北京冬奧會(huì)正如火如荼地進(jìn)行。在我們心系運(yùn)動(dòng)員精彩表現(xiàn)之余，冬奧會(huì)的各項(xiàng)安排其實(shí)都滿含深意。

作為我國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)后舉辦的重大標(biāo)志性活動(dòng)，也是《格拉斯哥氣候公約》等相關(guān)協(xié)議簽署后的全球首個(gè)大型體育賽事，它籌辦、舉辦的全過(guò)程都具有標(biāo)桿意義。

例如，北京、延慶、張家口3大賽區(qū)，39個(gè)場(chǎng)館，實(shí)現(xiàn)了城市綠色電網(wǎng)全覆蓋，賽期全部使用綠色電能，這是奧運(yùn)史上首次全部場(chǎng)館實(shí)現(xiàn)100%綠色電能供應(yīng)，是奧運(yùn)史上“零的突破”。

再比如，使用清潔能源的保障車輛占比高達(dá)84%，其中氫能源汽車超過(guò)1000輛，加氫站超過(guò)30個(gè)，創(chuàng)造了全球規(guī)模最大的氫燃料電池汽車示范運(yùn)營(yíng)案例……

數(shù)據(jù)顯示，利用各種前沿科技，北京冬奧會(huì)推出了18項(xiàng)碳減排措施、4項(xiàng)碳中和措施。北京冬奧會(huì)將成為首個(gè)真正實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的奧運(yùn)會(huì)。

除了在大處著眼，北京冬奧會(huì)還將“綠色辦奧”理念落實(shí)到每一個(gè)細(xì)微之處，通過(guò)一個(gè)個(gè)蘊(yùn)含“大科技”的“小心機(jī)”，向世界展現(xiàn)了中國(guó)的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。

微火火炬不簡(jiǎn)單

2022年2月4日，美輪美奐、大氣磅礴的北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式在鳥(niǎo)巢上演。當(dāng)最后一棒火炬手將手持火炬插入主火炬中心，直接作為主火炬燃燒器點(diǎn)亮“雪花”的那一刻，很多人心中也許是“意外”的。

北京冬奧會(huì)開(kāi)幕式總導(dǎo)演張藝謀在采訪中表示，從過(guò)去熊熊燃燒的大火炬到今天歷史首次微火火炬設(shè)計(jì)，在傳播綠色環(huán)保理念的同時(shí)，更要感謝科技的力量。

為了適應(yīng)綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)理念，這次火炬全部采用氫氣作為燃料。雖然2020年夏季奧運(yùn)會(huì)上，日本已經(jīng)首次采用了氫為燃料的火炬，但與東京奧運(yùn)會(huì)火炬不一樣的是，我們采用的是高壓儲(chǔ)氫火炬，首次實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)歷史上火炬的零碳排放。

氫是一種清潔、零碳排放的燃料，但易燃、易爆、易泄漏，就像一匹“小野馬”總是讓人敬而遠(yuǎn)之。選擇氫作為火炬燃料，對(duì)科技水平其實(shí)是一項(xiàng)考驗(yàn)。

此次火炬除外觀之外，手持火炬和主火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造來(lái)自航天科技集團(tuán)六院11所（京）與101所組成的六院火炬研制團(tuán)隊(duì)。為了讓冬奧會(huì)圣火擁有一顆綠色能源“心臟”，研制團(tuán)隊(duì)用兩年時(shí)間付出了很多努力。

首先是手持火炬：當(dāng)燃料確定為氫后，研制團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研判分析各種可能遇到的問(wèn)題。比如，想在北方冬季嚴(yán)酷的室外環(huán)境中順利傳遞火炬，確保火種不熄滅，該如何做？如何保證氫在運(yùn)輸和傳遞的過(guò)程中不泄漏？

除了技術(shù)方面，研制團(tuán)隊(duì)還要解決藝術(shù)問(wèn)題。比如氫氣沒(méi)有顏色，怎么進(jìn)行焰色反應(yīng)；火焰不能像火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一樣噴射而出，要有曲線美感……

2020年9月23日，奧組委召開(kāi)了閉門會(huì)議，確定了手持火炬的造型。火炬以祥云紋樣“打底”，自下而上從祥云紋樣逐漸過(guò)渡到剪紙風(fēng)格的雪花圖案，旋轉(zhuǎn)上升。

“驚艷，流線型的造型，律動(dòng)感很強(qiáng)。”回憶第一眼看到火炬外殼時(shí)，研制團(tuán)隊(duì)還覺(jué)得很贊嘆。但藝術(shù)家心中將美展現(xiàn)到極致的同時(shí)，也對(duì)技術(shù)團(tuán)隊(duì)最終實(shí)現(xiàn)制造了困難。

此前，在未見(jiàn)到外觀時(shí)，研制團(tuán)隊(duì)是以2008年北京夏季奧運(yùn)會(huì)火炬外殼尺寸及造型作為參考進(jìn)行研發(fā)，但新的設(shè)計(jì)有了新的要求。比如火炬內(nèi)外飄帶的造型，使得儲(chǔ)氫氣瓶不可能像外形一樣上粗下細(xì)，若減少儲(chǔ)氫氣瓶尺寸必然不能滿足氫氣的燃燒用量。

為此，科研人員經(jīng)過(guò)不斷討論、試驗(yàn)，修改方案，提出精簡(jiǎn)閥門外形，優(yōu)化內(nèi)部空間外，縮小儲(chǔ)氫氣瓶尺寸，將氣瓶中的壓力由35MPa提升至42MPa。

7MPa壓力差看似很小，但它考驗(yàn)了閥門的密封技術(shù)、降壓技術(shù)、火焰穩(wěn)定技術(shù)、可靠性等。

同時(shí)，冬奧圣火“飛揚(yáng)”要批量生產(chǎn)，氣瓶要有一致性，后續(xù)要有檢測(cè)方法和檢測(cè)方案，要求制定新的標(biāo)準(zhǔn)。

正是將這樣的難題一個(gè)個(gè)突破，我們的氫燃料手持火炬最終可以在10級(jí)強(qiáng)風(fēng)、50mm/h大降雨的侵襲、零下40℃低溫和5000米高海拔等環(huán)境下穩(wěn)定燃燒，真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)懼風(fēng)雨”。

而且，為了實(shí)現(xiàn)火焰的“可視”，研制團(tuán)隊(duì)在出口處安裝了格柵，在格柵表面噴涂堿金屬。這種控制方法可以通過(guò)配方和涂裝方法實(shí)現(xiàn)不同顏色的火焰，也是研發(fā)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新打造。

給火焰“造型”也是煞費(fèi)苦心。為了避免火焰狀態(tài)呈噴射狀，不安全不可控，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)切換閥上面的減壓閥，把氣瓶中的高壓（42MPa：相當(dāng)于海底4200m的水壓）變成出口處的低壓（1KPa），使火焰產(chǎn)生飄逸的美感。

除了手持火炬，主火炬的設(shè)計(jì)也有突破。

主火炬采用的是“微火+顯屏”創(chuàng)意形式，利用懸掛在威亞上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和地面裝置，加上手持火炬在40m高空的360度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了“火”與“舞美”的有機(jī)融合。

每一片小雪花、每一個(gè)枝頭上都是采用全彩LED直顯屏，每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)的顏色、亮度都是可以獨(dú)立控制的，4.8mm的出光點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了燈光圖案細(xì)膩的多彩變化；而且與以往熊熊燃燒的火炬相比，節(jié)省了99.9%的能量，體現(xiàn)了低碳環(huán)保的理念，也展現(xiàn)了中國(guó)人的文化自信。

這樣的設(shè)計(jì)理念也要求火炬的工作時(shí)間從1.5小時(shí)延長(zhǎng)到8小時(shí)，并要保證360度旋轉(zhuǎn)時(shí)高效穩(wěn)定地燃燒。

為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出姿態(tài)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就是火炬頂上一個(gè)長(zhǎng)方形的黑色盒子。它吊掛在威亞小車上，由小車帶著它移動(dòng)到中心位置，放下鋼絲繩和電纜與火炬相連。通過(guò)姿態(tài)控制技術(shù)，配合地面裝置完成一系列的翻轉(zhuǎn)、提升和旋轉(zhuǎn)。這里面還藏著燃料供應(yīng)系統(tǒng)的氫氣滑環(huán)、柔性軟管和撬裝氫氣系統(tǒng)，將氣瓶中的氫氣輸送到火炬中心，并實(shí)現(xiàn)氣體的穩(wěn)定供應(yīng)。

正是這些技術(shù)支持，保障了以氫氣為燃料的火炬完美亮相，在世界人民面前再一次展示了中國(guó)的科技實(shí)力，向世界廣泛傳播了綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)的理念，并將極大促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“無(wú)塑”冬奧中的“小心機(jī)”

進(jìn)入冬奧村后，除了周到的服務(wù)，品嘗各種中國(guó)美食成了讓運(yùn)動(dòng)員們感到最為舒心快樂(lè)的事情之一。在琳瑯滿目的食物之外，其實(shí)各種餐具也有“小心機(jī)”。

本屆北京冬奧會(huì)盡可能地減少不可降解一次性塑料制品使用，加快推進(jìn)新理念、新技術(shù)、新產(chǎn)品在北京冬奧會(huì)場(chǎng)景應(yīng)用。

比如各種一次性餐盒、刀、叉、勺以及注塑類托盤、筷子、吸管等都是采用一種叫作聚乳酸（PLA）的生物材料制成的。

作為本屆冬奧會(huì)官方生物可降解餐具供應(yīng)商，也是我國(guó)唯一掌握聚乳酸全產(chǎn)業(yè)鏈核心技術(shù)的公司，安徽豐原生物技術(shù)股份有限公司為冬奧會(huì)提供了3000多萬(wàn)件(套)可降解餐具。

豐原生物相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者，與傳統(tǒng)的石油基制造的塑料垃圾在自然條件下降解需要數(shù)百年，給生態(tài)環(huán)境安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患不同；聚乳酸是以玉米、木薯、秸稈等農(nóng)作物或農(nóng)林廢棄物為原料，經(jīng)現(xiàn)代生物發(fā)酵技術(shù)制成的。焚燒時(shí)不會(huì)釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體。在堆肥條件下，可在半年內(nèi)經(jīng)微生物作用降解為二氧化碳和水。與其他塑料制品相比，這些生物基可降解餐具更易實(shí)現(xiàn)回收和循環(huán)利用，還不會(huì)產(chǎn)生塑料微顆粒危害人類及其他生物健康；而且，從原材料到聚合物生產(chǎn)過(guò)程的碳排放是石油基材料的1/3左右。

除了餐具，北京冬奧會(huì)還用上了中國(guó)石化生產(chǎn)的可降解塑料袋。與傳統(tǒng)塑料相比，這些塑料袋以儀征化纖生產(chǎn)的石油基可降解材料（PBAT）制作而成，不但具有較好的熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能，同時(shí)在堆肥條件下能夠降解為水和二氧化碳。

制服裝備同樣貫徹著可持續(xù)發(fā)展理念。據(jù)了解，供北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)工作人員、技術(shù)官員及志愿者使用的裝備收納包所使用的紗線，是回收利用廢舊塑料制品生產(chǎn)的環(huán)保紗線；包裝袋采用生物可降解材料制成，180天降解率可達(dá)90%以上。

就連新型奧運(yùn)版復(fù)興號(hào)智能動(dòng)車組上，內(nèi)裝也全部采用了環(huán)保可降解材料，可降解率能夠達(dá)到50%以上，可回收率達(dá)到了75%以上。

業(yè)界認(rèn)為，北京冬奧會(huì)上這些可降解材料只是個(gè)開(kāi)始。借此東風(fēng)，未來(lái)這些生物材料將成為工業(yè)文明向生態(tài)文明轉(zhuǎn)變，走向可持續(xù)發(fā)展的重要選項(xiàng)。

低碳制冰新突破

在所有的碳排放源當(dāng)中，場(chǎng)館的建設(shè)和運(yùn)行所產(chǎn)生的溫室氣體排放量超過(guò)整個(gè)碳排量的1/3。因此，在場(chǎng)館建設(shè)和運(yùn)行方面實(shí)現(xiàn)低碳就成為本屆冬奧運(yùn)從始至終追求的目標(biāo)之一。

北京冬奧會(huì)充分利用了2008年奧運(yùn)會(huì)的場(chǎng)館，除了既有室內(nèi)場(chǎng)館通過(guò)節(jié)能改造達(dá)到綠色建筑二星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所有新建室內(nèi)場(chǎng)館全部達(dá)到綠色建筑三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

與依靠自然制冷的室外冰場(chǎng)不同，冬奧會(huì)所有冰上項(xiàng)目均在室內(nèi)舉行。室內(nèi)冰場(chǎng)采用人工制冰方式，可嚴(yán)格控制冰面溫度和濕度，為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造公平的比賽環(huán)境和挑戰(zhàn)極限的基礎(chǔ)。

制冰系統(tǒng)原理類似于家庭“地?zé)岵膳保嫦掳仓萌舾芍评涔艿溃ㄟ^(guò)制冷劑在其中流動(dòng)換熱使冰面降溫。因此，選擇制冷劑在這過(guò)程中至關(guān)重要。

從歷屆冬奧會(huì)冰場(chǎng)制冰機(jī)來(lái)看，主要采用氟利昂等人工合成制冷劑技術(shù)或者氨制冷技術(shù)，前者具有嚴(yán)重的溫室效應(yīng)問(wèn)題；后者具有微毒、易燃易爆的特性，有安全隱患。

為此，經(jīng)過(guò)一系列研究、論證，天津大學(xué)馬一太、田華教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)支持下，通過(guò)校企合作，研發(fā)了國(guó)際先進(jìn)的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)。

利用這項(xiàng)技術(shù)，不僅使場(chǎng)館碳排放趨近于零，還可以精準(zhǔn)控制冰溫和冰面軟硬度，最大程度減小冰面溫差，提高冰面質(zhì)量，滿足不同比賽項(xiàng)目對(duì)冰面的要求。

同時(shí)，這套系統(tǒng)還考慮熱量的回收利用。

一般而言，制冷系統(tǒng)會(huì)帶走冰層下的熱量，實(shí)現(xiàn)冰場(chǎng)迅速降溫，這部分余熱往往直接排到室外環(huán)境中。但在新系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用冷熱聯(lián)供一體化技術(shù)，將二氧化碳制冷所產(chǎn)生的高品質(zhì)熱能儲(chǔ)存于水箱里，用于冰面維護(hù)澆冰、場(chǎng)館生活熱水等，降低了場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)能耗。

據(jù)測(cè)算，與傳統(tǒng)制冷方式相比，這套系統(tǒng)綜合節(jié)能可達(dá)到30%以上，能效可以提升20%以上，場(chǎng)館一年可節(jié)省電量約200萬(wàn)度。

制冰有“黑科技”，造雪也有不少新技術(shù)。北京冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目比賽主要設(shè)在延慶和崇禮山區(qū)，這兩個(gè)地方降雪較多，技術(shù)人員把冰雪融水收集起來(lái)，用于造雪。

北京冬奧組委新聞發(fā)言人嚴(yán)家蓉說(shuō)：“我們的人工造雪系統(tǒng)采用了目前世界上最先進(jìn)的高效節(jié)水設(shè)備和智能化的造雪系統(tǒng)，能夠根據(jù)外界環(huán)境的動(dòng)態(tài)保持最佳的造雪效率，有效避免了水資源的浪費(fèi)。”

通過(guò)這一個(gè)個(gè)新突破，以冬奧會(huì)為契機(jī)，交通、場(chǎng)館、能源等織起了一張綠色的大網(wǎng)，碳中和的莊嚴(yán)承諾正有效兌現(xiàn)中……