流，使湖水获得强大的矿物质营养。
假设冰盖减少到30米以下，白天就会有足够的自然光来支持浮游植物的生长，就像在地球北冰洋观察到的那样[5]。然而，通过添加人造光，湖泊的初级生物生产力可以得到极大的提高。
北冰洋的生物活性高达75N，全年平均昼夜太阳照度约为50W/m2。如果以此为标准，那么我们每GW的可用电力可以用来照亮20平方公里的湖泊。再加上热上升流产生的富含矿物质的水，以及根据需要从火星大气中人工输送二氧化碳，这种照明可以在定居点周围的水域创造一个极其富有生产力的生物圈。
最先释放到湖中的生物应该是光合作用的浮游植物和其他藻类，包括海藻等宏观形式。这些可以用来给水充氧。一旦做到这一点，就可以放生动物了，首先是浮游动物，然后是各种各样的水生大型动物，可能包括海绵、珊瑚、蠕虫、软体动物、节肢动物和鱼类。企鹅和海獭可能会紧随其后。
随着湖泊的继续发展，它的城市将会增加，催生出人类文明的一个新分支，在一个新世界上支撑和支撑着一个充满活力的新生物圈。
我们发现火星最适合定居的地方可能是水下。通过在冰盖的陨石坑表面下创造湖泊，我们可以创造微型世界，提供可接受的压力、温度、辐射防护、宽敞的生活空间，以及生命和文明所需的一切。火星的次级城市可以作为探索和开发这颗红色星球的基地，提供新的国家可以在其中诞生和发展的家园，直到它们能够发挥足够的力量走出去，接受火星本身的地形改造的挑战。
1.弗兰克·克罗斯曼(Frank Crossman)，编辑，《火星殖民地：定居红色星球的计划》，火星协会，北极星图书出版社，2019年
2.罗伯特·祖布林(Robert Zubrin)与理查德·瓦格纳(Richard Wagner)合著的“火星的案例：定居红色星球的星球和为什么我们必须”，西蒙和舒斯特，纽约，1996年，2011年。
3.理查德·S·泰勒，“Paraterraform：the Worldhouse Concept”，“英国星际学会杂志”，第一卷。1992年8月，第45期，第8期，第341-352页。
5.Kevin Arrigo等人，“海冰下大量浮游植物开花”，“科学”，第336卷，第1408页，2012年6月15日，https://www2.whoi.edu/staff/hsosik/wp-content/uploads/sites/11/2017/03/Arrigo_etal_Science2012.pdf.。访问时间为2020年5月15日。
