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北大教授助力!打造“冬奥历史上最快的一块冰”!

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  中,1.2万平方米晶莹剔透的冰面,将为世界观众展现冰上运动的顶尖较量。这块玲珑剔透的“运动舞台”制冰所使用跨临界 二氧化碳 技术,碳排放几乎为零,堪称美感和科技感的结合。

  2月5日下午,北京冬奥会速度滑冰女子3000米决赛在国家速滑馆“冰丝带”进行,荷兰名将伊雷妮·斯豪滕发挥出色,以3分56秒93的成绩夺得冠军,同时打破了尘封20年的奥运会纪录。这是北京冬奥会首枚速度滑冰金牌。

  经过研究与设计团队的努力,国家速滑馆“冰丝带”的冰面温差最终得以控制在0.5℃,低于奥组委提出的1.5℃标准。温差越小,冰面的平整度和硬度越均匀,滑行速度就能越快,这有利于运动员创造出好成绩。

  张信荣教授成长于医生家庭,父母都是医生,父亲是医院急救部主任,常年凌晨一两点上班抢救病人,清晨才回到家中,因为工作性质特殊,120急救电话甚至直接转到了家里的座机。张信荣老师从小目睹了父亲作为医生救死扶伤,心里十分崇敬,于是默默立志——长大后也一定要解决些实际问题,为社会做出贡献、创造价值。

  2016年,一个越洋电话,让正在海外开会的张信荣教授即刻动身返回北京。电话的另一端,是北京冬奥组委执行副主席张建东,他邀请张教授介绍自己在天然工质二氧化碳制冰方面的研究成果。

  时间退回到2015年7月31日,国际奥委会主席宣布北京获得2022年冬奥会举办权,举国上下为之沸腾。而在当时,中国在制冰造雪方面经验与发达国家相比尚存差距。如何确保冬奥会场地既有优质冰雪供比赛使用,还要满足节能环保要求,一时间成为技术难题。

  就此,中国奥组委向国际滑雪联合会的秘书长咨询,得知北大张信荣教授研究的制冰方法是最为环保节能的,因此邀请他帮助解决冬奥制冰问题。张教授与秘书长并不熟识,对于这份邀请,他坦言“当时也是一头雾水”。原来,这背后是一个国际学术交流的故事:一位著名挪威学者曾在学术合作中被张教授应用二氧化碳的科学研究所吸引,而他又恰好和国际滑雪联合会秘书长是好友,时常提起张教授的成果,给秘书长留下了深刻的印象。对温室气体的共同关注,让分处大洋彼岸的二人产生了联结。

  2016 年9月9日,中国奥组委各部门官员云集首钢奥组委办公区,一场关于北京冬奥会冰场制冰问题的会议如火如荼地展开。会上,张教授亮明了自己的观点:“我们的冰场再也不能用氟利昂去制冰了”。传统制冷剂氟利昂环境破坏严重,安全性差;同时氨具有一定爆炸和毒性危险;因此他主张将更为环保的二氧化碳制冰技术应用于北京冬奥。这一新颖的提议赢得了支持,天然工质 二氧化碳 制冰的论证工作正式启动。

  论证工作并非一帆风顺。几年时间里,奥组委的同仁们也走遍江南塞北,寻访大洋彼岸,张教授也出席了几次关键的论证会,最终才通过了这份方案。借助天然工质二氧化碳制冰技术,中国在人类冬奥会历史上率先实现了替代氟利昂制冰,用绿色冬奥的底色展现大国责任担当。

  在造雪方面,以往的制冷工艺一般是制取成冰屑或冰浆的形式,硬度、密度调节范围小,而此次冬奥会的零度以上人造雪与天然雪很接近,并可根据不同的比赛需求调节雪的湿度,最多能调节出9种性状不同的雪花。他们还发明了鱼骨式造雪法,在延庆高山滑雪中心21公里的赛道上可设置多个造雪点,能随时补雪。张信荣教授的团队提出的零度以上的人工造雪和储雪一体化技术,成功实现在0~15℃甚至20~25℃的人工造雪,形成北京冬奥会零上人工造雪的解决方案之一。这将有效解决某些高温地区不宜修建冰场、雪场的难题,助力后冬奥时代冰雪运动的可持续发展。

  二氧化碳算得上是张信荣教授的“老朋友”了。一种让大众谈之色变的温室气体,在他眼中却是大有妙用的资源:“我们这么多年做研究都没有把二氧化碳看成废品”。

  张信荣教授主要研究冷、热、电这三大应用背景下的热力学问题,并且擅长从日常生活中寻找灵感。他小时候就爱思考,过冬时萝卜和大白菜怎么储藏最好?为什么同在室外的金属和塑料,手碰到金属会更冷?他在日本时也观察到,现在的科技日新月异,人们的取暖方式却依然较为落后——燃料燃烧上千度,仅仅是为了满足室内二十来度的供暖,这显然不合理,存在严重的浪费和污染问题。因此他结合自己的专业,开始探索热力学应用新思路:一向“让人头疼”的温室气体二氧化碳,能否作为资源被加以利用呢?

  2003年,还在日本工作的张教授,最早提出了二氧化碳跨临界发电的热力学循环,并开始从事二氧化碳制冷与热泵的研究和开发。2007年,他回到祖国,在国家自然科学基金等项目的支持下,从事超临界二氧化碳基础理论研究多年。2013年,他参与研究和开发的跨临界二氧化碳大型冷热一体化机组技术在非金属材料加工业应用取得重大突破,没想到这项技术与之后的冬奥会制冰技术也有着异曲同工之妙。

  传统的制冰技术使用氨或氟利昂。前者安全性难以控制,后者则是臭氧层空洞和地球温暖化的元凶,两种物质都无法与天然的二氧化碳比肩。加上在当时,传统制冷剂设备配件全部来自于美国等西方国家,我国自主产品仍是空白。采用 二氧化碳 制冰技术,成为北京冬奥会的最优解。张信荣教授介绍道, 二氧化碳 循环原理是一个物理过程,通过液态二氧化碳吸热制冰,再将吸收热量的二氧化碳放到高温高压下冷凝释放能量。释放出的能量也不会被浪费,而是用于冰面下地基防冻、冰面平整和场馆供暖,梯级利用,可谓一举多得。

  在被称为“冰丝带”的国家速滑馆中,1.2万平方米的冰面就是二氧化碳制冰技术的杰作。如果应用传统制冰技术,冰面不同区域的温差很大,会导致冰面软硬不均,影响参赛选手成绩。而二氧化碳制冰技术能将“冰丝带”的冰面温差控制在0.5摄氏度之内,硬度均匀,一任运动员们驰骋其上。去年10月份结束的国际测试赛上,6名运动员中有5位在这块冰面上创造了个人最好成绩,这让即将到来的冬奥会更受期待。张教授笑言,他们“打造了人类冬奥历史上最快的一块冰”。

  为确保新技术顺利落地,2019年3月,张教授还根据实际工作中发现的问题,向北京冬奥会奥组委提出,冬奥场馆设施建设要将研究与设计紧密结合起来。他发现,如果研究人员与设计人员各起炉灶,有了新技术时,研究人员无法在设计中发挥作用:“设计者是按照标准来设计,但是当新的问题出现的时候,那就得研究的人参与了。”北京冬奥组委主席十分重视这份建议,还对此专门作出过批示。

  北京承办2022年冬奥会,成为历史上首个同时举办夏季和冬季奥运会的城市。“双奥之城”的桂冠背后,是一场科学家与技术挑战的博弈。

  相较于其他只举办冬奥会的城市,北京冬季温度高,降雪偏少,造雪技术的运用对赛会成功举办至关重要。特别是到了冬残奥会举办的三月份,北京的平均气温可以达到八摄氏度,而目前国内外造雪机普遍工作温度是零度以下,造雪极限温度不能超过两度。这为北京冬奥会出了一个难题。

  张信荣教授提出以二氧化碳技术作为解决思路。目前国际上虽然已经有零上人工造雪技术的应用,但往往是先制冰,再将冰碾碎,索契和平昌举办冬奥会时采用的便是这种方法。这种“雪”硬度很大,会让高山滑雪运动员的膝盖承受较大压力,影响成绩。张教授首先主张将二氧化碳技术运用在人工造雪领域,直接造出与天然雪最接近的人工雪:“我们是全世界第一个提出用这个大胆设想的,在国际上没有的设计”。

  在有关机构的支持下,张教授的团队在延庆小海陀山冬奥赛场做了示范,取得圆满成功。二氧化碳零上人工造雪技术,成为北京冬奥会方案之一,使在春风暖阳中跃然雪上不再是梦。

  冰清玉洁,白雪皑皑,二氧化碳制冷循环技术在冬奥会中的应用,打造出一个冰雪运动的童话世界。走出冬奥赛场,这一技术的应用场景也丰富多彩,将在未来走进各行各业、千家万户。

  传统的化石能源都是能量的单向使用,彼此之间缺乏联动,会造成能量利用效率低下。张教授说,这就好比“夏天的房间需要制冷,其实是把这个房间的能量扔到外面去了”,却没有供给需要热量的地方。而使用二氧化碳高效冷热供应技术,被“扔掉”的热量就能得到再利用。比如,学校超算平台散热所用的冷凝水吸收热能后,可以作为洗澡用水提供给师生,既实用又节能。这种构思伴随对二氧化碳高效冷热供应技术研究的深入,正逐渐从理想变为现实。

  近期,受北京市发改委委托,张信荣教授开展了“二氧化碳高效冷热供应技术应用研究”,旨在基于跨临界二氧化碳制冰技术在冬奥会的成功案例,促进该技术在其他领域应用推广。

  玲珑世界,浮玉飞琼。孜孜不倦,辛勤耕耘。北京冬奥场馆的梦幻冰雪中,凝结着北大教授张信荣和众多科研工作者的心血。

  “节能”、“环保”、“高质量”的关键词诠释了天然工质二氧化碳制冰造雪技术。在未来,二氧化碳高效冷热供应技术还将飞入寻常百姓家,在生产生活的更多领域焕发光彩,带给我们无限惊喜。

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