Лед... Почему я заговорил о нем? Наверное потому, что спрос на него в последние годы вырос колоссально. По всему миру, и в России в частности, особенно после решения про-вести Олимпиаду в Сочи, начался бум на строительство ледовых дворцов, крытых катков, и тренировочных площадок для фигуристов. По мнению западных аналитиков, все виды спорта, связанные с ледовыми покрытиями и катками, являются самыми массовыми и, как следствие, зрелищными. Вывод тех же аналитиков — за льдом будущее. И в спорте, и в бизнесе, и в культуре, и в массовых мероприятиях.

Но что мы знаем про лед? Что такое качественный лед? Должен ли лед для фигурного катания отличаться ото льда для хоккеистов? А если должен, то чем? В чем «интрига» создания условий не только его производства, но и постоянной поддержки в «рабочей форме»?

Галина Юрьевна ГОНЧАРОВА, кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе «ГП Холодильно-инженерный центр», чл. корреспондент Международной академии холода

Галина Юрьевна Гончарова закончила Московский энергетический институт по специальности «Физика низких температур и криогенная техника».

В 1986 году защитила кандидатскую диссертацию, посвященную изучению нестационарных процессов тепломассобмена жидких криопродуктов и созданию термомеханических устройств для их перекачки. С 1991 года занималась разработкой систем хладоснабжения промышленных объектов и теплообменной аппаратуры для пищевых сред. В 2000 году основным видом деятельности стала разработка систем хладоснабжения ледовых спортивных сооружений и технологий создания и поддержания ледовых покрытий с задаваемыми физико-механическими свойствами для различных видов спорта.

Под руководством Гончаровой проведены научно-исследовательские работы по изучению физики скольжения конь-ка, разработаны физические модели ледовых покрытий для конькобежного спорта, хоккея, фигурного катания, шорт трека и кёрлинга. Отдельные результаты этих работ использованы уже на Олимпиаде-2006 в Турине. В настоящее время занимается разработкой технологий создания льда для различных видов спорта и прецизионных методов контроля свойств ледовой поверхности.

Автор более 40 научных работ, 14 патентов РФ, пять из которых — по технологии ледовых покрытий.

Мы сидим в офисе Галины Юрьевны. На столе кофе. Если честно, то вот трудно порой задать профессионалу такой глупый вопрос «А что такое лед»? Или — «а почему такая красивая женщина пошла в науку, связанную с холодом»?...

Первый вопрос порой дается с трудом... Тяну время — делаю глоток кофе.

— Вас что-то смущает? — в проницательности ей не откажешь.

Не то что бы, но вот название специальности, полученной вами в институте — «Физика низких температур и криогенная техника» почему-то упорно ассоциируется с научной фантастикой. Сразу вижу звездолет и астронавты в анабиозе. Стерильная криогенная ка-мера, тихо мерцающие датчики контроля. И все это в тишине...

— Точно! — совершенно неожиданно подхватывает она тему. — И вдруг, неожиданно, все разрывает сигнал тревоги, и механический такой не живой голос сообщает: «Сбой системы автоматики в криогенном отсеке, нарушена подача хладогента»!

А вы знаете, Александр, где-то вы правы. Тогда еще, во времена СССР, это была достаточно актуальная тема. Конечно, никто из нас не мог предположить, что в реальной жизни и деятельности придется существенно выше подняться по шкале температур: от криогенных -120 К (-153 по°С) до температур плавления льда. Нет, конечно, определенный спрос на криогенные разработки существовал, но... Мало кому после краха империи удалось остался верным своему выбору. И вот очередной виток спирали истории, и все наши разработки, знания стали востребованы, и кто бы мог подумать — в спорте! Жизнь вообще удивительная штука.

— Действительно, а еще говорят, что бы не придумывали ученые — все равно получится оружие! (Смеемся).

— Доля шутки в этой шутке, конечно, есть. Но, как бы там не было, сегодня многие технологии, созданные в свое время для оборонной промышленности, нашли свое применение в иных областях. Живой пример перед вами. В том, что мы делаем для большого спорта, мы вовсю применяем мелкодисперсные продукты, пришедшие к нам из оборонной и космической промышленности. И, конечно, возможность одним (нашим!) конькобежцам создать супер условия скольжения, а в следующем забеге сделать так, что конкуренты буквально прилипнут ко льду, — это действительно ОРУЖИЕ, причем стратегического назначения!

— А оно нужно?

— В смысле «А не проще полить поле из шланга и потом заморозить»? Нет не проще. Увы, это понимание только стало приходить. Но если вообще развивать эту тему, то я позволю себе кратко ввести вас и ваших читателей в мир спортивного льда. Что это, зачем это, и почему? Итак.

Сегодня само понятие ледовое сооружение, расширилось и обросло опциями. Раньше все было проще. Ледовые дворцы страна строила годами, дворовые катки залива-ли из шланга водопроводной водой в сильные морозы. Теперь наступила, на мой взгляд «ледовая эра» и наметилось три совершенно четкие ипостаси.

Порой, внешне ничем не привлекающий к себе внимание лед, даже с гладкой поверхностью таит для спортсменов и организаторов спортивных мероприятий много неожиданностей. Не раз на таких мероприятиях наблюдаются досадные падения.

Одной из причин падения может быть локальное изменение физических свойств льда, которые особенно проявляются в экстремальных условиях его использования (движение конькобежца на вираже, прыжок фигуриста, резкое изменение направления движения хоккеиста).

Физические свойства взаимосвязаны между собой. Так, изменение температуры льда или химического состава заливаемой воды приводит к изменению его скользкости и прочности. Когда такие изменения происходят на всей ледовой поверхности, контролируются или своевременно выявляются, то к ним можно подготовить спортсмена. Но если изменения локальны и не выявлены, то страдает, как правило, спортсмен.

Как показывает анализ опыта проектирования и эксплуатации ледовых сооружений, такая неоднородность возникает из-за:

— ошибок проектировщиков или строителей, допущенных при создании охлаждающей плиты;

— отсутствия соответствующего контроля при приемке охлаждающей плиты в эксплуатацию;

— отсутствия периодического контроля со стороны эксплуатирующей организации, особенно при полном обновлении льда;

— выхода из строя трубной системы охлаждающей плиты;

— попадания в заливаемую воду или в (на) лед химически или физически активных веществ.

Для избежания таких ситуаций необходимо ответственно проектировать систему хладоснабжения и конструкцию охлаждаемой технологической плиты ледового поля, качественно выполнять соответственно их монтаж и строительство. Осуществлять приемку технологической плиты и ледового поля в полном объеме и на каждом этапе их создания. Своевременно использовать современные технологии контроля физических свойств льда, воды, бетонной плиты.

Первая — дворцы. Их никто не отменял, это масштабно и зрелищно. Все больше команд выходят на профессиональный уровень, и, естественно, всем хочется войти в супер лигу, а раз так, то изволь иметь свой дворец. Причем эту установку приняла федерация хоккея. В противном случае о звездных вершинах даже и не мечтай.

Вторая тенденция — развлекательные катки. На нее в современной России делают огромную ставку. Они хороши в торговых комплексах, гостиницах, магазинах, в крытых шатрах для дискотек. Это своего рода политика здорового образа жизни. Эти катки стали реальной альтернативой ночным клубам, где основное развлечение — горячительные напитки и доступные наркотики. Более того, эти площадки хороши для корпоративных вечеринок (кстати, весьма окупаемые мероприятия), шоу, торжеств, детских праздников. Вы поверите? Многие просят ледовое поле наполовину застелить ковром. Люди выпили, пообщались, и — на коньки. Это вошло в определенную моду. На мой взгляд, это лучше, чем напиться в ресторане и наутро не помнить, как оно все было. Более того, всегда есть вероятность, что, раз попробовав, завтра он проделает то же самое трезвым. А первое впечатление это, как и первая любовь, — не забывается никогда.

Третья — тренировочные катки. Они могут быть достаточно экономичными при строительстве самих помещений, однако эксплуатируются очень интенсивно. Вот там качество льда, прежде всего, его прочность, способность противостоять механическим разрушающим нагрузкам хоккейного, да и фигурного конька — весьма актуально. Этот лед используется до трех часов ночи, а в семь утра выход на тренировку группы фигурного катания, и лед просто обязан быть на высоком уровне. Иначе — постоянные дополнительные расходы и снижение рентабельности.

— Насколько я правильно понял, заливать поверхность из водопровода — правило дурного тона?

— Подготовка воды для льда — отдельная песня. Для того, чтобы получить лед заданного качества, нужна многоступенчатая система очистки воды, способная убирать и механические, и химические примеси, растворенные газы. Во всем мире никто не заливает конькобежные стадионы высокого уровня водопроводной водой. В основном используют глубинные скважины, а в идеале — ледниковые воды, т. е. предельно «старый» лед, освободившийся за свою многомиллионную жизнь от всех болезней, дефектов и искажений кристаллической решетки. Для России это не всегда приемлемый вариант. Возьмите каток в спортивном комплексе «Крылатское». Там установлена мощная современная станция водоподготовки, вплоть до обратного осмоса.

— А в противном случае...

— В противном случае лед будет полон примесей и ориентационных дефектов, как земля полезными ископаемыми.

МЕТОД ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Специалистам «ГП Холодильно-инженерный центр» впервые было предложено использовать для изучения изотермичности ледовой поверхности метод теплового неразрушающего контроля.

Результаты тепловизионного обследования ледовой поверхности

Суть метода ТНК состоит в бесконтактной регистрации температурного объекта тепловизионной аппаратурой, цветовом кодировании и последующем анализе полученных термограмм. Этот метод контроля практически не имеет альтернативы при первичной локализации температурных аномалий для крупных ледовых сооружений, имеющих площадь ледовой поверхности до 10000—12000м2.

Предлагаемый метод позволяет выявить проблемные зоны на стадии приемки ледовых объектов (бетонной плиты до заливки льда) с целью обнаружения и устранения возможных строительных дефектов. Чаще всего температурные неоднородности на ледовых полях возникают при нарушении фиксации узлов трубной системы, нарушении технологии укладки, а также при использовании бетона различных марок

Однако проведение инфракрасного сканирования ледовых поверхностей имеет определенные особенности. Прежде всего — большое количество бликов, вносящих дополнительную погрешность при цветовой идентификации температуры поверхности вследствие «переотражения» света. Различия в окраске, прозрачности льда от участка к участку, наличие газообразных включений в «теле» льда и на поверхности бетонной плиты и т. д. требуют специальных технических решений в плане проведения самой съемки и способов коррекции полученных термограмм. Устранение этих искажений по-требовалоразработки специальной программы, учитывающей условия проведения тепловизионного сканирования.

Кроме того, измерения и расчеты спектрального коэффициента ослабления излучения атмосферным воздухом позволили определить спектральные диапазоны, наиболее рациональные для проведения измерений. Причем, если влияние этого фактора пренебрежимо мало на расстоянии нескольких метров, то на десятках и сотнях метров он может вносить ощутимые искажения в наблюдаемую картину. Поэтому на базе предшествующего опыта и обобщения имеющейся информации был разработан ряд методов тепловизионного обследования ледовой арены, позволяющих свести к минимуму погрешности, связанные с влиянием сторонних источников света, коэффициента излучения, угла наблюдения и др. факторов.

Прибор определяет температуру льда в одной конкретной точке. Метод позволяет сканировать поверхность, т. е. дает возможность не пропустить температурную «яму», что совершенно невозможно при избирательном точечном обследовании ледового поля.

И «вылезать» на поверхность они будут долго, сам лед будет мутным, а должен быть прозрачным. Это не только красиво: оптическая прозрачность — свидетельство определенных физических свойств. На практике это влияет на все: от свойств скольжения, до такой прозаической вещи, как реклама. Рекламное изображение обязано смотреться ярко и четко. В противном случае ваши рекламодатели или спонсоры предъявят вам весьма обоснованные претензии. Впрочем, качество воды — это только часть всего комплекса необходимых условий для получения льда нужного качества.

— А что такое вообще «нужный лед»?

— Вы немного опережаете события. Я именно к этому моменту и подошла. При строительстве ледовых сооружений холод играет самую значимую не только финансовую, но и техническую роль. Построить помещение не вопрос — этим занимаются столетиями, а к вопросу создания — в комплексе — условий и инженерных систем, позволяющих структурировать и поддерживать лед определенных физико-механических свойств, всерьез разработчики подходят только сейчас. Если конькобежный лед — это быстрый лед с наименьшим сопротивлением скольжению, то понятие «хороший хоккейный лед» или «хороший фигурный лед» мы только в самом недавнем времени насытили конкретными физическими параметрами и критериями. Нелегко заставить хоккеиста сформулировать и перевести на язык физики, как должен работать лед при контакте с коньком. Задача грамотного специалиста — понять это. При этом огромное спасибо той интеллектуальной спортивной элите — выдающимся и именитым спортсменам — Герману Панову, Светлане Журовой, Андрею Миненкову, Алексею Жамнову, Владимиру Крамскому, Николаю Гуляеву, которые понимают актуальность научных основ и не жалея своего времени и опыта, помогают нам создавать физические модели того, что им кажется оптимальным.

До недавнего времени то, по чему скользили наши спортсмены, был некий компромисс, между желаемым и возможным. Любое строительство имеет свои сроки. И все хотят получить заказанное быстро. А как можно сохранить качество, не нарушая скорости? Термодинамика учит, что чем медленнее процесс, чем он совершеннее, тем меньше потери и правильнее, бездефектнее получаемая структура льда. С увеличением скорости кристаллизации начинаются проблемы. Все инородные примеси, пузырьки не успевают отторгаться и, вымораживаясь в последнюю очередь, застывают на пути к поверхности. А впоследствии на той самой поверхности и проявляются, портя жизнь спортсменам и репутацию ледоварам. Сюда же прибавьте бесконечное противоречие между эстетикой и физикой. В качестве примера — тот же каток в Крылатском. Он был построен в 2004 году непосредственно к Чемпионату мира по беговым конькам. Очевидно, что крашеный лед красивее смотрится, телекартинка значительно выигрывает, но законы диффузии неумолимы: все примеси вытесняются на поверхность и ухудшают скольжение.

Далее, вода, лед и бетон имеют различные коэффициенты объемного расширения, а посему появление трещин вполне понятно. А кому нужно поле в трещинах? Значит, мы обязаны уметь снимать термические напряжения. Тут применяется и заливка горячей во-дой, и добавка во внутренние слои различных пластификаторов. И вот мы таки создали весь этот ледовый массив с соблюдением всех условий. Но! Выпускать спортсменов рано! В нем остались скрытые напряжения. Для решения этой проблемы нам удалось разработать и запатентовать вместе с сибирскими коллегами новую технологию. По аналогии с металлургией назовем это отжигом. Для этого надо выключить холодильные машины часов на 10—15. Что происходит? Массив отпускается, «залечивается», появляются первые «слезы» — тонкая пленка жидкости на поверхности. Потихоньку заполняются пустоты, отторгаются дефекты кристаллической структуры. После этого на поверхность выпускается тяжелая техника. Специальными катками осуществляется динамическое воздействие. Лед отдавливается, в результате из него вытесняются оставшиеся ориентационные дефекты и примеси. Потом включаются холодильные машины. В итоге получаем монолит. Твердый и оптически прозрачный...

Скажу честно, зарубежные коллеги при виде конечного результата просто не поверили. Ну никак они не могли предположить, что в России первый блин может по-лучиться таким вкусным. Но! Этот лед предназначен только для конькобежцев. Хоккеисты его «убьют». Им нужен другой.

— Ледяное покрытие для хоккея создается совершенно по другой технологи и с совершенно другими параметрами?

— Именно. Для этого вида спорта нужен лед более пластичный и стойкий к ударным нагрузкам. Слышали о так называемой «связанной воде» вокруг молекул-модификаторов поверхности? Скол от конька не происходит, зарождающаяся трещинка купируется, как бы заполняется смазкой из вскрытого канала, которая, замерзая, восстанавливает поверхность. На слух все вроде просто, но как это все рассчитать? Сколько молекул нужно на квадратный сантиметр? Сколько этих ячеек для купирования трещин и сколов? Тут уже первую скрипку играет химия. Этого слова, как ни странно, многие начинают бояться, считая, что химия — вредно. Однако вещества, с которыми мы работаем, вводя их в микродозах, используют в медицине в качестве компонентов заменителя плазмы крови при операциях!

Другой элемент, используется при лечении заболеваний головного мозга. Хоккеисты, узнав об этом, смеялись, говорят: «Ударимся об лед головой, так еще сразу и подлечимся». А если говорить о стабилизированных суспензиях, который используется для снижения сопротивления скольжению, все это идет из военных технологий — системы за-пуска баллистических ракет — и безопасно настолько, что входит в состав покрытий ваших сковородок.

Специалистами «ГП Холодильно-инженерный центр» разработана новая методика измерения плотности льда с помощью цифровой звукозаписи ударов резинового мяча о ледовую поверхность. Вы-деленные области: красная — посторонние звуковые сигналы; синяя — фоновый шум; желтая — первый, второй и третий удары мячика; зеленый — удары мячика, начиная с четвертого.

— Галина Юрьевна в преддверии Олимпиады в Сочи понятие качественный лед стало приоритетным. Скажите, люди, готовые финансировать спортивные строительство, начинают интересоваться именно качеством или старая методика — «сделайте мне плохо, но быстро» продолжает доминировать?

— Конечно, современные бизнесмены не чета тем, из далеких девяностых. Многие из заказчиков достаточно серьезно подготовлены в данном вопросе.Хотят, чтобы каток приносил прибыль. Многие понимают, что создать качественное ледовое покрытие — искусство. Однако это далеко не все. Не все понимают, насколько важен проект, учитывающий ДЛЯ ЧЕГО строится ледовое поле. От этого будет зависеть, и сколько ставить холода, и как раскладывать трубную систему, и как разводить воздушные потоки. Да, есть нормы, европейские, усреднённые... Но! Кто будет в этом дворце сидеть? 6 000 разгоряченных пивом голландцев, способных своим темпераментом поднять температуру льда на совершенно неизвестное количество градусов или там будут пустые трибуны с немногочисленными родителями? И от этого зависит и система кондиционирования воздуха, и хладоснабжения льда, и многое другое. И ошибиться можно запросто, и цена ошибки огромная. И в качестве конечного продукта заказчик получает талую лужицу, когда бросают экипировку в водоем внутри вратарской площадки... Скажу честно, сегодняшние бизнесмены быстрее понимают простую вещь — если построить все грамотно, то окупится все это в три раза быстрее и без потерь.

— Вам не трудно будет попробовать вот так на словах разложить эту проблему, хотя бы вкратце? Согласитесь, простому обывателю все-таки тяжело понять все трудности при изготовлении катка. И в чем суть проекта, если в каждой мало-мальски грамотной компании имеется парочка типовых?

— Давайте попробуем. Поле представляет собой многослойный пирог; это и технологическая и несущая плита, и система обогрева грунта, словом достаточно сложная конструкция. Технологическая плита представляет собой систему труб протяженностью от десятка до 70 (на конькобежных овалах) километров, которые необходимо грамотно расположить по всей площади поля. Потом их заливают бетоном. И вот, если при заливке будет нарушена фиксация, хоть одна труба всплывет, даже всего на несколько миллиметров, то подобная неприятность впоследствии может обернуться температурным «пятном». При разводке трубной системы гидравлика каждой петли должна быть строго рассчитана и обеспечивать равномерное распределение хладоносителя по полю.

Дальше — где размещать конденсаторы, на крыше? А рядом жилой дом и это не проходит по шумовым характеристикам. Избежать опасности переделок, исправления ошибок и поисков альтернативных решений — строить сооружение не с крыши, а с фундамента, но до этого — грамотно составленный проект. С учетом всего, от характера предполагаемой эксплуатации до состава фунта.

Специалистами установлено, что в ряде случаев на хоккейных полях используется некачественная реклама, не с точки зрения ее воздействия на зрителей, а с точки зрения ее влияния на качество льда и на его эксплуатацию. Химические выделения из материала рекламы, даже после длительного ее пребывания во льду, приводят к появлению на его поверхности «косичек» и «оспинок». Для устранения таких дефектов требуется много-кратно выполнять заливку всей ледовой поверхности, тем самым снижая концентрацию выделившихся веществ в подплавленном поверхностном слое льда. При этом расходуется время, силы специалистов ледовой службы, очищенная вода и ресурс льдозаливочных машин, а прибыль от использования некачественной рекламы значительно уменьшается.

Таким образом, перед размещением рекламы во льду настоятельно рекомендуем сделать «ледовый тест» — проверить в лабораторных условиях воздействие материала рекламы на ледовую поверхность.

— Значит клиенты, которые обращаются к вам, понимают, что вы в своем деле профессионалы?

— Если позволите, я приведу некую медицинскую аналогию. Пациент нуждается в операции. К кому идти? К светиле, прославившемуся много лет назад, сделавшему пару удачных операций и с тех пор почившему на лаврах или к трудяге-хирургу, ежедневно не вылезающему из операционной? Работающий скальпелем каждый день, у которого это все на кончиках пальцев... Возьмите нашего директора Бориса Кузнецова, он же с шестидесятых годов работал в Спортпроекте, и спортивные сооружения — это его конек. Вы понимаете, что это такое, несколько десятилетий заниматься одним делом, знать, что такое хорошо и что такое плохо, какие новые тенденции появились и какие тупиковые идеи уже отмерли, что сегодня действительно дает заявленный результат и что не более чем рекламный трюк. Если продолжить врачебную аналогию, то только постоянное, а не фрагментарное присутствие «в теме» может не только устранить болезнь, но и предотвратить ее появление.

— Вы упоминали новую технологию, которую не только разработали, но и защитили патентами, но вот интересно, когда вы их применяете, каким образом определяется временной срок, чтобы потом дать заявленную гарантию? Ведь, насколько я понимаю это эксперименты?

— Так все и происходит — экспериментальным путем, но и в натуральном масштабе. Через полтора месяца после заливки хоккейного льда выяснилось, что в течение этого срока качество льда по скользкости, по ощущениям, по маслянистости осталось прежним. Но «куржака» — снежной стружки за хоккейный период наметаться стало несколько больше. Значит, пора «подкормить» верхний слой очередной дозой инъекции, отвечающей за стойкость поверхности и условно-мгновенную прочность — простите за пафос, но это физический термин. Вывод — полтора месяца это тот срок, который мы можем гарантировать полю при самой интенсивной нагрузке без восстановления концентрации добавок. Затем обновляем поверхность.

Вот посмотрите, одно из наших направлений — фигурное катание. Лед для фигурного катания должен, как минимум, быть более упругим при сохранении прочности, не хрупким, по возможности — режелировать (залечивать травмы от приземлений фигуристов после многооборотных прыжков). При этом нам приходится разрабатывать не только технологию изготовления льда, но и установки, способные моделировать нагрузки и усилия, воспринимаемые суставами фигуриста во время прыжков. Дело в том, что самому фигуристу в принципе все равно, что станет со льдом в конце тренировки. Лишь бы не попасть по второму разу в выбоину от предыдущего прыжка. А вот суммарное интегральное усилие, которое будет получено и «съедено» его суставами за тренировку, для него очень важно. Это его здоровье и, как следствие, — спортивная карьера.

— Тяжело совмещать науку и бизнес? Вот вам лично, как ученому?

— В современном мире эти понятия уже нельзя разделять. Постоянно идти вперед в научных разработках — гарант твоей стабильности и востребованности завтра. И мы не стоим на месте. Ни одно достижение не является последним и лучшим. За рубежом на спортивные технологии работает мощная индустрия. Задачи ставят просто фантастические. Например, поддерживать температуру льда при температурах плюс 20 градусов. В лабораторных условиях эти результаты уже получены. Но сегодня этот лед даже не золотой — бриллиантовой, но это новое слово в технологиях.

— Вы упоминали о применения нанотехнологий, можно поподробнее?

— Конечно, нанотехнологий начинаются с манипуляции частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров, т. е. с 1 Х 10—9м. Наши же методы направленного воздействия на изменение структуры льда как раз и основаны на эффектах взаимодействия отдельных молекул в поверхностном слое кристаллизующейся пленки воды. То есть мы влияем на поверхностный слой на молекулярном уровне. Более подробно, наверное, уже в следующей беседе.