清华大学林波荣教授领衔的绿色智能建筑团队在Cell出版社交叉学科期刊Nexus发表了题为“火星居住可持续建筑环境设计：建筑、系统和人居品质的集成创新”的综述文章。移民火星并建设一个环境宜居和节能高效的建成环境是人类未来的重要愿景。在火星匮乏的能源资源条件下，健康高效的环境营造系统是实现可持续火星居住的核心保障和关键技术挑战。本文围绕人类如何在火星恶劣环境中实现生存，基于“以人为本”理念，系统总结了适宜火星的建筑环境营造最新理论与技术，并展望了火星居住环境的技术创新机遇，对未来实现火星移民可持续发展具有参考价值。

研究背景

随着全球人口不断增长，地球资源和生存空间面临巨大压力，促使人类开始寻找外星资源和宜居环境的可能性。火星由于其相对较优的外部环境（适度寒冷、24小时节律适宜、有大气层等）和原位资源（适宜的建设资源和能源）条件，具有较高的移民前景。但相比于地球环境，火星移民仍面临着资源匮乏和长期孤立的居住挑战。因此，发展可持续性居住环境营造技术是火星移民的重要前提之一。

现阶段，围绕火星移民已开展了许多基础性和展望性研究工作，例如地外的3D打印技术、再生生命支持系统等技术研究和陆地火星模拟实验（如Mars500等）等生理/心理研究；还有一些概念性的技术想法，如充气式柔性火星居住舱等。

图1. 火星居住的技术融合

然而，现有的火星居住环境营造研究侧重于技术本身，对于设计到运维全过程的“以人为本”关注不足，而这会对火星居住的人员生理、心理安全和可持续发展带来严重影响。因此，本文尝试以地球建筑经验为参考，结合火星特殊的环境、资源和人员需求，从“设计-运维”的新视角展望火星居住的适宜技术，探索适宜火星居住的创新可持续技术策略，期待为建设更加以人为本与节能高效的火星居住空间提供借鉴。最后，探讨了如何通过跨学科合作为火星可持续居住提供支撑的可能。

核心内容

1. 火星居住技术:从设计到运维

火星居住舱作为人类与外界环境的第一道屏障，舱体设计是人类在火星生存的开始，决定着外太空环境对室内生活的影响。为了适应火星地形，人们提出了在地上、地下和半地下建造火星居住地的构想。然而，对于适应火星条件的居住舱设计方案，仍需在运维性能预测的基础上进行定量评估，以指导火星居住舱的应用和优化。其次，结合原位资源利用（ISRU）选择合适的建筑材料，采用适宜的3D打印与机器人建造技术，可为火星居住舱的安全与可靠性提供保障。

图2. 火星居住舱设计技术

在居住舱运维方面，需同时满足“量”、“质”需求，即不断创造满足人类生存需求的室内环境，并对人的心理健康进行正向引导。其中，地球极地环境与地外空间站等极端条件下环境营造技术可作为火星居住舱运维参考，例如高效热控系统、资源回收系统、节律人工照明灯。不同的是，火星居住舱难以获得地球的支持，对系统运行稳定性和能源资源可持续性提出了更高的要求，同时人员生理与心理健康面临更大挑战。因此，为确保火星移民的顺利进行，火星居住舱运维技术仍需要更多的前瞻性。

图3. 火星居住舱运维技术

2. 火星居住舱设计新路径

受绿色建筑发展的启发，性能导向的火星居住舱设计是提升环境营造品质与可持续发展的重要基础，关键在于探寻适应复杂多变室外工况的建筑特征参数。随着人工智能与数据科学技术发展，参数化设计方法为建筑性能优化（能耗、人居环境安全性与舒适性）带来新的技术革命。与地球建筑不同的是，火星建筑还应充分考虑极端气候与自然资源利用，结合满足人员需求的功能空间设计，以满足火星居住的可持续性。

除结构设计外，材料设计也是重要的发展方向。例如高性能保温材料、动态可调的新型智能窗材料、高气密性建材等。此外，建筑围护结构还可与自然能源利用技术结合（如BIPV），在提升建筑性能的同时产生可利用的能源资源。总体而言，火星居住舱围护结构技术发展的未来趋势是自身性能提升与自然资源利用。然而，这些技术是否适用于火星尚不清晰，仍需更深入的研究以全面定量评价其对火星居住舱整体性能影响。

图 4. 火星居住舱设计技术新路径

3. 火星居住舱运维新思路

在火星资源匮乏条件下，“开源节流”、节能高效的环境营造系统是实现可持续高品质火星居住舱的核心保障。对于“开源”，核能被认为是启动火星移民的最佳途径之一，然而火星核能原位资源缺乏，对未来大规模居住构成挑战。火星虽然太阳辐射相对较低，且易受火星沙尘暴影响，但是和风能结合可提升保障率。此外，火星丰富的CO2、固体氧化物、冰川等原位资源可作为室内空气品质控制的重要源头。“节流”方面，提高环境营造系统的效率是根本，包括提高制冷/供热系统的能量转换和冷热传递效率、人工照明系统发光效率、空气净化系统过滤效率。其次，创新人因导向的室内环境营造策略可进一步降低运维成本。

除了资源问题，建筑环境对居住者生理和心理健康也具有重要影响。在生理健康方面，营造动态化的室内环境至关重要，例如动态室内温度可以增强热适应性、模拟自然光环境可以保持人体节律。在心理健康方面，室内光照环境尤为重要，需要采用仿生照明系统以创建接近地球建筑的光照模式。此外，增强居住者与系统之间的信息交互也是创造高效健康的室内环境的重要方面，结合人工智能等技术，可实现满足个性化生理心理健康需求的高效环境营造。

图 5. 火星居住运维技术新展望

4. 未来发展新机遇

综上，火星居住舱在结构设计与建造、高效运维与健康保障方面均面临着巨大挑战，可归纳为五个关键问题：1）火星居住舱应该是什么样，2）如何建造火星居住舱，3）居住舱建造应该使用什么材料，4）火星居住应使用什么能源，5）如何保障室内环境的健康舒适和生理心理安全。为了解决上述问题并为可持续居住舱设计与运维提供有效技术支撑，需要包括建筑设计、建筑物理、材料科学、土木工程、工程热物理、计算机科学、生理学和心理学等学科在内的跨学科合作和技术创新。

论文总结

火星移民是人类太空探索的重要里程碑，而居住舱环境营造在整个移民过程中起着至关重要的作用。可持续环境营造技术可以满足基本的生存需求，并已支持了许多太空任务。未来，环境营造技术将更加以人为本，实现舒适、健康、节能的地外生活环境。然而，火星居住从设计到运维是一项巨大的技术工程，它需要考虑火星的独特条件、地外人员需求与资源可持续性。因此，在确保居住者生理和心理健康的同时，对环境控制技术（从太空运输、居住舱建造到长期运维）进行全生命周期的资源消耗评估，是明确可行的火星居住技术的关键。

研究团队介绍

论文共同第一作者为四川大学孙弘历副教授与东南大学段梦凡助理研究员，清华大学林波荣教授为本文的唯一通讯作者，北京大学杨荣贵教授与浙江大学谭刚教授为本文的共同作者，其他作者为林波荣教授团队研究生。

林波荣教授领衔的绿色智能建筑团队长期致力于涵盖“材料-构件-产品-系统”的绿色建筑健康环境营造与节能低碳创新关键技术研究，旨在通过建筑物理、信息科学、新材料科学等学科交叉，推动智能建筑设计理论与工具、室内环境营造方法与产品、以及智慧运维技术的创新与升级。近年来在Engineering、Cell Reports Physical Science、Energy Conservation and Management、Applied Energy、Automation in Construction等国际期刊发表系列高水平论文。

OnePage

▌论文标题：

Designing sustainable built environments for Mars habitation: integrating innovations in architecture, systems, and human well-being

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.ynexs.2024.100030

学术 | 我院林波荣教授团队在Cell旗下期刊发表“火星居住可持续建筑环境设计”综述文章