Die Wissenschaft hinter Kunstschnee bei den Winterspielen 2022

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Die Olympischen Winterspiele beschwören Bilder von schneebedeckten Bergketten, gefrorenen Eisbahnen und Athleten in Winterkleidung herauf. Und das aus gutem Grund. Austragungsorte für Olympische Winterspiele befinden sich oft an Orten, die einen durchschnittlichen Schneefall von 300 Zoll pro Jahr oder mehr erhalten.

Abgesehen von extrem ungewöhnlichen Wetterbedingungen werden die Berge rund um die Schneeereignisse für die Olympischen Winterspiele 2022 jedoch in Braun- und Grüntönen und fast schneefrei sein. Das Gebiet erhält normalerweise jeden Wintermonat nur wenige Zentimeter Schnee. Das bedeutet, dass praktisch der gesamte Schnee, auf dem die Athleten antreten werden, künstlich sein wird.

Es gibt deutliche Unterschiede zwischen natürlichem und künstlichem Schnee, was sich auf eine Vielzahl von Veranstaltungen bei den Spielen 2022 ausgewirkt hat.

Obwohl sowohl Kunstschnee als auch Naturschnee gefrorenes Wasser sind, können die meisten Skifahrer und Snowboarder sofort erkennen, dass die beiden sehr unterschiedlich sind.

Bei der traditionellen Beschneiung werden Hochdruckwasser, Druckluft und Spezialdüsen verwendet, um winzige Flüssigkeitströpfchen in die Luft zu blasen, die dann gefrieren, wenn sie auf den Boden fallen. Aber Schnee zu machen ist nicht so einfach wie dafür zu sorgen, dass die Luft kalt genug ist.

Reines Wasser gefriert nicht, bis es auf fast -40 F (-40 C) abgekühlt ist. Nur das Vorhandensein von mikroskopisch kleinen Partikeln, die im Wasser schweben, lässt es bei der bekannten Temperatur von 32 F (0 C) gefrieren. Diese Partikel, Eiskeime genannt, fungieren als eine Art Gerüst, um bei der Bildung von Eiskristallen zu helfen.

Ohne diese Partikel hat Wasser Mühe, sich in Eis zu verwandeln. Verschiedene Partikel können je nach ihrer spezifischen molekularen Konfiguration die Gefriertemperatur erhöhen oder senken.

Zwei der besten Eisbohrkerne sind Silberjodid und ein Protein, das vom Bakterium Pseudomonas syringae produziert wird. Die meisten Schneeerzeugungssysteme fügen dem Wasser eine kommerzielle Form des Bakterienproteins hinzu, um sicherzustellen, dass die meisten winzigen Tröpfchen gefrieren, bevor sie auf den Boden treffen.

Natürlicher Schnee beginnt mit einem winzigen Eiskristall auf einem Eiskern in einer Wolke. Wenn der Kristall durch die Luft fällt, verwandelt er sich langsam in eine klassische sechsseitige Schneeflocke.

Im Vergleich dazu gefriert Kunstschnee schnell aus einem einzigen Wassertropfen. Der resultierende Schnee besteht aus Milliarden winziger kugelförmiger Eiskugeln. Auf einer Skipiste mag es mit bloßem Auge wie Naturschnee aussehen, aber Natur- und Kunstschnee „fühlen“ sich sehr unterschiedlich an.

Aufgrund der Tatsache, dass die winzigen Eiskugeln ziemlich dicht zusammenstehen – und einige von ihnen möglicherweise erst gefroren sind, wenn sie den Boden berühren – ist Kunstschnee oft hart und eisig. Der frische, natürliche „Pulver“-Schnee gibt Skifahrern und Snowboardern ein fast schwereloses Gefühl, wenn sie den Berg hinunterfahren. Dies liegt vor allem daran, dass sich natürliche Schneekristalle sehr locker stapeln – eine frische Pulverschicht enthält bis zu 95 % oder mehr Luft.

Während frischer Pulverschnee das ist, wovon die meisten Amateur-Skifahrer träumen, haben olympische Skifahrer einen anderen Geschmack. Rennfahrer wollen so schnell wie möglich gleiten und ihre scharfen Kanten nutzen, um kraftvolle, enge Kurven zu fahren. Die dichten, eisigen Bedingungen von Kunstschnee sind dafür eigentlich besser. Tatsächlich fügen Rennveranstalter oft flüssiges Wasser zu Naturschnee-Rennstrecken hinzu, die gefrieren und den Läufern eine dauerhafte, konsistente Oberfläche bieten.

Eine weitere Überlegung ist, dass natürliche Schneestürme trübe, flache Beleuchtung und schlechte Sicht erzeugen – schwierige Bedingungen zum Laufen oder Springen. Starker natürlicher Schneefall wird Skirennen oft absagen, wie es bei den verschneiten Nagano-Spielen 1998 der Fall war. Auch für Läufer bieten klarer Himmel und Kunstschnee Vorteile.

Aber harter Kunstschnee hat seine Nachteile. Freestyle-Skifahrer und Snowboarder, die auf oberirdischen Schienen springen oder gleiten, scheinen aus Sicherheitsgründen die weichere Oberfläche von Naturschnee zu bevorzugen. Dies gilt auch für nordische Skifahrer, die kürzlich auf die Gefahren von Kunstschnee bei Unfällen hingewiesen haben, da die eisigen und harten Oberflächen zu mehr Verletzungen führen können.

Während olympische Athleten unterschiedliche Bedürfnisse an ihren Schnee haben, ist für die überwiegende Mehrheit der Freizeitskifahrer natürlicher Schnee viel besser. Dank der luftgefüllten Kristalle ist es viel weicher und angenehmer beim Skifahren oder Snowboarden.

Wissenschaftler versuchen seit Jahrzehnten, mehr natürlichen Schnee auf Abruf zu erzeugen. Der erste Versuch, „echten“ Schnee zu machen, bestand darin, natürliche Wolken mit Silberiodid zu impfen. Ziel war es, die Umwandlung von Feuchtigkeit in den Wolken in fallende Schneekristalle zu erleichtern. Wenn man diesen Prozess – Wegener-Bergeron-Findeisen-Prozess genannt – einfacher gestalten könnte, würde dies theoretisch die Schneefallrate erhöhen.

In der Praxis war es immer schwierig, die Wirksamkeit der Aussaat nachzuweisen. Jüngste Arbeiten mit großen Ensembles sorgfältig eingesetzter atmosphärischer Instrumente haben jedoch gezeigt, dass – für einen Bruchteil der Stürme unter den entsprechenden Bedingungen – das Impfen von Wolken mit Silberiodid tatsächlich zu einer bescheidenen Zunahme der Gesamtmenge an Schneefall führt.

Eine andere Möglichkeit, für die gar keine Gewitterwolken gesät werden müssen, besteht darin, Schneemaschinen zu bauen, die in der Lage sind, flauschige natürliche Schneekristalle zu produzieren. Wissenschaftler züchten seit vielen Jahrzehnten Schneeflocken in Labors, aber der Prozess ist knifflig und Forscher produzieren normalerweise nur wenige Flocken auf einmal. Da Eiskristalle normalerweise langsam wachsen, war es für Forscher schwierig, den Prozess auf die vielen Größenordnungen zu skalieren, die erforderlich sind, um genügend Schnee zum Skifahren zu produzieren. Aber auf der Suche nach flockigem Pulver für Skifahrer und Snowboarder haben mein Kollege Trey Alvey und ich ein Verfahren entwickelt, das mithilfe einer Technik, die den Prozess der Kristallbildung nachahmt, größere Mengen an Schneeflocken produzieren kann. Wir vermarkten es über unsere Firma namens Quantum Snow.

Die trockenen, trockenen Berge, in denen die Austragungsorte der Olympischen Winterspiele 2022 beheimatet sind, sind nicht gerade ein Skigebiet. Aber dank der Wissenschaft der Beschneiung haben die Athleten zuverlässige, wenn auch eisige Strecken, auf denen sie sich messen können. Und Sportfans können dankbar sein für die Technologie, die es ihnen ermöglicht, das Highspeed-Spektakel zu genießen, das die mutigen Seelen bei Ski- und Snowboard-Events bieten.