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このシーンを作成するために使用された素材は、二酸化炭素の固体であるドライアイスです。二酸化炭素は温室効果ガスですが、氷を作ることができるとしたら、あなたの認識を覆すことになるのではないでしょうか。冬季オリンピックで最も欠かせないのは、さまざまな種類の氷であり、競技の要件を満たす高品質の氷の作り方を知ることは非常に重要です。北京競技場では、冬季オリンピック競技場の氷面15面のうち7面が二酸化炭素超臨界直接冷却製氷技術を使用して作られ、2022年北京冬季オリンピックは、二酸化炭素冷媒を大規模に使用する史上初のオリンピックとなる。首都体育館の製氷が完了しました。画像提供：北京ニュース（北京市主要プロジェクト事務所提供写真）
史上初？二酸化炭素超臨界直接冷却製氷技術には何か秘密があるのでしょうか？心配しないでください。北京冬季オリンピックの製氷の特徴について学びましょう。

なぜ二酸化炭素を選ぶのですか?

二酸化炭素超臨界直接冷却製氷とは何かを明確に説明するには、まず二酸化炭素、超臨界、直接冷却製氷という用語を分解する必要があります。
まず二酸化炭素についてお話しましょう。おそらくほとんどの人は、それが空気中のガスであり、温室効果ガスであることを知っているでしょう。詳しい人ならドライアイスを思い浮かべるでしょうが、二酸化炭素にはそれ以上の役割があります。はい、二酸化炭素は確かに温室効果ガスですが、冷凍の分野では環境に優しい冷媒になります。ここで言う冷凍とは人工的な冷凍のことであり、冷凍装置を使って冷却対象物の温度を周囲の気温よりも低いレベルまで下げることを指します。二酸化炭素の超臨界直接冷却で氷を作ることを例にとると、水の温度を下げて氷にするということです。人工冷凍のプロセスにおいて、冷媒の役割は非常に重要です。冷凍装置内を循環し、熱伝達の役割を果たします。よく耳にするフロンは、非常に一般的な冷媒です。では、なぜ二酸化炭素が冷媒として使用できるのでしょうか?一般的に、冷媒は液体と気体の相互変換によって熱交換を実現しており、二酸化炭素もこのような物理的状態の変化の際に熱を吸収したり放出したりすることができます。簡単に言えば、二酸化炭素は室温および常圧では気体です。一定の圧力が加えられると、液化して液体になったり、凝縮して固体になったりします (固体二酸化炭素は、よくドライアイスと呼ばれます)。圧力が低下すると、液体または固体の二酸化炭素は急速に気化（または昇華）してガスになり、大量の熱を吸収して、周囲の温度を下げる（水を氷に凝縮させる）という目的を達成します。国立スピードスケート楕円アイスリンク、写真提供：北京日報 実際、二酸化炭素を冷媒として使用することは目新しいことではありません。これは冷媒の中でも「古参」であり、19 世紀末にはすでに使用されていました。二酸化炭素が人々の目から徐々に消えていったのは、フロンなどの冷媒の登場によるものでした。近年になって、フロンなどの冷媒が環境に与える悪影響が徐々に明らかになり、より環境に優しい冷媒である二酸化炭素が再び注目されるようになりました。二酸化炭素は温室効果ガスなので、冷媒としての環境保護特性はどこにあるかと疑問に思う人もいるかもしれません。まず、二酸化炭素自体はオゾン層を破壊するものではありませんが、多くのフロン冷媒はオゾン層に非常に有害です（フロンR12など）。第二に、二酸化炭素は温室効果ガスではありますが、その温室効果はフロンなどの冷媒に比べてはるかに低いため、比較すると確かに環境に優しいと言えます。さらに、二酸化炭素は、供給源が広く、安全で、毒性がないなどの利点があるため、多くの冷媒よりも自然に優れています。直冷製氷を選ぶ理由は何ですか?

冷凍分野における二酸化炭素の「位置づけ」がわかったところで、直冷製氷とは何かについてお話ししましょう。実際、直接冷却は間接冷却（冷媒冷凍）と関連しています。間接冷却とは、冷媒の蒸発によって得られた冷熱が冷媒を介して氷の表面に伝達され、冷却プロセスが完了するプロセスを指します。直接冷却では冷媒を使用する必要がありません。冷媒の蒸発によって発生する冷熱エネルギーを直接利用して水と熱交換し、徐々に水を凍らせて氷を作ります。直接冷却製氷により、冷媒熱交換によるエネルギー損失を回避します。熱伝達率と冷凍効率が非常に高いです。さらに、温度変動幅を0.5℃以内に制御でき、アイスリンクの温度を基本的に一定に保つことができるため、スピードスケートなどの競技にとって非常に重要です。
皆さんが気づいているかもしれないもう一つのことがあります。アイススケートリンクの氷は牛乳のように乳白色ですが、自宅で凍らせた氷は明らかに透明です。何故ですか？国立ボブスレー・リュージュセンター、写真提供：延慶区メディアセンター。一般的に、競技用アイスリンクの白色は後処理されています。伝統的な製氷技術で作られた氷の表面は実際には透明であり、特殊な氷塗料を白く吹き付ける必要があります。ただし、直接冷却を使用するアイスリンクでは、アイスペイントで白くスプレーする必要はありません。これは、直接冷却の過程で水が非常に速く凍って氷になるためです（従来の製氷技術では 7 日間かかるアイスリンクを、直接冷却では 3 日で作ることができます）。そのため、水中の気泡は逃げる前に氷の中で凍り、最終的な氷の表面は自然に乳白色になります。トランスクリティカルとは何ですか?

最後に、「トランスクリティカル」をどのように理解するかを見てみましょう。
前にも述べたように、二酸化炭素は古くから冷媒として使用されてきましたが、初期の二酸化炭素冷凍では亜臨界サイクル方式が採用されており、冷凍効率が低かったです。特に周囲温度が高い場合、二酸化炭素の冷凍能力は大幅に低下します。では、「亜臨界」と「超臨界」の「臨界」とはどういう意味でしょうか?物質は気体、液体、固体の状態の間で変換できることがわかっており、気体と液体が平衡状態で共存する限界熱力学的状態が物質の臨界状態です。このときの温度と圧力をそれぞれ臨界温度、臨界圧力と呼びます。二酸化炭素を例にとると、その臨界温度は31.1℃、臨界圧力は7.38MPaに達します。冷蔵庫は主にコンプレッサー、コンデンサー（冷却器）、膨張弁、蒸発器の4つの部分から構成され、内部を循環する冷媒として二酸化炭素が使用されています。二酸化炭素超臨界冷凍サイクルの亜臨界サイクルシステムでは、凝縮時の圧力が二酸化炭素の臨界圧力よりも低くなります。超臨界サイクルシステムでは、二酸化炭素は冷却器内で超臨界状態にあり、完全な物理的相変化なしに一定の圧力で熱を放出します。蒸発器内の圧力は臨界圧力よりも低くなります。このとき二酸化炭素は周囲の環境と熱交換し、熱を吸収して周囲の環境の温度を下げます。二酸化炭素超臨界冷凍サイクルシステムは、圧力が高く、圧力差も大きく、システム部品に対する強度要件も非常に高いため、長い間広く使用されていませんでした。北京冬季オリンピックでは、二酸化炭素の超臨界直接冷却製氷技術をうまく利用し、7つの氷面の準備を完了しました。その背後にある技術的サポートは、圧縮機、熱交換器、再生器などのコアハードウェアの反復的なアップグレードであり、科学技術力の反映です。冬季オリンピックの氷は、単に「最速」の氷であるだけでなく、最も高度な技術が詰まった氷でもあるようです。