冰的历史

文| 马 迪

冰的质量差之毫厘，运动员的成绩就有可能谬以千里。那么如何才能造出“完美”的冰呢？

作为世界顶级赛事，冬奥会冰雪比赛对场地有非常严格的要求。比如雪橇这种时速达到135公里的运动，1975米长的赛道冰面厚度误差不能超过5毫米；冰球场馆冰面要做到“平、亮、滑”，任意3米内平整度误差小于3毫米；而对于冰壶这种高精准的运动而言，基础冰的厚度误差更是要小于1毫米……

冰的质量差之毫厘，运动员的成绩就有可能谬以千里。那么如何才能造出“完美”的冰呢？

在掌握制冰技术以前，人类有将冬季自然界的天然冰雪保存到夏季使用的习惯，这在中国、埃及和希腊等文化古国的历史上都有记载。由于人工“采冰”和“藏冰”颇费周折，冰在古时是一种奢侈品，所谓“长安冰雪，至夏日价等金璧”。周朝时就设立了专门的“冰政”司，并建有储存冰的“冰井”。

在中国，人工制冰技术可以追溯到唐朝末年。生产火药的工匠们发现，硝石溶于水时会吸收大量的热，可以使水迅速降温甚至结冰，于是很快开始利用这种特性制作冰，并逐渐商业化。元代的商人甚至在冰中加上果浆和牛奶，这和现代的冰淇淋已是十分相似了。

古代人对天然冰的收藏、利用和简单的人工制冰，还算不上制冷技术。随着人们对低温条件的需求越来越强，现代制冷技术伴随着18世纪中叶工业革命的科技发展一同涌现。

1748年，苏格兰教授威廉·库伦在格拉斯哥大学的公开课上展示了一种人工制冷的新思路—利用乙醚在真空中沸腾、蒸发会吸收周围空气中热量的原理使水结成了冰。这种通过蒸发结晶法运转的“小型制冷机”走出了机械制冰的第一步。虽然在当时没有得到实际应用，但库伦不断改善，终于在1755年设计出了第一台蒸发式制冰机。

50年后的1805年，美国发明家奥利弗·埃文斯在库伦的基础上提出了一种封闭的蒸气压缩制冷循环系统设想。又过了50多年，澳大利亚人詹姆斯·哈里森将蒸气压缩制冷循环从设想变为现实，第一台机械制冰机正式诞生。这就是现在家家户户都在使用的冰箱的雏形。

如今，干净卫生的冰块再也不用受到季节和水源的限制，有了冰箱，我们随时都能制作大大小小的冰块。制冷技术的应用几乎渗透到人类生活、生产技术、医疗生物和科学研究等各个领域，并在改善人类生活质量方面发挥巨大的作用。

作为制冷剂，二氧化碳在制冷领域并非“新面孔”。事实上由于简单易得、价格低廉，早在100多年前，欧洲刚出现蒸气压缩式制冷技术时，二氧化碳就被作为制冷剂使用。但随着人工合成制冷剂技术的发展，二氧化碳逐渐被性能更强大的氟利昂所取代。

20世纪七八十年代，各国开始意识到臭氧层破坏和温室效应两大环境问题与人工合成制冷剂有关，根据1987年国际社会签订的《蒙特利尔议定书》，纷纷开始停止其使用，这才使二氧化碳制冷剂又重回人们视野。

作为大气的组成成分之一，二氧化碳不会对臭氧层产生破坏，其温室效应远低于其他人工合成制冷剂。2022年北京冬奥会也成为历史上首次大规模使用二氧化碳制冷剂的奥运会。

以首都体育馆为例，由于承办花样滑冰和短道速滑两项赛事，首体冰场需要进行30次冰面转换，有时中间只有3个小时的时间。这是因为两种比赛项目对冰有着不同的需求：花样滑冰要求冰面为-3.5C，冰面较软，运动员在空中旋转三周或四周后，落冰的冲击力不至于太大；而短道速滑一般要求冰面温度-6.7C到-7C，冰面相对硬一些，有利于蹬冰发力、减少滑行阻力，创造更好的成绩。

可以说，制冰机成了人工冰场建设的关键。制冰过程中，多台二氧化碳压缩机同时运作，冰板层里制冷管道内低温二氧化碳与冰板混凝土进行换热，冰板混凝土温度逐步降到零下十几摄氏度，配合洒水作业可以一次冻成几毫米的精细冰面，经过很多次这样的工序，厚度几十毫米的冰面才能冻结成功。

对于这样出色的“场地硬件”，众多运动员以实际成绩做出了答复：短道速滑9个项目中，7个项目刷新了奥运纪录，1个项目打破了世界纪录。这背后一定也离不开“造冰”技术的功劳。被媒体称为冬奥史上“最环保”的制冰系统，必将在未来拥有更广阔的发展前景！