冰的歷史

文| 馬 迪

冰的質量差之毫厘，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米內平整度誤差小于3毫米；而對于冰壺這種高精準的運動而言，基礎冰的厚度誤差更是要小于1毫米……

冰的質量差之毫厘，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，人工制冰技術可以追溯到唐朝末年。生產火藥的工匠們發現，硝石溶于水時會吸收大量的熱，可以使水迅速降溫甚至結冰，于是很快開始利用這種特性制作冰，并逐漸商業化。元代的商人甚至在冰中加上果漿和牛奶，這和現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。隨著人們對低溫條件的需求越來越強，現代制冷技術伴隨著18世紀中葉工業革命的科技發展一同涌現。

1748年，蘇格蘭教授威廉·庫倫在格拉斯哥大學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、蒸發會吸收周圍空氣中熱量的原理使水結成了冰。這種通過蒸發結晶法運轉的“小型制冷機”走出了機械制冰的第一步。雖然在當時沒有得到實際應用，但庫倫不斷改善，終于在1755年設計出了第一臺蒸發式制冰機。

50年后的1805年，美國發明家奧利弗·埃文斯在庫倫的基礎上提出了一種封閉的蒸氣壓縮制冷循環系統設想。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從設想變為現實，第一臺機械制冰機正式誕生。這就是現在家家戶戶都在使用的冰箱的雛形。

如今，干凈衛生的冰塊再也不用受到季節和水源的限制，有了冰箱，我們隨時都能制作大大小小的冰塊。制冷技術的應用幾乎滲透到人類生活、生產技術、醫療生物和科學研究等各個領域，并在改善人類生活質量方面發揮巨大的作用。

作為制冷劑，二氧化碳在制冷領域并非“新面孔”。事實上由于簡單易得、價格低廉，早在100多年前，歐洲剛出現蒸氣壓縮式制冷技術時，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的發展，二氧化碳逐漸被性能更強大的氟利昂所取代。

20世紀七八十年代，各國開始意識到臭氧層破壞和溫室效應兩大環境問題與人工合成制冷劑有關，根據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生破壞，其溫室效應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，有利于蹬冰發力、減少滑行阻力，創造更好的成績。

可以說，制冰機成了人工冰場建設的關鍵。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，配合灑水作業可以一次凍成幾毫米的精細冰面，經過很多次這樣的工序，厚度幾十毫米的冰面才能凍結成功。

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：短道速滑9個項目中，7個項目刷新了奧運紀錄，1個項目打破了世界紀錄。這背后一定也離不開“造冰”技術的功勞。被媒體稱為冬奧史上“最環保”的制冰系統，必將在未來擁有更廣闊的發展前景！