Het maken van schaatsijs was altijd een ambacht van ijsmeesters met jaren ervaring. Nu proberen watertechnoloog Loes Heemskerk en natuurkundige Menno Demmenie op wetenschappelijke wijze het geheim van goed ijs te ontrafelen.
is sportverslaggever van de Volkskrant en schrijft vooral over schaatsen, atletiek en roeien.
Volgens oud-schaatscoach Henk Gemser moesten schaatsers ‘in gesprek gaan met het ijs’. Maar de ijsvloer zelf werd zelden echt bevraagd. Dat is wel waarmee wetenschapper Loes Heemskerk nu bezig is in haar promotieonderzoek naar het beste schaatsijs.
In Leeuwarden, bij watertechnologisch onderzoeksinstituut Wetsus, heeft Heemskerk voor haar zoektocht naar perfectie de ijsvloer van Thialf in het klein nagebouwd. Haar ‘tabletop Thialf’, zoals ze het noemt, bevat een vriesinstallatie met daarboven een betonnen vloertje van 150 bij 60 centimeter, ‘van hetzelfde soort beton als in Thialf’. Daarbovenop heeft ze een ijslaag opgebouwd.
Watertechnoloog Heemskerk heeft niet zonder reden de beroemde ijsbaan in Heerenveen als uitgangspunt genomen. ‘Ik doe vooral graag onderzoek naar de ijskwaliteit in Thialf omdat het daar al zo goed gaat. En dan is de vraag: wat doen ze daar precies?’ Het initiatief voor dit onderzoeksproject, dat ‘Grip op ijs’ is gedoopt, kwam ook mede vanuit de ijsbaan zelf en het daaraan verbonden Innovatielab Thialf.
Schaatsijs maken is op dit moment vooral een ambacht. Ruim zestig jaar ervaring met kunstijsbanen in Nederland – de Jaap Edenbaan in Amsterdam was in 1961 de eerste in ons land – heeft tot een behoorlijk verfijnde aanpak geleid, waarmee ijsmeesters steeds snellere ijsvloeren weten te produceren. Maar de harde wetenschap erachter is nooit eerder goed onderzocht.
Heel belangrijk voor de ijsmeesters in Thialf is de feedback die ze krijgen van de topschaatsers die er dag in dag uit trainen en er veel van hun wedstrijden rijden. Heemskerk: ‘Dat is het fijnste instrument dat een ijsmeester nu heeft. Toen ik zei dat ik die subjectieve data, de ervaring van de schaatsers, wilde toevoegen als een meetinstrument, vielen ze hier bijna van hun stoel.’
‘Hier’ is aan de Universiteit van Amsterdam, waar Heemskerk haar promotietraject doorloopt. In een leeg collegezaaltje vertelt ze samen met collega-natuurkundige en verse doctor Menno Demmenie over haar onderzoek.
Hier op het Science Park in Amsterdam zijn ze van de objectieve data, van het fundamentele onderzoek zoals Demmenie dat doet. Hij promoveerde in september met zijn proefschrift Scratching the Surface of Ice. Daarin legt hij onder meer uit hoe het kan dat minuscule krasjes in het ijs vanzelf weer dichtgroeien. En de verklaring daarvoor is dezelfde als het antwoord op de vraag waarom ijs glad is en we erop kunnen schaatsen.
Eerst neemt Demmenie een paar misverstanden uit de weg. Een wijdverbreid idee is dat schaatsen mogelijk is doordat er door de druk van het ijzer een dun laagje vloeibaar water ontstaat dat als glijmiddel functioneert.
‘Er is over ijs veel onzin geschreven. Dat maakt het een labyrint van wat wel en niet klopt. Maar dit is een van de mythes die echt totaal niet waar zijn. Bij een temperatuur van -10 graden Celsius heb je zo veel druk nodig dat je het gewicht van een olifant op een schaats moet zetten om het ijs te laten smelten.’
Maar iedereen die weleens in een strenge winter bij -10 een rondje heeft geschaatst, weet dat zo veel gewicht niet nodig is: een mens, van welk gewicht ook, rijdt zo weg. Het is dus niet de druk van het ijzer; en ook wrijving, een andere veelgehoorde theorie, verklaart het wonder van schaatsen niet.
Demmenie staat op en schetst op het bord – ‘ik hou van tekenen’ – hoe het dan wel zit. IJs heeft een unieke eigenschap: de bovenste laag moleculen ligt veel losser dan de moleculen die dieper liggen. Vergelijk het met een vloer die volledig bedekt is met knikkers, daar roetsj je zo overheen.
Natuurkundig gezien gedraagt die toplaag van het ijs zich niet als een vaste stof en evenmin als een vloeistof, legt Demmenie uit. ‘Als water vloeibaar is, dan stroomt het, maar in de bovenste laag van het ijs kunnen moleculen wel bewegen, maar ze stromen niet. Ze liggen heel los en bewegen zich over het oppervlak als een soort schuifpuzzel.’ Diffunderen, heet dat.
En hoe warmer het ijs, des te sneller die schuivende puzzelstukken kunnen bewegen, en des te lager de ‘wrijvingscoëfficiënt’. Of simpeler gesteld: ijs van -7 graden Celsius is gladder dan ijs van -100 graden.
En toch heeft het voor schaatsers geen zin om een ijsvloer te maken die maar net onder nul is. Tegen het vriespunt aan wordt de bovenlaag te zacht om goed op te schaatsen. Dan ‘ploegt’, zo zegt Demmenie, het ijzer door de toplaag. Het graaft zich in en dat zorgt voor extra weerstand.
Het gladheidsoptimum voor een schaats ligt rond die -7 graden Celsius. Dat blijkt niet alleen uit de berekeningen, maar dat was ook in de praktijk al uitgevogeld. Demmenie: ‘IJsmeesters weten dit al uit ervaring.’
Maar schaatsen is meer dan glijden. Het is ook afzetten. Grip. En dat is volgens Demmenie echt uniek aan ijs. ‘IJs is het enige materiaal dat zowel de voorwaartse beweging als zijwaartse grip kan accommoderen.’
Zeker sprinters op de langebaan, en shorttrackers niet te vergeten, hebben baat bij veel grip in de bochten. Die willen, als ze met tegen de 60 kilometer per uur linksaf scheren, dat hun messen zich een beetje ingraven. Ze moeten zich kunnen afzetten tegen de rand van een groef.
Als ijs van -7 graden optimale glijeigenschappen heeft, welke temperatuur biedt dan de ideale grip zonder al te veel aan glijvermogen in te boeten? Dat is het deelonderwerp waarnaar Heemskerk op dit moment kijkt.
In haar testopstelling in Leeuwarden trekt ze in stukken geknipte delen van een schaatsijzer over het ijs van haar model-Thialf. Ze varieert met hoeken, druk, temperatuur en meer. Want temperatuur is niet de enige factor. Ook de samenstelling van het water is van invloed op de glij- en gripeigenschappen van het ijs.
In Thialf wordt uit diepe grondlagen water opgepompt en in vier fases gezuiverd, voordat het op de betonnen vloer wordt opgevroren. Maar zo hightech is het niet overal. In Dresden, waar ze zo ongeveer het beste shorttrackijs ter wereld hebben, wordt gewoon leidingwater gebruikt. De Duitsers hebben geluk met hun kraanwater, want uiteindelijk lijken de watersamenstelling in Thialf en die in Dresden best veel op elkaar.
Er is wel één belangrijk verschil. In Dresden zitten er meer zouten in het water. Het effect daarvan – Demmenie slaat weer aan het tekenen – is dat de moleculen in de toplaag nog iets losser komen te liggen, omdat er zoutionen tussen de bovenste watermoleculen terechtkomen.
Bij -7 graden is de toplaag daardoor ietsje zachter dan in Thialf, en dat biedt de shorttrackers meer grip. Om die reden voegen de ijsmeesters in Heerenveen voor de shorttrackbaan, op het middenterrein van het ijsstadion, zouten toe aan hun gefilterde water.
Voor de langebaanschaatsers, die dit weekend in Thialf wereldbekerwedstrijden rijden, zou in de toekomst weleens ijs van verschillende temperaturen gemaakt kunnen worden.
Sinds de laatste verbouwing van het stadion, in 2015-2016, hebben de ijsmeesters de mogelijkheid om de vriesmachines voor de bochten en de rechte einden van de 400 meterbaan los van elkaar te bedienen. Het is dus mogelijk om op de rechte einden kouder ijs te prepareren, met de ideale glij-eigenschappen, en in de bochten iets warmer en dus zachter ijs te leggen en daar extra grip te bieden.
Aan de zachtheid van het ijs in de bocht zit ook ergens een grens, weet Heemskerk. ‘Als je de bochten zachter maakt, is het ijs dan nog sterk genoeg om al die druk van Kjeld Nuis in de laatste binnenbocht op te vangen?’ Dat probeert ze uit te vogelen op haar tafel-Thialf.
Experimenteren op de echte 400 meterbaan is er niet bij. Zeker in een olympisch seizoen zou het niet worden gewaardeerd als Heemskerk en de ijsmeesters zouden variëren met ijstemperaturen en watersamenstelling. ‘De schaatsers voelen het als je met het ijs gaat prutsen.’
Behalve de temperatuur en de samenstelling van het water is er nog een complicerende factor in het langebaanschaatsen: de impact van het dweilen. Dweilmachines schaven ijs af om verontreinigingen te verwijderen en brengen daarna water van 55 graden Celsius aan om een vlakke ijsvloer te creëren. Dat zorgt er echter ook voor dat de toplaag van het ijs onherroepelijk een tijdje warmer is, en dus zachter.
Niet voor niets veroorzaakte Sven Kramer in zijn hoogtijdagen vaak expres een valse start als hij direct na de dweil in actie moest komen. Zo wist hij net wat tijd te winnen, waarin het ijs weer wat kon afkoelen en opstijven.
Toch is dat dweilen nodig, want uiteindelijk slaat ijs wit uit omdat vochtdeeltjes uit de lucht aan het ijsoppervlak vastvriezen. Demmenie: ‘Dan groeien er een soort takstructuren en die steken vanaf het ijs echt omhoog. Dendrieten, noemen we die. En dat doet iets met de wrijving en met de grip.’
Het betekent dat de omstandigheden voor langebaanschaatsers, die elkaar in ritten opvolgen, nooit helemaal gelijk zijn.
De luchtvochtigheid en de beheersing daarvan zijn daarom bijna net zo belangrijk als de ijsvloer zelf. Als de lucht droog is, duurt het veel langer voordat het ijs aanslaat. In Thialf is daar al goed over nagedacht, maar toch blijft dweilen nodig. Sowieso kan de luchtvochtigheid niet te laag, want dat levert de schaatsers pijnlijke longen op.
Alleen in het lab, in een nog veel kleinere setting dan Heemskerks mini-Thialf, heeft Demmenie het voor elkaar gekregen om ijs urenlang stabiel te houden. ‘In zo’n kleine opstelling kunnen we het wel eerlijk houden.’
Heemskerk kijkt niet alleen met het oog van de topsport naar de ijsvloer. Later in haar onderzoekstraject zal ze nog inzoomen op duurzaamheid en energiebesparing. ‘Misschien zou ik kunnen bewijzen dat ijs ook met minder hard koelen perfect is voor een bepaalde discipline of afstand. Dat koelen is een enorm grote aanslag op het energieverbruik. Uiteindelijk is het toch een soort grote vriezer met de deur open.’
Demmenie ziet vanuit de huidige stand van de wetenschap nog veel meer onderzoeksrichtingen als het over schaatsen gaat. Bijvoorbeeld de interactie tussen het materiaal en de ijsvloer. Zouden schaatsers moeten variëren tussen ijzers voor zacht ijs en hard ijs? Wat is de invloed van de dikte van ijzers, en van de vorm ervan?
En, vraagt Demmenie hardop: waarom rijden we eigenlijk op ijzers van staal? De materiaalregels die vanuit de Internationale Schaatsunie (ISU) zijn gesteld bieden talloze andere mogelijkheden. Zo’n beetje de enige beperking is dat het ijzer geen motortje of ander element mag bevatten dat energie levert. Dus waarom geen glazen ijzers?
Demmenie: ‘Als ik mijn metingen op ijs met glas doe, krijg ik vergelijkbare waardes. Misschien is er wel iets dat beter werkt.’
De halsstarrigheid waarmee de schaatswereld lang weigerde om de al in de vroege jaren tachtig ontwikkelde klapschaats te accepteren, doet vermoeden dat ijzers van iets anders dan metaal niet heel snel zullen opduiken op de ijsbaan. Innovaties hebben tijd nodig.
Waar de schaatsers misschien wel oren naar hebben, is een mogelijke bijvangst van Heemskerks onderzoek. De speurtocht naar het beste ijs levert namelijk ook informatie op over minder goed geprepareerde ijsvloeren. En juist daar valt best wat mee te winnen.
Neem de komende Winterspelen in Milaan. De olympische ijsbaan, tijdelijk aangelegd in een congreshal, werd afgelopen weekend voor het eerst door schaatsers getest. De conclusie: het ijs was vrij zacht.
Pas vlak voor de Spelen hebben de Nederlanders de mogelijkheid om er weer de baan op te gaan. Hoe mooi zou het zijn als ze in de tussentijd de Milanese omstandigheden zouden kunnen ervaren op hun thuisbaan Thialf? Dat ze niet trainen op de beste baan, maar op een kopie van het ijs waarop ze in februari goud najagen.
Heemskerk: ‘In de ideale wereld zouden we straks het ijs van over de hele wereld kunnen namaken.’
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant