文／張立名 | By Zhang Liming
笨重的Z-1 太空服
現實中的外星居住艙原型（內部）
2015年9月28日，美國國家航空航天局（NASA）對外宣布，在火星上發現了有液態水活動的「強有力」證據，這條發現無疑在表達著：「火星上真的可能有生命！」。2016年2月11 日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，首次探測到了來自於雙黑洞合併的引力波，這條發現轟動性更甚，雖然普通民眾一開始並不太理解什麼是引力波，但在經過科學家的科普之後，人們也迅速意識到其重要意義，這一發現如同讓人類真正的裝上了一個「耳朵」，「聽」 到了來自宇宙深處的聲音。回看這過去的半年，這個深不見底的宇宙著實給了人類幾個不小的驚喜，天文話題的火熱也讓以宇宙為背景的硬派科技電影風光了一把，以《火星救援》為代表的一系列太空探索類型的電影連接了科幻與現實，超高的電影觀感再加上以現實為基礎的科技元素讓這些電影大受好評， 同時也引發了人們對星際旅行甚至星際移民的想像熱潮，似乎人類離開地球移居太空也並非一件遙不可及的事，等到人類真的移居太空的那一天，人類在火星上該如何居住？房子還是如今常常看到的那樣的豆腐塊一般的房子麼？如果建築離開地球，到達火星，那建築會是怎樣的呢？
該如何設計一棟火星上的標準住宅單元
在《火星救援》中，火星上已經建成了載人火星基地，並且已經執行了3次戰神任務。戰神4號的火星著陸器已經發射到了火星上。居住艙是馬克·沃特尼及其他隊員在火星上的家，是小說中主要場景之一。類似空間站的居住艙備有完備的載人環境，航天員在艙內僅需穿著艙內服。
在真實世界中，居住艙有真實的原型，而這個原型實際上跟建築設計或者建築師幾乎沒有一毛錢的關係。居住艙的外形原型來自於NASA設計研發的位於美國夏威夷冒納羅亞火山(Mauna Loa)山麓上一個圓頂「居住艙」，這個居住艙採用充氣結構，選用充氣結構也是為了便於安裝和回收，但並非我們印象中知道的那種充氣球似的不可靠，相反這個充氣結構居住艙相當可靠，他剛剛才完成了一項歷時八個月的居住實驗，模仿太空環境，完全密閉。
居住艙的內部原型來自於林頓詹森太空中心，下圖中航天員在林頓詹森太空中心（HERA）進行地外星球生存模擬訓練， 為長期任務做訓練。HERA 擁有完全獨立的生存系統，這個兩層的居住艙內有起居空間、工作站及模擬氣閘艙。HERA 提供有用的生命維持系統數據，幫助 NASA了解該如何改進相關的深空居住系統設計。這個系統的建立與完善有建築師的參與， 但建築師的參與度並不高，因為這個居住系統的大部分需求與目標都並非從傳統建築學的角度考量的，可見對離開地球的建築師來說，技術系統與居住的舒適性相結合顯得無比重要。
現實中的外星居住艙原型：位於美國夏威夷冒納羅亞火山（Mauna Loa）山麓上的圓頂「居住艙」
怎麼在火星上造房？
在電影《火星救援》中，艙外服是電影中馬特·沃特尼的必備之物，影片結尾他劃破艙外服扮演「鋼鐵俠」飛向飛船的片段讓人記憶深刻。
在地球上蓋房子最常見的場景恐怕就是一大群建築工人在工地上熱火朝天。而這個場景放在惡劣的火星環境中似乎就比較奇怪了，一大群太空民工穿著笨重而昂貴的艙外服在火星表面打著釘子灌著混凝土，這種場景想想就十分違和。
NASA 研發的適用於火星的艙外服成本還沒能低到給建築工人當工作服穿，航天設計師需要詳細研究火星的各種極端環境，以便製作出配合任務需要的艙外服。火星上那些大量的火星塵埃也是漫遊火星的一大難題，過量的塵土會嚴重影響航天員和火星車以及通信能源系統的工作。因此，NASA設計出一套特殊裝置，讓航天員可以從背部脫掉艙外服進入居住艙，把艙外服留在外部，以防火星塵埃汙染居住艙。他們在2012年開發的太空服Z-1，造型類似巴斯光年，十分笨重。
極高的艙外活動成本導致了大量的艙外密集勞動變得不太可能，這就意味著傳統的建造方式變得完全不可行。而對於這一點，其實NASA早已有了想法，在2012年，NASA與南加州大學建築學院霍斯內維（Behrokh Khoshnevis）教授聯合提出了一份研究方案，將機器人與三維列印技術運用於未來的深空居住項目中。霍斯內維（Behrokh Khoshnevis）教授在建築三維列印方面已經有十幾年的研究經驗，他發明的「輪廓工藝」是目前全世界最成熟的建築三維列印技術之一。這一將建築三維列印應用於太空項目的提案已經正在進一步深化之中，可見， 對於未來可能離開地球的建築來說，使用機器人建造和運用諸現實中的外星居住艙原型：位於美國夏威夷冒納羅亞火山（Mauna Loa）山麓上的圓頂「居住艙」 如三維列印一類的高適應性高效且節省材料的建造技術將不可避免的成為核心支柱。
對此，老謀深算的NASA似乎早有準備。早在今年5月， NASA和America Makes便超乎預見性地舉辦了一場大規模的「3D列印火星住宅」競賽。為了避免淪落到《絕地救援》中麥特戴蒙的窘境，組委會號召腦洞大開的建築師們為定居火星執行任務的太空人設計專屬居所，提供足夠的補給與裝備讓太空人們能夠航行更遠的距離和更長時間。材料得是就地取材，因為人類並沒有土豪到跨星球快遞材料的地步，我們不可能把大量的混凝土送到火星上去，更別說傳統的大型建築機械。技術則毫無疑問的需要用3D列印的方式，自主成形，零勞動力。
「冰屋」外觀
「冰屋」剖面圖
「冰屋」效果
借著「火星液態水」的新聞效應，競賽的第一名也從160餘份作品中脫穎而出。得獎的是太空探索建築SEArch和雲端建築工作室Cloud AO的作品「冰屋」（ICE HOUSE）。
「冰屋」是少數幾個沒有將棲息地掩埋於風化層之下的方案之一。相反，團隊以火星北部大量存在的地下冰礦為建築原材，選擇有冰冠或是地下不深處就有冰的零下寒冷地區作為登陸點，創造出一個輕薄的垂直冰殼。「我們意識到，水是生命的結構單元，因此我們使用『Follow the water』的策略來構思、落地和建造我們的設計。」設計團隊這樣解釋他們的概念。下面我們來仔細看一看這個獲得NASA最終大獎的設計作品的詳細面貌。
冰屋的設計原理：「若將冰暴露在火星環境中，在600千帕的壓力下，它將即時從固態升華為氣態，散入環境中。」在火星稀薄大氣層的低氣壓下，冰會直接升華為氣體。因此建造冰屋時外層用「大力馬」（Dyneema）防彈纖維強化過的ETFE膜包覆，ETFE膜具有高透光、不易沾染塵土、抗靜電與極為耐用的特性，膜內部鋪設一層氣凝膠，同時填充較高氣壓的大氣，讓內部的冰屋不會升華消失掉。
冰屋孵化自對光的訴求：此前科學家已做過實驗，尋求可能替代太陽光的物質。然而實驗證明，人造物質並不含有與太陽光相類似的晝夜節律變化。而在火星，由於大氣層稀薄，宇宙射線與太陽的輻射會對人體造成相當大的傷害。因此，「冰屋」採用雙層構造，將自身作為一個「輻射屏障器」，通過水的吸收光譜過濾紫外線和伽馬輻射，允許可見光通往室內。「冰屋」將火星建築從飽含高氯酸鹽、石膏以及其他物質的地下「黑暗世界」中徹底地解放了出來。半透明的室外殼體重新引入了室內外過渡的建築概念，不同於傳統設想中，外星球居所應有的封閉狀態。
垂直棲息地：垂直棲息地分私人空間與公共空間，並有垂直式的水耕農園，提供食物與氧氣。一旦著陸器ETFE膜開啟充氣模式，著陸器內便展開一系列預製艙體，創造出不同大小的儲藏袋，收納各種機器人以及「環境控制和生命保障系統」。著陸器核心區域的螺旋樓梯提供了通往上層的路徑，同時上樓的過程滿足太空人的日常鍛鍊。
氧氣花園：在著陸器核心和冰屋室內之間，青蔥的植物圍繞著居住者。垂直生長的水培花園成為居住的「休閒花園」， 使太空人從單一乏味的火星景觀中脫離出來，確保太空人的身心健康，同時提供了太空人的食物和氧氣供給。
建造方式：建造冰屋的方式，是先捕捉由冰升華而成的水蒸氣，施以陽光的熱能化為水，成為水之後，用機器人將水混合纖維與氣凝膠，一層層地噴出結構，近距離噴頭可確保水噴上結構時就會重新結冰，機器人會自己列印出往上攀升的軌道，因此可以用 3D 列印的方式往上一層層印出整個結構，這個建造方式在地球上已實驗成功。
可以看到，「冰屋」的設計團隊的設計想法雖然大膽，但同樣有著較為充足的科學依據，從理論上來說具有一定可行性。這個兼具浪漫幻想與理性求證的作品得到NASA最終的青睞，拿走25000美金大獎看來是實至名歸。
NASA 目前正持續研究的離子推進器
最後，怎麼去火星
在《火星救援》中，戰神三號計劃的成員所搭乘的赫密斯號，就是利用離子推進器（核推進）來完成地火轉移運輸。核推進比衝高，可以節省大量的攜帶推進劑，是當前正在研發的載人深空探索關鍵技術之一。
離子推進技術是穿越太空距離的有效手段。離子推進是將氬氣或者氙氣電離並以200000英裡/小時的高速噴出。飛船起初由一個像微風一樣的很小的力推動，但是在不斷加速數年之後，飛船可以獲得非常高的速度。離子推進技術也允許飛船多次變軌，然後進入更遙遠的世界。
這個技術允許現在飛船能用很少的燃料去執行一些瘋狂的任務。美國NASA在 2007 年發射的Dawn Spacecraft，便是使用這項技術打破其他探測器的記錄。Dawn 飛船已經完成超過五年的持續加速，總加速達到25000英裡/小時。這比其他飛船的推進系統要厲害的多。沿著這條路，它已經完成了人類對穀神星和灶神星的第一次觀測。
好了，似乎所有的問題都得到可能的解決方案了，說起來，好像去火星蓋房子已經是一件沒那麼痴心妄想的一件事了，不是麼？
《去火星，造房子》
文／張立名
全文刊登於《新知》2016年4月刊（總第14期）