不只是“最快的冰”！冬奥冰里还藏着哪些秘密？
“带动三亿人参与冰雪运动”的北京冬奥会正进行得如火如荼。2月5日，由武大靖、任子威、范可新、曲春雨组成的中国短道速滑团队夺得北京冬奥会短道速滑混合团体2000米接力赛冠军，拿下中国队本届冬奥会的首金。
2月6日，中国队选手范可新、任子威、曲春雨、武大靖、张雨婷（从左至右）在奖牌颁发仪式上。新华社记者 鞠焕宗 摄
首金的产生被誉为“最快的冰遇见最亮的星”。
快而滑的冰面一直是冬奥会比赛最重要的运动舞台之一。除了短道速滑，还有不少冬奥比赛项目都需要在冰面上展开激烈竞技，如速度滑冰、花样滑冰、冰壶、冰球等。
这一片“冰天雪地”与大自然的冰雪十分不同。它不仅是影响比赛成绩的关键因素，也关系到运动员的竞技安全。制作冬奥会比赛用冰，过程复杂、标准严苛，而且这片冰下，还“隐藏”着许多的科技成果。
不同赛事要用不同的冰
自然界中，水在低于0℃的环境下就会结冰。然而，“冬奥冰”的制成却并非如此简单。它不仅要做到形成时间快、表面光滑，还需满足不同比赛项目对冰面温度、厚度等的不同需求。
那么，冬奥会不同冰上项目所需的冰有何不同？
中国队本届冬奥会首金项目短道速滑需要“最快的冰”，这就要求冰面厚度为3厘米到5厘米、冰面温度为-7℃至-6℃。
短道速滑被称为“短道”，其冰道每圈为111.12米。与其相比，被称为“大道”的速度滑冰，冰道周长要长得多，为400米。所以，“大道”要求冰面厚度在2.5厘米到3厘米，理想冰面温度为-9℃至-5℃。
被誉为“冰上舞蹈”的花样滑冰对冰面厚度要求为6厘米到7厘米、冰面温度要求为-4℃至-3℃。为了美观，运动员还会穿着比较轻便、闪亮的服装，所以室温还要营造出温暖如春的感觉。
除了滑冰，冬奥会赛场上还有冰球、冰壶等冰上项目，它们对“冬奥冰”也提出了不同的要求。
浇冰车进行底冰浇筑作业。新华社 发
冰球与冰壶比赛要求冰面温度在-6℃，而且要求冰面极为平整。在冰壶比赛中，冰面1毫米的平坦度偏差，都会对冰壶的走向产生很大影响，进而影响选手的发挥。在国家体育馆冰球项目比赛场地上，1800平方米的冰面要求为一个水平面，误差不得超过0.5毫米，此次冬奥会的中国制冰团队，更是力争将误差控制在0.1毫米—0.2毫米。
冬奥不同比赛用冰要求不同温度、厚度，归根结底是因为各项比赛需要不同硬度的冰。冰面温度、厚度将影响冰面的硬度，从而影响运动员的发挥。
以花样滑冰为例，如果冰面温度太低，运动员起跳、下落时，冰面就容易崩裂；如果温度高了，冰面就会变软，运动员就会感觉冰刀“拔不出来”，影响起跳。速度型的短道速滑等项目，对于冰温要求更低，这样冰面会更硬，能给运动员提供更好的力度支撑，也便于提速。
打造“冬奥冰”有这些门道
为了满足冬奥会各个比赛项目的用冰需求，中国的制冰团队铆足劲儿，早早开始了准备。
通常来说，制冰过程由制作基础冰、喷白漆、粘贴标识并画线、制作表面冰等步骤构成。在开始制冰前，还要进行深度的地板清洁，在地板预冷12小时—18小时之后，即可开始制作基础冰。
制作基础冰可视为“打地基”环节，其中保证基础冰的平整极其重要。如果没有让基础冰和混凝土地面完全贴合，运动员踩上去后可能会导致冰开裂。因而，基础冰需要制冰师用喷棒均匀地把水洒在赛场的每一个点上，制成约2厘米厚的冰层。
铺完基础冰后的赛场，还不是观众所熟悉的“奶白色”冰场。这是因为制冰师还未完成喷白漆的工作。通过向基础冰层喷白漆，原本透出混凝土地面颜色的冰就会变成更好看的奶白色。
等白漆固定后，制冰师粘贴标识并按照比例将称好的油漆与软水进行混合，开始画线工作，画线的位置和宽度都需要符合国际冰联标准要求。
完成粘贴标识和画线后，便可开始制作厚度约为3厘米的表面冰。最后用扫冰车打磨、找平，制冰工作才算真正完成。与此同时，还要满足任意3平方米内的冰面最大高度差不能超过2毫米的平整度要求。
如果是制作冰壶赛道，还需制冰师进行“打点”工作，即在冰面上喷洒纯净水，形成均匀的冰粒，并用扫冰机将赛道刮出需要的高度和形状。
在制冰环节中，保证精准度是一大难点。例如，制冰师需要在制冰管上浇水，使水冻成冰，形成一整块冰面。在这个过程中，如果制冰师浇水时步伐速度不一致，就容易造成冰面冻结后厚度不一致。因此，制冰师在制作冰面时，既有时限要求，又需精准控制。
这意味着制冰是个“体力活”。“脏活累活比较多，工具很重，冰场很冷。有时候，要在-6℃的冰面上连续工作16到18个小时。”北京冬奥会冰壶场地制冰师张芷源说。
科技加持保障比赛用冰
除了“体力活”，制冰工作还有不少科技成果加持的“技术活”。
北京冬奥会首次采用了清洁低碳的二氧化碳跨临界直冷制冰技术。这是目前世界上最环保的制冰技术，碳排放趋近于零，有助于打造出最快、最环保的冰面。相较于传统的制冰技术，它不仅将能效提升了20%以上，冰面温差可控制在0.5℃以内，制成的冰也更加均匀，不会出现各个部位温度不一样、冰面硬度不均匀的情况。
北京大学教授、国际天然工质研究领域知名专家张信荣认为，二氧化碳跨临界直冷制冰技术具有安全性高、能耗和运行成本低、环境友好等优点，且全部热量可回收利用，是冰上场馆能源系统中最有前景的工质之一，可使场馆能源系统冷热一体化高效运行，在全球范围内都具有广阔的应用前景。
国际单项体育组织专家曾建议采用国际惯用的环保制冰技术，但中国团队经过1年半的摸索，决定选择二氧化碳跨临界直冷制冰技术。
二氧化碳跨临界直冷制冰，就是将气态二氧化碳通过加温加压形成超临界二氧化碳流体，再对超临界二氧化碳流体进行降温降压达到-20℃至-15℃，最后相变蒸发吸热完成制冷和制冰的过程。
国家速滑馆“冰丝带”是全球首个采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的冬奥会赛场。在“冰丝带”里，1.2万平方米晶莹剔透的冰面为世界观众展现了精彩绝伦的竞技场景。
资料图：国家速滑馆冰面。新华社记者 张晨霖 摄
此外，监测系统也是冰上项目的得力“助手”。昔日的“水立方”、如今的“冰立方”场馆的工作人员，就特意为冰壶赛场建立了一套“健康监测”系统，包含加速传感器、应变传感器、环境温度传感器等，不仅能监测结构的变形、震动，还能监测环境温度和整体结构倾角，对结构的安全性和比赛舒适度进行实时评估。
智能建筑管理系统也为冬奥赛场贡献了科技力量。
冰立方场馆运营部责任工程师、国际制冰师助理张金泉表示，冰壶比赛对赛场环境要求严苛，现场的温度必须按照冰面温度、冰面以上1.5米高度温度、看台温度3层控制，每层的温度控制都要达到高精度。“冰立方”升级了智能建筑管理系统，增加了除湿功能，以确保赛场的冰面质量。
延伸阅读
“冬奥冰”的进化史
1924年，第一届冬奥会在法国小镇夏蒙尼举办。
位于勃朗峰脚下的夏蒙尼平均海拔1050米，是全欧洲有名的滑雪胜地，也是当时法国唯一一个可以坐火车直接抵达的滑雪小镇。
为了迎接冬奥盛事，东道主夏蒙尼新建了一个冰场，供滑冰和冰球比赛使用，其他项目在原有的自然场地进行。
然而，天公不作美。冬奥会举办前一个月，一场“当地居民有生以来从未见过的大雪”让滑冰场积雪厚达一米多。组委会不得不组织人马来清理冰面上的积雪。在工作即将完成时，气温又突然回升，连续多天的降雨把冰场浇成了湖面。幸好，最终冷空气抵达，挽救了整个大会。
从此，如何用“智慧”保障赛场这片“冰天雪地”成为冬奥会主办城市思虑的首要问题。
1960年，第八届冬奥会在美国斯阔谷召开。这届冬奥会首次使用人工造冰技术来保障冬奥会用冰，由一个冷冻厂为滑冰馆提供比赛用冰并进行冰面维护，人们开始摆脱对自然冰的依赖。
时间转瞬来到1988年。举办第十五届冬奥会的加拿大城市卡尔加里，热闹非凡。这届冬奥会堪称科技造冰的典范——建造了世界上首个有400米速滑跑道的全封闭滑冰场，将所有滑冰比赛安排在室内进行。
这个全封闭滑冰场位于卡尔加里大学校园内。它是一座有着银白色屋顶的圆形建筑，可进行自然采光。在一个采访视频中，这座滑冰场的管理者，也是冰面建造师之一的资深制冰师马克·麦瑟说，制冰师采用多台机器观测温度、湿度等环境因素对冰的影响，从而打造出那时“最快的冰”。
许多世界纪录留在了这座滑冰场的冰面上。从此，“最快的冰”成为冬奥会制冰的追求目标。
2002年，美国盐湖城冬奥会的滑冰场令不少参赛运动员赞不绝口。由于得天独厚的条件，这座高原冰场帮助运动员创下诸多佳绩，有9项速度滑冰冬奥纪录被打破。2019年，国际滑联世界杯速滑总决赛期间，运动员也在这里刷新了6项世界纪录。
2022年北京冬奥会也瞄准了“最快的冰”。在申办冬奥会成功后，中国就开始了制冰“黑科技”的准备过程，不仅邀请马克·麦瑟加盟打造“最快的冰”，更是采用了二氧化碳制冰技术，开创了“最环保的冰”。
转载自：“科技日报”微信公众号
