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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 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 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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第4章讨论的生物再生生命维持系统（BLSS）水培温室，在火星和月球上同样适用。困难之处是在一系列BLSS温室中种植一个大型社区所需的全部食物。由于月球离地球足够近，所以可将散装食品运到月球上，而来自BLSS的新鲜食物真的只是作为一种补充，就像在南极的冬天那样。另外我还预测，由于月球上的重力极低，使得在月球上养育后代的可能性大大降低，任何时候只有几千人在月球生活。没有那么多要吃饭的人，对大型月球农场可能不会有巨大需求。
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从一开始，火星任务的目标就是实现各种形式的自给自足。这要从种植满足火星定居者需求的全部食物开始，不管定居者数量多少。一种方法是利用人造光源建造大型地下温室。在地球，室内堆叠水培或垂直种植已经实现了惊人的效率。一层又一层的植物，由LED灯照明，电脑控制温度、湿度、营养输送，并使用最适合植物生长或结果的波长。没有杂草，没有虫害。这种效率可以在一个集装箱大小的空间里生产出一英亩土地才能产出的食物，大部分是绿叶蔬菜。蘑菇可以在木头、茎秆和其他不能食用的植物上生长，增加蛋白质，极大提高了将所有植物转化为可食用能量的效率。这是亚利桑那大学“火星蘑菇”项目（Mushrooms for Mars）的一个关键特征。
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这一切在地球上都非常有效。但有一个问题很少有人讨论：你从哪里得到灯泡？灯泡不能永远使用，最多只能用一年。在火星上制造LED灯是几十年以后的事情；在这之前，你需要频繁地从地球运送灯泡，就跟运送食物一样。除非火星在LED灯或其他照明设备方面能够自给自足，否则使用人工照明的温室进行食品生产是无法实现自给自足的。
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火星上有很多陆地，所以空间利用率不是问题。火星也有充足的阳光，大约是地球的一半。第一批基地和定居点的位置很可能选在赤道附近。那里的太阳每天大约照射12小时，强度约为600瓦/米2 。这相当于位于北纬75度的加拿大德文岛的夏季阳光。如果作物可以在德文岛的温室里生长……它们的确可以，那么它们就应该能在火星上生长。但种植的应该是冷季作物，如白菜、根茎类蔬菜和冬小麦。限制性因素不是温度，而是缺少阳光。像番茄和瓜类这样的夏季作物需要大量的阳光。你可以在阿拉斯加这样遥远的北方种植一棵番茄——勉强种植，在温室温度的帮助下提前开始种植——但这是因为夏季的日光可以持续18小时或更长时间。在火星赤道，你最多有12小时的日照，不管你能提供多少温暖，一天只有12小时的光照且光线太暗，番茄可能无法结果。
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没关系。在火星巨大的温室里，我们可以在自然光下种植各种各样的主食来生存，包括谷物、绿色植物和喂鸡的蛆。像番茄和西瓜这样的夏季作物只能依靠人工照明。不管有没有人造光源，这些温室肯定是火星基地或村庄最受欢迎的地方，是一片温暖的绿洲。我们也可以办养鱼场。地球上耕养共生的超高效养殖系统——水产养殖加水培技术——可以形成一个近乎完美的闭环：富含氮的鱼类废料通过细菌过滤成为植物的肥料。这里需要注意的是，会有几周的时间，由于沙尘暴的缘故太阳光不够明亮。这是一场远未结束的大辩论。火星上的沙尘暴是否很频繁且持续时间很长，足以摧毁庇护所里植物的生长？如果是这样的话，温室里的辅助人工照明能帮助我们度过这段黑暗期吗？2018年，一场特别强烈的沙尘暴席卷了整个火星，使火星的天空黑暗了两月之久。
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还有一个重要警告是，火星土壤是有毒的。它充满了高氯酸盐，即高氯酸根（ClO4- ）的盐和酸。植物不能在这种物质中生长，人类摄入这些物质也会生病，因为它会损害甲状腺调节激素的能力。但正如老话所言，当生活给予你ClO4- 时，就去制造氧气吧。由我们的朋友克里斯托弗·麦凯领导的一个小组提出了解决方案，利用高氯酸盐还原菌或其产生的酶，来进行转化。作为概念验证，该小组用酶和水把6千克的ClO4- 转化成了可供呼吸1小时的氧气。[38] 科学家们把这想象成火星上的应急空气供应，手头只要有一盒酶就行了。目前还不知道这种方法能否大规模应用，使大片大片的土地变得无毒。
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除去了高氯酸盐，农作物就有可能直接在火星的土壤中与肥料一起生长。宾夕法尼亚州费城附近维拉诺瓦大学的一个研究小组在模拟土壤中测试了多种作物。罗勒、甘蓝、蛇麻子、洋葱、大蒜、生菜、红薯和薄荷都长得很茂盛。首席研究员爱德华·吉南（Edward Guinan）开玩笑说，如果学生们记得按时浇水，这些作物可能会生长得更好。[39] 但这还不能称为伊甸园。地球上的农业有很多被我们认为是理所当然的东西，比如被称作土壤的复杂的生命网络。它是由矿物质、死去的有机物以及无数活着的微观和宏观生物混合在一起组成的。火星上没有地球上的这种土壤。因此，尽管植物可以生长，但这些植物的营养价值却是另一个未知数。即使在地球上，土壤矿物质的匮乏也会导致植物营养缺失，例如克山病。火星上的访客可以靠氮、磷、钾三种常见肥料种植的食物生存，但是必须确保定居者摄入了所有必需的维生素、矿物质和植物营养素——而该领域人们还没有完全了解。
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还有一个缺失的成分是脂肪。人们可以得到种子和坚果油，但是种这些东西需要大量的空间。向日葵也许就够了。据农民的粗略估计，1.5千克种子可以榨取1升油，相当于一个家庭一个月的供应量。在地球上，1公顷土地可以生产1800千克种子，也就是1200升油。这大约是100个家庭1年的供应量，所以无论困难有多大，在更大的温室里是可以达到这个目标的。油菜籽、芝麻和花生也是如此。树坚果的含油量较高，但在火星微弱的阳光下可能难以生长。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 那么土豆呢？
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考虑到阳光、土壤和与生长有关的其他问题，《火星救援》中的人物马克·沃特尼能种土豆吗？不能。不能在有毒的土壤里，也不能在那些灯光下。他在其他方面都做得很好：肥料（人类粪便）、水和少量二氧化碳。但是，他必须将土壤中的高氯酸盐除掉。还有那些灯是为基本照明设计的，无法提供足够的能量来生产块茎。充其量，只能长出一点绿叶。沃特尼也不可能像他的计划那样，仅靠土豆就活了4年。土豆含丰富的维生素C、钾、镁、碘和部分B族维生素，但是在没有生命的土壤以及粪便中生长的土豆，其营养状况还无法确定。但即使在地球上，土豆也缺乏一些基本的营养。不到一年沃特尼就会出现一系列症状：因缺乏维生素A患上夜盲症，因缺乏维生素D患上佝偻病，因缺乏维生素E导致神经损伤，因缺乏维生素K容易挫伤，因缺钙导致骨骼脆弱，因缺硒导致心脏衰竭和致命的克山病。而且土豆几乎不含脂肪，而脂肪是另一种重要的营养物质。
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