In deze blogpost onderzoeken we het geheim achter de uitzonderlijke ijskwaliteit die tijdens de Olympische Winterspelen in PyeongChang werd getoond. We beschrijven de wetenschappelijke principes die ervoor zorgen dat kunstmatig ijs een structuur heeft die compleet verschilt van natuurlijk ijs. Ook worden de verschillen in omstandigheden die voor beide sporten vereist zijn, uitgelegd.
De Olympische Winterspelen van Pyeongchang, die van 9 tot 25 februari 2018 in Zuid-Korea plaatsvonden, werden lang geleden met succes afgesloten en kregen lovende recensies van talloze internationale media. Intel gebruikte zwermvluchttechnologie met 1,218 drones om tijdens de openingsceremonie een Olympische vlag in de lucht te creëren. De mascotte van de Olympische Winterspelen van Pyeongchang, 'Suhorang', verwierf wereldwijde populariteit, met pluche speelgoed dat volledig uitverkocht raakte in de officiële merchandise-winkels. Bovendien kregen deze Olympische Spelen niet alleen hoge cijfers voor hun populariteit, maar ook voor de records die werden gevestigd. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2018 in Pyeongchang werden er drie nieuwe wereldrecords en 25 nieuwe Olympische records verbroken. Dit is het hoogste aantal nieuwe records sinds de Olympische Winterspelen van Vancouver in 2010 (2 nieuwe wereldrecords, 21 nieuwe Olympische records), en overtreft zelfs de Olympische Winterspelen van Sotsji in 2014 (11 nieuwe Olympische records). De belangrijkste reden voor de dagelijkse stroom nieuwe records was ongetwijfeld de uitstekende ijskwaliteit op de locaties. De Britse schaatsster Elise Christie en de Japanse schaatsster Nao Kodaira, die trainden in de Gangneung Ice Arena en de Speed Skating Oval, waren ook zeer tevreden en zeiden: "De ijskwaliteit is echt goed. Het voelt alsof er wereldrecords zullen worden verbroken." Maar hoe is dit ijs, dat in Pyeongchang zo alom geprezen werd, tot stand gekomen?
Het ijs op ijsbanen wordt gevormd in precies de tegenovergestelde richting van ijs dat van nature bevriest op meren of rivieren. Eerst moeten we de relatie tussen faseverandering en dichtheid in materialen onderzoeken. Voor de meeste stoffen geldt dat wanneer de temperatuur daalt en de toestand verandert van vloeibaar naar vast, de afstand tussen de deeltjes afneemt, waardoor de dichtheid toeneemt. Wanneer water echter stolt van vloeibaar naar vast, vormen de vrij bewegende watermoleculen een hexagonale structuur, waardoor lege ruimtes ontstaan. Dit vergroot het volume en verlaagt de dichtheid. Naarmate de ijstemperatuur stijgt en weer begint te smelten, worden de meeste van deze lege ruimtes opgevuld bij het smeltpunt. De resterende lege ruimtes worden pas opgevuld wanneer de watertemperatuur stijgt tot 4 °C, en de dichtheid neemt weer af na 4 °C. Daarom heeft water, in tegenstelling tot de meeste stoffen, de hoogste dichtheid bij 4 °C.
Wanneer water afkoelt, vindt er convectie plaats totdat de onderste laag een temperatuur van 4 °C bereikt. Zodra de onderste laag 4 °C bereikt, stopt de convectie. Zelfs als het oppervlaktewater dan daalt tot 0 °C en bevriest, drijft het ijs op het water. Dit principe verklaart waarom natuurlijk ijs zich vanaf het oppervlak vormt. Als we dit principe toepassen, zien we dat om een zeer dikke ijsbaan in één keer helemaal tot aan de vloer te bevriezen, de binnentemperatuur extreem laag moet zijn.
IJs voor ijsbanen moet echter van onder naar boven worden bevroren, in tegenstelling tot de natuur. Eerst worden op regelmatige afstanden koelbuizen op de betonnen vloer gelegd. Vervolgens wordt een koelmiddel, ethyleenglycol genaamd, door deze buizen gecirculeerd om de vloertemperatuur te verlagen tot -15 tot -10 °C. Vervolgens wordt er lichtjes water op het oppervlak gesproeid om een dunne laag ijs te vormen. Onzuiverheden en luchtbellen stijgen naar de oppervlakte, waar ze met een resurfacer worden afgeschraapt. Dit proces van een dunne laag bevriezen, schrapen en opnieuw bevriezen wordt herhaald. Zodra er een ijslaag van 1 mm dik is gevormd, wordt er witte verf overheen aangebracht. Afhankelijk van het evenement worden er start- of huislijnen gemarkeerd. Vervolgens moet er een dunne laag ijs over de verf worden aangebracht om een vlakke, solide ondergrond te creëren. Door ongeveer 10 minuten lichtjes water als regen te sproeien, ontstaat er een dunne ijslaag van ongeveer 0.2 mm. Hoewel de vereiste ijsdikte per sport verschilt, zijn over het algemeen honderden herhalingen van het opbouwen van deze dunne ijslagen nodig om een ijsbaan uiteindelijk te voltooien.
De reden voor het aanbrengen van meerdere dunne ijslagen is het creëren van een solide ijslaag die minder snel scheurt. Als er bijvoorbeeld 3-4 cm water in één keer wordt gegoten en bevriest, verbinden de watermoleculen zich in een hexagonale structuur. Hierdoor kan het ijs zelfs bij lichte aanrakingen barsten, met het risico dat de hele ijsbaan instort. Het zorgvuldige proces van het laagje voor laagje aanbrengen van ijs is daarom essentieel. Deze methode maakt het ook mogelijk om zuiver ijs te creëren, vrij van onzuiverheden en zuurstofbellen. Als de zuurstofconcentratie in het ijs toeneemt, wordt het ondoorzichtig, verzwakt het en neemt de warmtegeleiding af, waardoor de kou van de vloerkoelingsbuizen niet goed wordt afgevoerd. Het creëren van zuurstofvrij ijs is daarom van cruciaal belang.
Zodra de ijsbaan klaar is, is het van cruciaal belang om de optimale oppervlaktetemperatuur van het ijs te handhaven, evenals de luchtvochtigheid en temperatuur in de arena. De vereiste ijskwaliteit verschilt per discipline – shorttrack, schaatsen, kunstschaatsen, curling – en de conditie van het ijs heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties, met veeleisende specificaties voor elke sport. Ten eerste bepaalt de oppervlaktetemperatuur van het ijs de sterkte ervan. IJs met een temperatuur tussen -8.3 °C en 5.0 °C wordt geclassificeerd als hard ijs. Deze ijskwaliteit maakt sneller en soepeler schaatsen mogelijk. De norm voor deze 'hardheid' stelt echter een zeer delicate en veeleisende voorwaarde: het ijs moet hard genoeg zijn om de kracht te weerstaan die atleten uitoefenen bij de afzet vanaf de startlijn, maar niet zo stijf dat de schaatsbladen slippen. Omgekeerd wordt ijs met een temperatuur tussen ongeveer -4.4 °C en 1.7 °C beschouwd als zacht ijs. Hoewel zacht, buigzaam ijs het nadeel heeft van een oneffen oppervlak, kan het de impact absorberen bij landingen na hoge sprongen bij kunstschaatsen. Schaatsbladen graven zich dieper in zacht ijs dan in hard ijs, wat resulteert in meer wrijving en luchtweerstand, waardoor de snelheid afneemt.
Ten tweede kan de luchtvochtigheid in de arena ook de snelheid van de schaatsers beïnvloeden. Een hoge luchtvochtigheid in ijssporten zorgt ervoor dat er ijsvorming optreedt op het ijsoppervlak, waardoor er oneffenheden ontstaan. Schaatsen blijven haken aan deze oneffenheden, waardoor het voor schaatsers moeilijk wordt om hun snelheid te beheersen. Omgekeerd, als de arena te droog is, verdampt al het vocht dat het ijs glad maakt, wat de wedstrijd kan verstoren. Het is daarom cruciaal om de luchtvochtigheid binnen op een geschikt niveau te houden. Om dit te bereiken, worden er ontvochtigers geïnstalleerd die vochtige lucht en water absorberen.
Laten we nu eens kijken naar de ijscondities die voor elke discipline vereist zijn. Shorttrackijs moet een solide oppervlak hebben van ongeveer 3.5 cm dik en een temperatuur van ongeveer -5.5 °C. Als het ijs op een shorttrackbaan te zacht is, dringen de schaatsers te diep in het ijs tijdens het nemen van bochten, waardoor ze niet op volle snelheid kunnen komen en het risico op vallen aanzienlijk toeneemt. Bae Ki-tae, de ijskwaliteitsmanager, legde uit: "Tijdens shorttrackwedstrijden wordt er constant water op het ijs gesproeid om het te herstellen, waardoor het geleidelijk dikker wordt. IJs dat te dik is, is echter moeilijk te beheersen qua temperatuur, dus maken we het in eerste instantie dun." De ijsdikte voor schaatswedstrijden is ongeveer 2.5 tot 3.0 cm en de temperatuur moet tussen -9 °C en -5 °C worden gehouden. Bij schaatsen betekent goed ijs snel ijs. Het moet voldoende hard zijn om de kracht van de afzet van de schaatsers te weerstaan, maar het oppervlak moet zeer fijn gesmolten zijn zodat de schaatsijzers soepel kunnen glijden. Hoewel het bij beide disciplines om recordwedstrijden gaat, is het ijs op schaatsbanen harder omdat de rechte banen langer zijn, er hogere snelheden nodig zijn en er relatief minder situaties zijn waarin je tijdens de race je snelheid moet regelen.
Het ijs op een kunstschaatsbaan is dikker, ongeveer 4.5 tot 5 cm, en vereist zachter ijs bij een temperatuur van -3 °C. Als de ijstemperatuur op een kunstschaatsbaan extreem laag is, waardoor het ijs zo hard is dat het niet gemakkelijk smelt onder de druk van de schaatsijzers, kunnen er scheuren in het ijs ontstaan wanneer een schaatser krachtig springt en landt. Zacht ijs is essentieel bij kunstschaatsen, omdat het als een soort demping moet fungeren om dergelijke schokken te absorberen.
Het ijsoppervlak in curlingarena's wordt een 'curling sheet' genoemd en heeft totaal andere eigenschappen dan ijsbanen. Terwijl het ijsoppervlak van een ijsbaan doorgaans in ongeveer twee dagen klaar is, duurt het aanleggen van een curling sheet vier tot tien dagen. Dit komt doordat de vlakheid van het ijs bij curling belangrijker is dan bij welke andere sport dan ook. Daarom wordt het ijs in lagen bevroren in 4 tot 5 afzonderlijke fasen. Daarnaast wordt er een proces uitgevoerd dat 'pebbling' wordt genoemd, waarbij kleine ijskorrels, 'pebbles' genaamd, op het ijs worden gestrooid. Deze kiezels zijn essentieel voor het soepel glijden van de curlingstenen over het ijs en het op natuurlijke wijze naar binnen of buiten buigen.
De ijskwaliteit wordt een belangrijke variabele tijdens Olympische Winterspelen. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2014 in Sotsji was het ijs extreem zacht en oneffen met talloze kuilen, waardoor atleten vaak vielen. Met name beelden van topkandidaten zoals kunstschaatser Yuzuru Hanyu en shorttracker Park Seung-hui die op het ijs struikelden, werden meerdere keren vastgelegd. De Olympische Spelen in Pyeongchang leerden van de les van de Spelen in Sotsji, waar ondanks enorme investeringen problemen met de ijskwaliteit leidden tot slechte evaluaties. Door nauwgezet ijsbeheer gedurende het hele proces – inclusief niet alleen het nauwkeurig ontworpen ijsoppervlak, maar ook de installatie van geavanceerde ijsproductiefaciliteiten voor realtime monitoring van de ijsconditie en ledverlichting om warmte te minimaliseren – slaagden de organisatoren erin een locatie te creëren die wereldwijde erkenning kreeg van atleten. Aangezien de eigenschappen van het ijs de uitslag van wedstrijden kunnen bepalen, moet een dergelijk hoog niveau van rigoureus ijskwaliteitsbeheer worden gehandhaafd voor toekomstige Olympische Winterspelen.
