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索契冬奥会新材料大揭秘

时间: 2014年02月20日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
索契冬奥会的开幕式正在进行,而本届奥运会不仅仅是顶级运动员的竞技场,还是新技术与新材料的试验台。这些新技术与新材料提升了奥运场所的性能,同时也为运动员提供了更好的运动装备。研发人员希望这些先进设备可以帮助奥运会选手达到一生中最好的水平。

与大多数举办奥运会的城市不同,本届索契冬奥会的所有基础设施都是新建的——目前花费已经超过310亿英镑。这届奥运会比历届奥运会——无论是夏季还是冬季奥运会——开销都大,同时还将索契从黑海边的一个亚热带消夏度假胜地摇身一变,成了一个世界级的冬季体育运动场地。

 

光触 —— 墙壁变身投影屏

索契奥林匹克体育馆

索契奥林匹克体育场融合了高科技材料和现代设计,可供40,000人在此舒适地观看比赛(图片来源:Populous)

 

可容纳4万人的索契奥林匹克体育场(The FishtOlympic Stadium)是索契冬奥会的主体育场。它设计独特,材料新颖,可以在开闭幕式和比赛中进行生动的灯光表演。体育场顶是由两个半壳结构组成,建造时使用了约36,000 m2的泰克斯隆(Texlon)。泰克斯隆是一种透明膜材。

 

该技术的提供商维克多-福伊特克公司(VectorFoiltec)称这种材料会形成一个气候信封(climaticenvelope)。泰克斯隆气垫由多层乙烯-四氟乙烯改性共聚物(ETFE)组成,层间充入低压空气以隔热并保护其免于风的损害。

 

泰克斯隆膜的表面可以捕获投影光线,将其用于展示图像、色彩或者播放视频。经过加工后,每层膜都可以透射、反射或者散射图片,从而使体育场的顶部可以“兼职”视频显示器。

 

体育场使用了两层和三层气垫的结合,前者透光性较好,而后者略差。透光性较好的气垫材料允许自然光进入体育场,而透光性较差的则可以散射直射的太阳光,从而避免光线过于刺眼。而到了晚上,LED光则可以呈现一场无与伦比的视觉盛宴。

 

很多其他重要场馆的设计也会令观众和运动员叹为观止,如大冰宫(Bolshoy Ice Dome),各个国家的冰球队将在这里展开角逐。它的外形像冰冻的水滴,其特色的铝制屋顶上散布了38,000个LED,在夜晚,屋顶将被五彩缤纷的色彩点亮。

 

陶氏化学助力冬奥会

作为奥运会全球合作伙伴之一,陶氏化学公司(Dow Chemical Company)为一些基础设施提供了技术支持,这之中就包括了大冰宫。“陶氏是化工领域的全球领军企业,同时也是著名的创新企业,它为我们提供了改建场馆及城市基础设施的可持续解决方案,”国际奥委会(International Olympic Committee, IOC)主席托马斯·巴赫(Thomas Bach)说道,“作为奥运会官方化学公司,陶氏将继续支持国际奥委会的可持续长期战略,并发挥重要作用。”

 

大冰宫

作为速度滑冰和冰球的比赛场馆,大冰宫的外形酷似一滴冰冻的水滴(图片来源:Populous)

 

陶氏的热传导液将有助维持大冰宫内冰面的温度恒定,同时将用于空调系统,以提供可靠稳定的温度控制。在大冰宫,陶氏的其他产品也随处可见,这其中包括用在地面的增强混凝土拌合物、可长时间保持金属结构组分不受腐蚀的工业涂料,以及保护电缆的绝缘材料和半导体材料。

 

陶氏的另一项贡献是抵消了奥运会的全部碳足迹——在历届奥运会中这尚属首次。陶氏通过在俄罗斯、巴西以及韩国推出新的节能低碳技术实现了这一目标,巴西和韩国将分别主办下两届奥运会。垃圾填埋气项目也可以抵消碳足迹,这一项目也为美国乔治亚州陶氏总部的运营提供了部分能源。

 

陶氏公司宣称,该项目已经抵消了520,000吨二氧化碳当量(CO2equivalent)。陶氏的这一说法已经得到了可持续咨询公司环境资源管理(EnvironmentalResources Management, ERM)的独立核实,该公司证实,最终抵消的碳足迹远远大于索契奥运会预计产生的碳足迹——360,000吨二氧化碳当量。

 

“我们非常兴奋能有这个机会与2014索契冬奥会、陶氏的顾客以及奥林匹克合作伙伴合作,共同为首届符合可持续理念的冬奥会做出贡献,”陶氏奥运业务副总裁乔治·汉密尔顿(GeorgeHamilton)说道,“作为奥运会官方的化学公司,我们的承诺是确保更高水平以及更绿色的奥运会。”

 

雪荒的解决之道

虽然已经抵消了奥运会的碳足迹,但是在这里举办冬奥会仍有技术上的困难,这里属亚热带地区,冬季温度介于0~6˚C。如果考虑暖冬的可能性,这个问题就会尤其严重,反季节的暖冬是造成2010年温哥华冬奥会雪荒的罪魁祸首。

 

通常情况下,距索契25英里的西高加索山脉会有大量积雪,位于这里的罗萨库特高山滑雪场(RosaKhutor Alpine Resort)将举办高山滑雪的比赛。但是近几年冬季的温度愈发不稳定,这使得滑雪场所需的一百万立方米的积雪无法得到保证。

 

人工造雪

在气温较高的时候雪生成公司(SnowGen)仍可造出雪来,图中的雪是在20°C下制造的(图片来源:SnowTec)

 

恩特·米库·马乐迪凯宁(Enter Mikko Martikainen)是一位人工造雪领域的专家,同时也是芬兰供雪保证(SnowSecure)公司的CEO,他受雇于冬奥会,设计一个应急方案以确保索契能有足够的雪。该方案使用了马乐迪凯宁(Martikainen)12年前研发的一项技术,这是欧洲迄今最大规模的造雪工程,动用了500把雪枪以及数百位工作人员。

 

存雪系统包括把上一年710,000立方米的人造雪和自然降雪存储起来。将这些雪分成14份,通过高科技隔热毯来防止其融化,这些隔热毯由热泡沫、高反射能力的铝平板以及一层可降低湿度的透气性土工织物构成。一年之后可剩余450,000立方米的雪,这就是马乐迪凯宁所说的安全措施,一旦需要,这些雪可随时运往赛场。

 

除了供雪保证,另一家芬兰公司All-Weather SnowTek也参与了这项工作,该公司的三个移动造雪系统将为跳台滑雪和北欧两项供雪,这两项赛事的场地所处纬度最低,自然降雪非常稀少。

 

“我们的造雪系统(The SnowGen system)可以在0°C以上造雪,我们甚至在20°C的条件下造过雪,”SnowTek 的CEO汉努·佩森恩(HannuPesonen)说道,“在索契,这些造雪系统正在运行,在0 ~ 20°C的室温下造雪。昨天的温度是3°C,我们在24小时内造了大约750立方米的新雪。”

 

SnowTek公司与加拿大公司IceGen合作,在一个封闭的过程生产雪,使用的设备有冷藏、和由IceGen提供的冰浆机以及雪分离组件。“造雪的原料真的只有水和盐构成的卤水,然后将其冷却到一定的温度,”佩森恩说道,“这一过程在卤水中产生有冰或雪的二元晶体,这些晶体经系统分离后由泵输出,雪就产生了。”

 

秘密武器

在冰雪的世界里,哪怕一毫秒都会决定比赛的胜负。在这里,还有能提高成绩的设备和运动服——运动员和赞助商们往往对这些装备的细节严格保密——这些会帮助运动员站上索契的领奖台。

 

装备有这些秘密武器的就有英国有舵雪橇队,英国一家业务范围很广的科技公司3M向他们提供了一系列从粗糙到极精细的微磨料,这可以降低雪橇的摩擦力,从而让他们滑得更快。

 

速滑

这些服装的空气动力学性能得到了改善,可以帮助缩短速滑运动员的比赛用时(图片来源:Shutterstock)

磨料是一种类似砂纸的物质,由氧化铝和树脂构成,很多磨料都含这些组分。“区别在于我们在制作磨料的时候使用了先进的喷涂技术,”3M公司磨料部门的技术服务工程师尼格尔·威尔库克(Nigel Willcock)说道。他不愿意透漏更多内容,只说道比起其他手动打磨碳钢雪橇的磨料,他们的磨料能让运动员更快速有效地拥有非常平滑的表面,并除去在赛道上滑行时造成的表面不平整。

 

“使用我们这种磨料,冰面逐渐平坦,我们希望,使用我们提供的这些设备,可以为选手们节省零点几秒,”威尔库克补充道,“但是最关键的还是运动员们的实力。”

 

与此同时,美国无舵雪橇代表队希望能在陶氏科学家们的帮助下摘得金牌,他们合作为索契冬奥会量身制作了新型雪橇。根据陶氏官方的说法,新型雪橇速度更快,可批量制作并且运行更稳定,极具创新,能帮助运动员发挥出最佳水平。

 

新型雪橇在设计时测试了20种不同的材料,并且在实验室和实际赛道中进行了大量的测试。陶氏报道称,在2012-2013赛季,两位装备了这种新技术的美国无舵雪橇运动员的成绩有所提高。

 

美国速度滑冰代表队也获得了帮助,服装制造商Under Armour和国防承包商洛克希德-马丁(LockheedMartin)专门为他们设计了比赛服。风洞试验表明,向比赛服的特定位置加入凸起的聚氨酯凹痕可以降低摩擦力、减少风的阻力,这是迄今制作的最快的流线型速度滑冰比赛服。

 

金牌、银牌、铜牌还有…陨石

奖牌

索契冬奥会将制作一批特殊的金牌,是由一小片车里雅宾斯克(Chelyabinsk)陨石组成(图片来源:RIA Novosti / Alenksandr Kondratuk)

 

不过即使有了上述提到的装备,要想获得奖牌,最关键的还是运动员自身的实力与决心。由于半管式滑雪以及女子跳台滑雪等新项目的加入,2014年索契冬奥会的奖牌总数达到了创纪录的1300多枚。

 

制作奖牌使用了大约2吨银,700kg铜以及6kg金。每枚金牌含有525g银,外层包裹有6g金。其厚度为10mm,半径100mm,是历届奥运会最大的金牌之一。

 

不过在赛程过半的2月15日,夺冠的运动员获得的并不仅仅是这种大金牌。去年的2月15日,一颗时速为60倍音速的陨石照亮了车里雅宾斯克,为了纪念这一事件一周年,当天的10位冠军运动员除了会获得常规的金牌外,还将获得一枚额外的奖牌,上面点缀有陨石的小碎片。

 

最大的一块儿陨石是从切巴尔库尔湖湖底打捞上来的,重达600kg,直径1.5m,大多数其他的陨石小碎片是从其附近回收的。

 

乌拉尔联邦大学(Ural Federal University)的维克多·格鲁克霍夫斯基(ViktorGrokhovsky)领导的团队测定:该陨石的性质与普通的球状陨石完全相同——球状陨石是最常见的一类陨石。进一步的分析表明,陨石碎片含有大约10%的铁陨石,其中包含陨硫铁和锥纹石——两种都是镍铁合金物质——以及橄榄石和辉石。

 

这些特殊的陨石奖牌是由兹拉托乌斯特镇专业工匠使用金和银制成的。奖牌表面涂有镍保护层,而中心则镶嵌了陨石的碎片。

 

这些陨石奖牌一共有50枚,其中的40枚被私人收藏。另外10枚将会颁给获得以下项目金牌的运动员,这些项目包括越野滑雪女子接力、男子K-125跳台滑雪、女子超级大回转以及男子俯式冰橇等。

 

(撰文:詹姆斯·厄克特(James Urqhart)  翻译:张哲)

原文链接:http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/02/materials-break-snow-business-sochi-olympics-science-technology

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