冰的歷史

文| 馬 迪

冰的質(zhì)量差之毫厘，運動員的成績就有可能謬以千里。那么如何才能造出“完美”的冰呢？

作為世界頂級賽事，冬奧會冰雪比賽對場地有非常嚴(yán)格的要求。比如雪橇這種時速達到135公里的運動，1975米長的賽道冰面厚度誤差不能超過5毫米；冰球場館冰面要做到“平、亮、滑”，任意3米內(nèi)平整度誤差小于3毫米；而對于冰壺這種高精準(zhǔn)的運動而言，基礎(chǔ)冰的厚度誤差更是要小于1毫米……

冰的質(zhì)量差之毫厘，運動員的成績就有可能謬以千里。那么如何才能造出“完美”的冰呢？

在掌握制冰技術(shù)以前，人類有將冬季自然界的天然冰雪保存到夏季使用的習(xí)慣，這在中國、埃及和希臘等文化古國的歷史上都有記載。由于人工“采冰”和“藏冰”頗費周折，冰在古時是一種奢侈品，所謂“長安冰雪，至夏日價等金璧”。周朝時就設(shè)立了專門的“冰政”司，并建有儲存冰的“冰井”。

在中國，人工制冰技術(shù)可以追溯到唐朝末年。生產(chǎn)火藥的工匠們發(fā)現(xiàn)，硝石溶于水時會吸收大量的熱，可以使水迅速降溫甚至結(jié)冰，于是很快開始利用這種特性制作冰，并逐漸商業(yè)化。元代的商人甚至在冰中加上果漿和牛奶，這和現(xiàn)代的冰淇淋已是十分相似了。

古代人對天然冰的收藏、利用和簡單的人工制冰，還算不上制冷技術(shù)。隨著人們對低溫條件的需求越來越強，現(xiàn)代制冷技術(shù)伴隨著18世紀(jì)中葉工業(yè)革命的科技發(fā)展一同涌現(xiàn)。

1748年，蘇格蘭教授威廉·庫倫在格拉斯哥大學(xué)的公開課上展示了一種人工制冷的新思路—利用乙醚在真空中沸騰、蒸發(fā)會吸收周圍空氣中熱量的原理使水結(jié)成了冰。這種通過蒸發(fā)結(jié)晶法運轉(zhuǎn)的“小型制冷機”走出了機械制冰的第一步。雖然在當(dāng)時沒有得到實際應(yīng)用，但庫倫不斷改善，終于在1755年設(shè)計出了第一臺蒸發(fā)式制冰機。

50年后的1805年，美國發(fā)明家奧利弗·埃文斯在庫倫的基礎(chǔ)上提出了一種封閉的蒸氣壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)想。又過了50多年，澳大利亞人詹姆斯·哈里森將蒸氣壓縮制冷循環(huán)從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實，第一臺機械制冰機正式誕生。這就是現(xiàn)在家家戶戶都在使用的冰箱的雛形。

如今，干凈衛(wèi)生的冰塊再也不用受到季節(jié)和水源的限制，有了冰箱，我們隨時都能制作大大小小的冰塊。制冷技術(shù)的應(yīng)用幾乎滲透到人類生活、生產(chǎn)技術(shù)、醫(yī)療生物和科學(xué)研究等各個領(lǐng)域，并在改善人類生活質(zhì)量方面發(fā)揮巨大的作用。

作為制冷劑，二氧化碳在制冷領(lǐng)域并非“新面孔”。事實上由于簡單易得、價格低廉，早在100多年前，歐洲剛出現(xiàn)蒸氣壓縮式制冷技術(shù)時，二氧化碳就被作為制冷劑使用。但隨著人工合成制冷劑技術(shù)的發(fā)展，二氧化碳逐漸被性能更強大的氟利昂所取代。

20世紀(jì)七八十年代，各國開始意識到臭氧層破壞和溫室效應(yīng)兩大環(huán)境問題與人工合成制冷劑有關(guān)，根據(jù)1987年國際社會簽訂的《蒙特利爾議定書》，紛紛開始停止其使用，這才使二氧化碳制冷劑又重回人們視野。

作為大氣的組成成分之一，二氧化碳不會對臭氧層產(chǎn)生破壞，其溫室效應(yīng)遠低于其他人工合成制冷劑。2022年北京冬奧會也成為歷史上首次大規(guī)模使用二氧化碳制冷劑的奧運會。

以首都體育館為例，由于承辦花樣滑冰和短道速滑兩項賽事，首體冰場需要進行30次冰面轉(zhuǎn)換，有時中間只有3個小時的時間。這是因為兩種比賽項目對冰有著不同的需求：花樣滑冰要求冰面為-3.5C，冰面較軟，運動員在空中旋轉(zhuǎn)三周或四周后，落冰的沖擊力不至于太大；而短道速滑一般要求冰面溫度-6.7C到-7C，冰面相對硬一些，有利于蹬冰發(fā)力、減少滑行阻力，創(chuàng)造更好的成績。

可以說，制冰機成了人工冰場建設(shè)的關(guān)鍵。制冰過程中，多臺二氧化碳壓縮機同時運作，冰板層里制冷管道內(nèi)低溫二氧化碳與冰板混凝土進行換熱，冰板混凝土溫度逐步降到零下十幾攝氏度，配合灑水作業(yè)可以一次凍成幾毫米的精細冰面，經(jīng)過很多次這樣的工序，厚度幾十毫米的冰面才能凍結(jié)成功。

對于這樣出色的“場地硬件”，眾多運動員以實際成績做出了答復(fù)：短道速滑9個項目中，7個項目刷新了奧運紀(jì)錄，1個項目打破了世界紀(jì)錄。這背后一定也離不開“造冰”技術(shù)的功勞。被媒體稱為冬奧史上“最環(huán)?！钡闹票到y(tǒng)，必將在未來擁有更廣闊的發(fā)展前景！