在国家速滑馆“冰丝带”中，1.2万平方米晶莹剔透的冰面，为世界观众展现了荷兰选手伊雷妮·斯豪滕、瑞典选手尼尔斯·范德普……夺冠瞬间，并助力选手打破了尘封20年的奥运会纪录。

但你可知道，这22条沿着外墙曲面由低到高盘旋而成的“冰丝带”两三厘米厚下，埋藏了十余层不同结构。防潮层、防冻层、渗透层……其中一层密布的制冰管，流淌的是液态二氧化碳。

二氧化碳代替氟利昂 绿色冬奥展现大国责任与担当

传统应用的制冷剂都是氟利昂，但是氟利昂对环境破坏严重。数据显示，使用一吨氟利昂就相当于3980余吨二氧化碳排放，不但会破坏臭氧层，还会造成地球暖化。同时，氨具有微毒、易燃易爆的特性，安全性难以控制。

二氧化碳是一种天然的、绿色的环保制冷剂。液态二氧化碳是相变蒸发、通过吸热完成制冷和制冰的过程，在排热过程中，可以把热量全部回收利用。

这便是北京大学工学院教授张信荣为冬奥会提供的制冰方法原理。同时也是冬奥历史上第一次采用天然工质二氧化碳制冷技术替代传统制冷剂氟利昂制造的冰面。

但用二氧化碳制冰并不简单。

首先，作为一条世界范围内都鲜有先例的全新路径，新技术带来的不确定性让这一选择的论证过程就花了两三年。在论证过程中，很多人提出，“既然大家都知道氟利昂不好，为什么不早用二氧化碳？”“对于全世界瞩目的一次盛会，氟利昂制冰已经很成熟，创新却会带来风险。”

在这期间，奥组委走遍了江南塞北，寻访了大洋彼岸，再加上张信荣已经从事临界二氧化碳基础理论研究多年，参与的研究和开发的跨临界二氧化碳大型冷热一体化组技术在非金属材料加工应用取得了重大突破，最终经过多次论证会，这套方案终于通过。

其次，张信荣参与的冬奥团队大胆地使用了国际上最前沿最先进的技术“直冷”。张信荣解释称，“这次‘冰丝带’是1.2万平方米的超大型冰面，面积越大，越难保证冰面温度的均匀性。如果用过去使用的防冻液间接制冷，防冻液铺开后各区域温度不同，会导致冰面硬度不均匀。”

“直冷”意味着不使用防冻液、直接用二氧化碳制冰。二氧化碳相变过程中温度是不变的，效率非常高，也比较环保。

然而，前沿技术必然伴随未知风险。张信荣介绍，跨临界二氧化碳压缩过程目前还离不开润滑油，而润滑油会随着二氧化碳一直在系统里流动，特别是压缩完之后，超临界二氧化碳和油完全互溶，更加无法分辨。“油流到什么地方去了？”

“这是不行的。油必须要及时回到压缩机，否则压缩机就会失去动力没法工作；更重要的是，一定不能让油进到冰面下，否则油会堵塞管道，导致无法制冰。这会是一个灾难性的后果。”张信荣意识到，一定要在液态二氧化碳进到冰面下之前，把油全部分离出来。这是一项巨大的挑战。

幸运的是，经过多次实验，对“回油”问题，张信荣已有了解决思路。2013年的大型实验让他印象深刻。“系统建好了，但运行时发现，润滑油怎么也加不够，因为油回不来，也不知道去哪了。”

张信荣带着团队改进了二氧化碳制冷系统设计，让油能够及时回到压缩机，保持系统正常工作。

这项技术中的另一个关键词是“跨临界”。张信荣称，“二氧化碳的饱和液体线和饱和气体线交叉的临界点是在31.1度，压力是在7.38个兆帕，这时二氧化碳就会进入到跨临界状态。”

过去利用氟利昂制冷，吸收了很多能量，但能量最终都散到环境中，被浪费掉。而二氧化碳到跨临界状态时，具有携带能量的特性，可以把制冰过程中吸收和释放的能量都回收利用。

传统场馆的热水、供暖等都需要烧锅炉；而在国家速滑馆，冰面下地基防冻、冰面平整和场馆供暖等，完全靠回收的能量来实现。“其实二氧化碳就是个搬运能量的载体，把需制冷区域的能量携带到需制热区域，同时实现两个区域的制冷制热。”张信荣解释道。

事实也证明了此次创新探索的成功。　　　　　　

国家速滑馆“冰丝带”这块通过二氧化碳制冷制造的冰面温差始终控制在0.5℃，是冬奥组委提出1.5℃标准的三分之一，并且解决了传统制冰导致冰面软硬不均的痛点。温差越小，冰面的平整度和硬度越均匀，滑行速度就能越快，有利于运动员创造出好成绩。

另据记者了解，去年10月举行的国际测试赛上，6名运动员中，有5位在这块冰面上创造了个人最好成绩。“这跟冰的质量绝对相关。”可以说，这一次“打造了冬奥历史上最快的一块冰。”张信荣笑言。

二氧化碳零上直接造雪 春风暖阳中跃然雪上不再是梦

“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8℃，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。并且，此次冬奥会的零度以上人造雪与天然雪很接近，可根据不同的比赛需求调节雪的湿度，最多能调节出9种形状不同的雪花。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，打破中国冰雪运动“难出山海关”的魔咒，助力后冬奥时代冰雪运动的可持续发展。

未来，这项技术还将在发电、制冷、动力应用多个领域发挥作用。“未来汽车到加油站充的不是电，也不是氢，而是二氧化碳，这是很有可能的。”张信荣说。（记者 白玉洁）