«Οι Ολυμπιονίκες σκιέρ και σνόουμπορντερς αγωνίζονται σε 100% ψεύτικο χιόνι» – Η Επιστήμη πίσω από το «τεχνητό» χιόνι και η επίδραση του στην απόδοση των αθλητών

Της Καθηγήτριας του Τμήματος Χημείας του ΕΚΠΑ, Χριστίνας – Άννας Μητσοπούλου, με αφορμή άρθρο στο theconversation.com με τίτλο Olympic skiers and snowboarders are competing on 100% fake snow – the science of how it’s made and how it affects performance

Χειμερινοί Ολυμπιακοί Αγώνες 2022 στο Πεκίνο. Μια περιοχή που η χιονόπτωση είναι περιορισμένη όπως και τόσες άλλες που φιλοξένησαν προηγουμένως Ολυμπιακούς αγώνες και η μέση χιονόπτωση δεν ξεπερνούσε τις 300 ίντσες το χρόνο. Που θα βρεθούν επομένως οι χιονισμένες οροσειρές και τα παγοδρόμια για να διαγωνισθούν οι αθλητές; Επιπλέον πως μπορούμε όλοι να απολαύσουμε αυτά τα αγωνίσματα στις χώρες μας – αν δεν υπάρχει χιονόπτωση;

Την απάντηση έρχεται να δώσει για μια ακόμα φορά η επιστήμη μπαίνοντας στην υπηρεσία του ανθρώπου με την δημιουργία τεχνητού χιονιού, εφαρμόζοντας νόμους της θερμοδυναμικής και της κινητικής.

Είναι όμως το τεχνητό χιόνι ίδιο με το φυσικό; Και πως γίνεται;

Το «ψεύτικο» χιόνι

Παρόλο που το τεχνητό και το φυσικό χιόνι αποτελούνται και τα δύο από παγωμένο νερό, οι περισσότεροι σκιέρ και σνοουμπόρντερς μπορούν να αναγνωρίσουν αμέσως ότι τα δύο είναι πολύ διαφορετικά.

Η παραδοσιακή παραγωγή τεχνητού χιονιού χρησιμοποιεί νερό υψηλής πίεσης, πεπιεσμένο αέρα και εξειδικευμένα ακροφύσια για να σκορπίσει μικροσκοπικά σταγονίδια υγρού στον αέρα, που, στη συνέχεια, παγώνουν καθώς πέφτουν στο έδαφος. Όμως, η παραγωγή χιονιού δεν είναι τόσο απλή.

Το καθαρό νερό δεν παγώνει πριν τη θερμοκρασία των -40 °C. Η παρουσία μικροσκοπικών αιωρούμενων σωματιδίων στο νερό είναι αυτή που του επιτρέπει να παγώσει στους 0°C. Αυτά τα σωματίδια, γνωστά ως κέντρα ή πυρήνες κρυστάλλωσης, βοηθούν στον σχηματισμό κρυστάλλων πάγου σε ψηλές θερμοκρασίες (0°C). Στην πραγματικότητα η θερμοκρασία κρυστάλλωσης είναι ανάλογη με τη μοριακή διαμόρφωση αυτών των πυρήνων. Δύο από τους καλύτερους πυρήνες πάγου είναι ο ιωδιούχος άργυρος και μια πρωτεΐνη που παράγεται από το βακτήριο Pseudomonas syringae και η οποία διατίθεται εμπορικώς υπό μορφή βακτηριακής πρωτεΐνης στο νερό. Η χρήση της εξασφαλίζει ότι τα περισσότερα από τα μικροσκοπικά σταγονίδια του τεχνητού χιονιού θα παγώσουν πριν φτάσουν στο έδαφος και επομένως μειώνεται η κατανάλωση νερού και ενέργειας, χωρίς να υπάρχουν αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον.

Η χρήση του τεχνητού χιονιού

Το φυσικό χιόνι ξεκινά ως μικροσκοπικός κρύσταλλος σε έναν πυρήνα πάγου στα σύννεφα. Καθώς ο κρύσταλλος πέφτει στον αέρα, αυξάνεται σταδιακά στην κλασική νιφάδα χιονιού.

Συγκριτικά, το τεχνητό χιόνι παγώνει γρήγορα, αποτελείται από δισεκατομμύρια μικροσκοπικές σφαιρικές μπάλες πάγου. Μπορεί να μοιάζει με φυσικό χιόνι με γυμνό μάτι, αλλά έχει πολύ διαφορετική αίσθηση. Αυτό οφείλεται αφ’ ενός στο ότι οι μικροσκοπικές μπάλες πάγου που συσσωρεύονται δεν έχουν παγώσει μέχρι να αγγίξουν το έδαφος και επομένως το τεχνητό χιόνι είναι σκληρό και παγωμένο και αφετέρου στην μεγάλη περιεκτικότητα σε αέρα του φυσικού χιονιού που το κάνει ‘αφράτο’ σαν σκόνη . Μάλιστα το φυσικό χιόνι περιέχει έως και 95% περισσότερο αέρα από το τεχνητό.

Ποιο χιόνι προτιμούν οι Ολυμπιακοί σκιέρ; Αυτό εξαρτάται από το  άθλημα τους.

Οι δρομείς θέλουν να μπορούν να γλιστρούν όσο το δυνατόν πιο γρήγορα και να χρησιμοποιούν τις αιχμηρές άκρες τους των μπατόν τους για να κάνουν επικίνδυνες, κλειστές στροφές. Οι πυκνές, παγωμένες συνθήκες του τεχνητού χιονιού πλεονεκτούν από αυτή την άποψη. Μάλιστα, οι διοργανωτές αγώνων συχνά προσθέτουν υγρό νερό σε γήπεδα αγώνων με φυσικό χιόνι που παγώνοντας θα εξασφαλίσει μια ανθεκτική, σταθερή επιφάνεια για τους δρομείς. Από την άλλη, οι ελεύθεροι σκιέρ και οι σνοουμπόρντερς προτιμούν την πιο μαλακή επιφάνεια του φυσικού χιονιού για λόγους ασφαλείας ειδικά όταν πραγματοποιούν άλματα.

Το τεχνητό χιόνι πλεονεκτεί και ως προς την εξασφάλιση του καθαρού ουρανού και της απαιτούμενης ορατότητας κατά την διάρκεια των αγώνων και όχι μόνο – αφού η φυσική χιονοθύελλα συντελεί στον περιορισμένο φωτισμό και την χαμηλή ορατότητα-δηλ. σε δύσκολες συνθήκες για αγώνες ή άλματα. Η έντονη φυσική χιονόπτωση συχνά είναι ο λόγος ακύρωσης αγώνων σκι όπως συνέβει το 1998 στο Nagano.

Η Επιστήμη μιμείται τη Φύση

Ενώ οι ολυμπιακοί αθλητές έχουν μικτές ανάγκες για το χιόνι τους, για τη συντριπτική πλειοψηφία των σκιέρ αναψυχής, το φυσικό χιόνι είναι πολύ καλύτερο. Λόγω του περιεχόμενου αέρα είναι πολύ πιο μαλακό και πιο ευχάριστο για σκι ή σνόουμπορντ.Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να δημιουργήσουν περισσότερο φυσικό χιόνι κατά παραγγελία.

Ο πρώτος τρόπος ήταν η δημιουργία φυσικών νεφών με ιωδιούχο άργυρο, με στόχο να διευκολυνθεί η κρυσταλλοποίηση του νερού στα σύννεφα. Η μέθοδος γνωστή ως «Wegener-Bergeron-Findeisen», θα αύξανε, θεωρητικά, το ποσοστό χιονόπτωσης. Εν τούτοις τα αποτελέσματα σε πραγματικές συνθήκες ήταν μάλλον απογοητευτικά και μόλις πρόσφατα, χρησιμοποιώντας σύγχρονα ατμοσφαιρικά όργανα αποδείχθηκε ότι – για ένα κλάσμα καταιγίδων με τις κατάλληλες συνθήκες – η σπορά νεφών με ιωδιούχο άργυρο οδηγεί πράγματι σε μέτριες αυξήσεις στη συνολική ποσότητα χιονόπτωσης.

Μια άλλη επιλογή είναι η δημιουργία μηχανών παραγωγής χιονιού, που καλλιεργούν αφράτους φυσικούς κρυστάλλους χιονιού. Οι επιστήμονες καλλιεργούν νιφάδες χιονιού σε εργαστήρια για πολλές δεκαετίες, αλλά η διαδικασία είναι ιδιαιτέρως απαιτητική και παράγονται μικρές ποσότητες, επειδή οι κρύσταλλοι πάγου συνήθως αναπτύσσονται αργά. Σε αυτή την προσπάθεια οι Καθηγητές Peter Veals και Trey Alvey, του Πανεπιστημίου της Utah, μέσω μιας start-up εταιρείας «Quantum Snow», ανέπτυξαν μια διαδικασία που μιμείται αυτή του σχηματισμού φυσικών κρυστάλλων που μπορεί να παράγει νιφάδες χιονιού σε μεγάλες ποσότητες.  Σύντομα θα γεμίσουν οι πίστες με τεχνητό χιόνι που δεν θα διαφέρει του φυσικού.

Πηγές

1. Veals,P.  The Conversation, 2022
2. Leroy R. Maki, Elizabeth L. Galyan, Mei-Mon Chang-Chien, and Daniel R. Caldwell, Applied Microbiology,1974, 28, 456-459
3. R. Chang, J. Overby ’General Chemistry’, Ελληνική έκδοση ‘Παπαζήσηs’ 2022
4. Wegener, A. 1911. Thermodynamik der Atmosphäre. Barth, Leipzig.
5. Findeisen, W. 1938. Die kolloidmeteorologischen Vorgänge bei der Niederschlagsbildung (Colloidal meteorological processes in the formation of precipitation). Met. Z.. 55. p. 121.
6. Bergeron, T. 1935. On the physics of cloud and precipitation. Proc. 5th Assembly U.G.G.I. Lisbon. Vol. 2,. p. 156.