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第一批宇航员的火星庇护所将预先在地球上建好，在人类登陆火星之前或者作为登陆飞船的一部分送往火星。如果有足够多的栖息地在火星上着陆，很快就会形成一个与南极科考站相媲美的村落。辅助庇护所可以是轻便的、可充气的结构，上面覆盖着火星土壤，用作辐射防护，就像月球上的设计一样。NASA有一种叫作“冰屋”（Ice Home）的火星庇护所原型。这是一种巨大的圆顶形充气结构，足够容纳4名宇航员，还有图书馆和种植室等奢侈设施。“冰”是指庇护所墙内和顶部有几米厚的冰和水，既保温又防辐射。
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在人类登陆火星初期，宇航员在火星上将只待一年左右，所以与火星永久定居者相比，长期辐射防护对他们来说并没有那么重要。如果长期居住则需要大部分时间住在地下或熔岩洞内。由于辐射的缘故，火星表面是不毛之地。除非在材料科学上取得突破，否则就没有切实可行的办法为整个社区提供辐射防护。只有将城镇建在地下，或者覆盖上大量的东西。原因在于保护程度与质量息息相关。做牙科X光检查时你要戴上铅围裙，因为铅的密度大，用薄薄的一层围裙就可以起到保护的作用。你穿上同等质量的羽毛也可以很安全，但这样的围裙可能会厚得可笑，但不可否认，这会让看牙医变得更有趣。在地球，我们头顶的大气层阻挡了大部分有害辐射，因为它的质量（或压力）约为15磅力/英寸2 。对于太阳和宇宙粒子来说，它们要穿过很多很多的原子。在火星上，稀薄的大气层的质量（或压力）约为0.087磅力/英寸2 。在任何时候，我们上面都需要有一个更大的质量，才能获得类似于地球的辐射防护。这种质量可以以铅、羽毛、泥土或水的形式出现，任何一种都可以起作用。
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艺术家描绘的火星冰屋概念
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在火星待上一年的甜蜜的家。火星上的第一批居民是一群吃苦耐劳的人。从月球到火星，再到冥王星以及无垠宇宙，所有庇护所基本上都是一样的，需要提供温暖、氧气和气压。
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对于大规模长期居住来说，最实用的材料是泥土或土壤。铅不实际，因为需要勘探、开采，然后冶炼矿石，而且我们现在已经了解到铅是一种神经毒素。羽毛……是不会到那儿去的。水是非常有用的，这也正是NASA考虑建造冰屋的原因。土壤保护层太厚，需要更薄的物质进行辐射防护。但是火星上的水可能太珍贵，不能用于大规模长期栖息地的防护，至少一开始是这样。剩下的就是到处都是的土壤了。要达到地球大气层的保护程度，一个庇护所上至少需要覆盖5米厚的土壤。[32]
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当然，挖掘两层楼高的泥土并不是小事，即使是在地球上。第一批到达火星的人需要一台挖掘机来完成这项工作。小型机器人挖掘机可以在几年时间里完成这项工作，这一点并不难理解。其中一项严峻挑战是要与火星地下的水冰做斗争。任何钻头或挖掘机都会有摩擦，从而产生热量，使冰融化。然而，在低压的火星上，融化的冰会立即蒸发，而不是变成水。如果当地的大气温度低于0℃，那么水蒸气就会在工具周围凝固并冻结。而那里没有人，无法让这些工具重获自由。
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庇护所一旦挖好，就需要加压（并且要一直保持下去！），这样一来，挖好的庇护所内部所使用的材料应该是耐用的、可充气的东西。这些材料要从地球送到火星定居者那里，直到他们有了制造塑料和开采金属的基础设施。庇护所也可以用土壤制成的砖来建造，但它们需要以某种独特的方式上釉，以免漏气和失压。鉴于这些困难，火星上的第一个村庄可能会集中在有洞穴或熔岩洞的地方。在那里，洞已经为我们挖好了。定居者只需要在这些洞里建立他们的加压栖息地即可。和月球一样，火星上的熔岩洞也很常见，且有些熔岩洞很大，足以容纳整座城市。
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你可能会问自己，为什么要大老远跑到火星上，只是为了被迫住在地下？你在插画中看到的以及科幻小说里描写的那些地表住所只适合临时居住。在火星生活一辈子意味着你只能生活在地下，除非创造出合适的大气层，或者物理学和工程学取得突破性进展，能让你生活在透明但有保护的玻璃下。但是你可以聪明一点，把定居点建在一个有阴影的山坡上——例如，北半球的北面。山将会阻挡几乎所有的太阳粒子，并进一步显著减少宇宙射线。在这种情况下，建筑的北侧可能有厚厚的强化玻璃做成的条带，供人们观赏火星上的壮丽景色，这样那些因封闭带来的忧郁也就被赶走了。可以在窗边放松，只是不要把你的床放在那里。我说“厚玻璃条”是因为任何很大很薄的东西都会被内外压差挤破。栖息地里面的气压大概是500毫巴，而外部世界大约是5毫巴。因此，火星建筑设计中另一个常见术语——大块玻璃，用已知材料根本就行不通。
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山坡上的住所不难想象，因为它们在地球上也很常见。类似的庇护所应该有保护良好的建筑物——地下或地上，只有几扇窗户——全部通过隧道和管道连接，就像美国明尼苏达州明尼阿波利斯市的一样。其庞大的空中交通网络和通道连接着市中心的大部分地区。大型室内购物中心也很有启发性：数百家零售商店可以被看作数百个生活区。地下建筑可以分为住宅、商业、工业和教育区域，或者任何建筑都可以是一个独立的社区。就和地球上一样，我们很可能会看到按照激进的城市规划而设计建造的火星村庄。这些村庄将在未来许多年里运转良好。但在火星实际居住以后，会因为一些不可预见的危险和工作效率的提高，这些火星村庄会自然而然地演化成新的形式。
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随着火星技术的进步，也就是说，当地球上的技术可以在火星上复制时，就有可能出现新的建筑。前面提到，水是比土壤更好的辐射防护，而且是半透明的。建造水屋顶是可行的。1立方米的水提供的保护相当于5立方米的土壤。即使50厘米厚的水屋顶也能阻挡大部分有害辐射。因此，一个双层充满水的有机玻璃屋顶可能非常具有吸引力。水的重量也将有助于控制内部的压力。火星拥有制造有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）的材料，化学原理也很简单，不过考虑到紫外线辐射会耗损这种热塑性塑料，屋顶维护就显得相当重要。
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任何庇护所都需要有严格的空气交换系统。在火星上，你不能打开窗户。我在潜艇一节中提到，人类吸入氧气，呼出二氧化碳，而植物则相反。但其实所有物体都在以某种方式散发着气体。如果没有适当的空气交换，庇护所内的二氧化碳、一氧化碳和其他气体很快会达到有毒水平。在潜艇和ISS上，我们已经验证了调节气流的技术，当然新鲜空气也可以进口。但是在火星上，糟糕的空气让人无处可逃。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036998]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 呼吸氮气和氩气
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关于空气的话题，请你思考一下这个很少提及的事实：我们吸入了大量的氮气。地球海平面高度的空气中大约有78%是氮气，20%是氧气，还有2%是像氩气和二氧化碳这样的微量气体。然而，只有氧气才能被我们的血液吸收。氮气被我们的肺吸进去又呼出来。两个氮原子结合得非常紧密，几乎不会与任何物质发生反应。氮气约占地球空气的78%，这一事实意味着它们约占气压的75%……或多或少吧。氮的相对原子质量是7，氧的相对原子质量是8，稍微重一点。这里的关键是，空气不是空的。[33] 它以氮气为主，惰性的氮气对气压非常重要。
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根据NASA“海盗号”任务获得的数据，火星大气层虽然很薄，但却含有95.3%的二氧化碳、2.7%的氮气、1.6%的氩气，以及少量的氧气、水蒸气、一氧化碳和其他气体。[34] 那么，在加压的火星栖息地，我们所呼吸的空气是由什么构成的呢？我们动物所需要的只有氧气。但是100%的氧气环境具有高度腐蚀性且易燃。只要一点火星，整个栖息地就会爆炸。理想情况下，我们希望栖息地的空气与地球的空气相似。问题是火星上的氮气供应不足。只能做一部分工作，也就是利用能源，从火星大气层中提取氮气。大星球，小栖息地，所以应该足够用……最初够用。
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行星科学家克里斯托弗·麦凯建议，将50%的氮气、30%的氩气和20%的氧气混合。[35] 麦凯的推理是，该氮气—氩气比例与火星大气的自然比例非常接近，其中2.7%是氮气，1.6%是氩气。所以，我们可以用一台机器吸入火星空气并去除其中的二氧化碳。这样就剩下58%的氮气，34%的氩气，3%的氧气和2%的一氧化碳。我们舒适地呼吸需要大约20%的氧气，所以增加氧气并去除有毒的一氧化碳后，得到的比例是50∶30∶20，我称之为麦凯鸡尾酒（McKay Cocktail）。麦凯进一步计算了处理1700立方米火星空气以获得1千克氮气和氩气的混合气体，所需能量为9.4千瓦时。[36] 这大致相当于在烘干机中烘干两三次衣物的能量，在阳光明媚的日子用几块太阳能电池板就可以得到。人类可以生活在500毫巴压力环境中，相当于地球海平面气压的一半，从而减少了气体的消耗。[37]
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然而，如果定居点的人口从几百增加到几百万，那么氮气和氩气将成为珍贵的商品。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036999]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 送来农民
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氮气不仅仅用来制造气压，我们还需要它来种植食物。因此，当NASA的“好奇号”探测器在2015年探测到火星上存在一氧化氮（NO）时，就像是找到了闪闪发光的金子。一氧化氮可能来自受热的硝酸盐（NO3 ）。硝酸盐是一种生物学上可获得的氮，不同于氮气（N2 ）。硝酸盐可以转化为肥料，这是农业生产的必需品。简而言之，“好奇号”的发现，意味着在火星上耕种变得稍微容易了一些，而这原本是一项极其困难的任务。现在的问题是，在哪里种植食物呢？
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