このブログ記事では、平昌冬季オリンピックで披露された並外れた氷の質の秘密を探り、人工氷が天然氷とはまったく異なる構造を持つ科学的原理を詳しく説明し、各スポーツに必要な条件の違いについて説明します。
2018年2月9日から25日まで韓国で開催された平昌冬季オリンピックは、多くの海外メディアから絶賛され、盛況のうちに閉幕しました。インテルは、1,218機のドローンによる群飛行技術を活用し、開会式の夜空にドローンオリンピック旗を掲げました。平昌冬季オリンピックのマスコット「スホラン」は、公式グッズショップでぬいぐるみが完売するなど、世界的な人気を博しました。さらに、このオリンピックは人気だけでなく、記録でも高い評価を得ました。2018年平昌冬季オリンピックでは、アイススポーツで3つの世界新記録と25のオリンピック新記録が立て続けに樹立されました。これは、2010年バンクーバー冬季オリンピック（世界新記録2つ、オリンピック新記録21つ）以来、最多の新記録であり、2014年ソチ冬季オリンピック（オリンピック新記録11つ）をも上回ります。連日のように新記録が生まれ続けた最大の理由は、競技会場の氷の質が優れていたことに他なりません。江陵アイスアリーナとスピードスケートオーバルで練習した英国のエリーズ・クリスティ選手と日本の小平奈緒選手も「氷の質が本当にいい。世界記録が次々と出そうな気がする」と満足げだった。では、平昌で世界から絶賛されるこの氷は、どのようにして作られたのだろうか。
アイススケートリンクの氷は、湖や川で自然に凍る氷とは全く逆の方向に形成されます。まず、物質の相変化と密度の関係を調べる必要があります。ほとんどの物質は、温度が下がり液体から固体に状態が変化すると、粒子間の距離が縮まり、密度が増加します。しかし、水が液体から固体に固まると、自由に動き回る水分子が六角形構造を形成し、隙間ができます。これにより、体積が増加し、密度が低下します。氷の温度が上昇し、再び溶け始めると、融点でこれらの隙間の大部分が埋まります。残りの隙間は、水温が 4°C まで上昇したときにのみ埋まり、4°C を超えると密度は再び低下します。そのため、ほとんどの物質とは異なり、水は 4°C で密度が最大になります。
水が冷えると、下層が4℃に達するまで対流が起こります。下層が4℃に達すると対流は止まります。その後、表面の水温が0℃まで下がって凍っても、氷は水面に浮かびます。この原理は、天然の氷が表面から下に向かって形成される理由を説明しています。この原理を応用すると、非常に厚いアイスリンクを床まで一気に凍らせるには、室内温度を極めて低くする必要があることがわかります。
しかし、スケートリンクの氷は、自然に反して、下から凍らせる必要がある。まず、コンクリートの床に一定間隔で冷却パイプを敷設する。次に、このパイプにエチレングリコールという冷媒を循環させ、床温度を-15～-10℃に下げる。次に、表面に軽く水を吹き付けて薄い氷の層を作る。不純物や気泡は表面に浮き上がるので、リサーフェーサーで削り取る。この「薄く凍らせて削ってまた凍らせる」という作業を繰り返す。1mmほどの氷の層ができたら、その上に白いペンキを塗る。競技によっては、ハウスラインやスタートラインが引かれる。次に、ペンキの上に薄く氷をかけて、表面が平らでしっかりした氷を作る。雨のように軽く水を吹き付けて10分ほど置くと、0.2mmほどの薄い氷の層ができる。必要な氷の厚さはスポーツによって異なりますが、一般的には、アイスリンクを完成させるには、これらの薄い氷の層を何百回も繰り返し積み上げることが必要になります。
薄い氷を何層にも重ねる理由は、割れにくい強固な氷を作るためです。例えば、3～4cmの水を一気に注ぎ、凍らせると、氷を構成する水分子が六角形構造に連結します。そのため、ちょっとした衝撃でも氷が割れやすくなり、リンク全体が割れてしまう危険性があります。そのため、氷を一層ずつ丁寧に成形していく繊細な工程が不可欠です。また、この製法は、不純物や酸素の泡を含まない、純粋な氷を作ることができます。氷中の酸素濃度が高くなると、氷は白濁して強度が弱くなり、熱伝導率も低下して床冷却パイプからの冷気がうまく伝わらなくなります。そのため、酸素を含まない氷を作ることは非常に重要です。
氷面が完成したら、氷の表面温度、アリーナ内の湿度、温度を最適な状態に保つことが非常に重要です。ショートトラック、スピードスケート、フィギュアスケート、カーリングなど、競技ごとに求められる氷質は異なり、氷の状態はパフォーマンスに大きく影響するため、各競技には厳しい基準が設けられています。まず、氷の表面温度は氷の強度を決定します。-8.3℃から5.0℃に保たれた氷はハードアイスに分類されます。この氷質は、より速く、よりスムーズなスケートを可能にします。しかし、この「硬さ」の基準は非常に繊細で厳しい条件を含んでいます。スタートラインから選手が蹴り出す際に発揮する力に耐えられる硬さでありながら、スケートのブレードが滑るほど硬くないことが求められます。逆に、-4.4℃から1.7℃程度の氷はソフトアイスに分類されます。柔らかくしなやかな氷は、表面が凸凹しているという欠点はあるものの、フィギュアスケートにおける高ジャンプ後の着地時の衝撃を吸収することができます。スケートのブレードは、硬い氷よりも柔らかい氷に深く食い込むため、摩擦と抵抗が大きくなり、速度が低下します。
第二に、アリーナ内の湿度もスケーターのスピードに影響を与えます。アイススポーツでは湿度が高いと氷面に霜が降り、凹凸が生じます。スケート靴がこの凹凸に引っ掛かり、スケーターのスピードコントロールが難しくなります。逆に、アリーナ内が過度に乾燥すると、氷の滑りを良くする水分がすべて蒸発してしまい、競技に支障をきたす可能性があります。そのため、アリーナ内の湿度を適切なレベルに保つことが重要です。そのために、アリーナ内には湿った空気と水分を吸収する除湿機が設置されています。
それでは、各スケート競技に求められる氷の状態を見ていこう。ショートトラック競技用の氷は、厚さ約3.5cmの固い表面で、氷の温度は-5.5℃前後に保たれなければならない。ショートトラックリンクの氷が柔らかすぎると、コーナリング時にスケート靴のブレードが氷に深く食い込み、フルスピードが出せず、転倒の危険性が著しく高まる。氷質管理責任者のペ・ギテ氏は、「ショートトラック競技中は、氷の表面を修復するために絶えず水を噴射し、徐々に厚くしていきます。しかし、厚すぎる氷は温度管理が難しいため、最初に薄くします」と説明する。スピードスケート競技用の氷の厚さは約2.5cm～3.0cmで、氷の温度は-9℃～-5℃に保たれなければならない。スピードスケートにおいて、良い氷とは速い氷のことである。スケート選手が蹴り出す力に耐えられるほどの硬さでありながら、スケートのブレードがスムーズに滑るためには、表面が非常に細かく溶けていなければなりません。スピードスケートとスケートリンクはどちらも記録を競う競技ですが、スピードスケートリンクの氷は、直線コースが長く、より速いスピードが求められ、レース中にスピードコントロールが求められる場面が比較的少ないため、より硬いのです。
フィギュアスケートリンクの氷は厚さが4.5cmから5cm程度と厚く、氷の温度は-3℃と比較的柔らかい状態が求められます。スケートリンクの氷の温度が低く、ブレードの圧力で溶けにくい状態だと、選手が力強くジャンプして着地した際に氷面にひび割れが生じることがあります。フィギュアスケートでは、こうした衝撃を吸収するクッションとして柔らかい氷が不可欠です。
カーリングアリーナの氷面は「カーリングシート」と呼ばれ、スケートリンクとは全く異なる特徴を持っています。スケートリンクの氷面は通常2日ほどで完成しますが、カーリングシートの施工には4日から10日ほどかかります。これは、カーリングでは他のスポーツよりも氷面の平坦性が重要だからです。そのため、氷は4～5段階に分けて層状に凍らせられます。さらに、「ペブリング」と呼ばれる工程が行われ、氷面に「ペブル」と呼ばれる小さな氷の粒が散りばめられます。これらのペブルは、カーリングストーンが氷上を滑らかに滑り、内側または外側に自然にカーブするために不可欠です。
冬季オリンピックの競技において、氷の質は重要な要素となります。2014年ソチ冬季オリンピックでは、氷が過度に柔らかく、凹凸が多く、多数の穴が開いたため、選手が頻繁に転倒する事故が発生しました。特に、フィギュアスケートの羽生結弦選手やショートトラックスピードスケートのパク・スンヒ選手といったトップ選手が氷上でつまずくシーンが何度も撮影されました。平昌オリンピックは、巨額の投資にもかかわらず氷の質の問題が低評価につながったソチオリンピックの教訓を学びました。精密に設計された氷面だけでなく、氷の状態をリアルタイムでモニタリングできる高度な製氷設備や、熱を最小限に抑えるLED照明の導入など、プロセス全体を通して綿密な氷管理を行うことで、世界中の選手から高い評価を得ることができました。氷の特性が競技の勝敗を左右することを考えると、今後の冬季オリンピックでもこのような高いレベルの厳格な氷質管理を維持していく必要があります。
