De komende weken staan honderden sporters op een ijsbaan in de hoop een medaille binnen te slepen tijdens de Olympische Winterspelen in Milaan. Ze hopen dan op goed ijs, maar stiekem weten we lang nog niet alles van dit materiaal. Want wat maakt ijs zo glad, en hoe leggen we een ideale ijsbaan aan? Nederlandse onderzoekers proberen deze geheimen te ontrafelen. 

‘Je kunt natuurlijk geen onderzoek doen naar het verbeteren van ijskwaliteit zonder testen te doen op een ijsbaan’, zegt promovendus Loes Heemskerk (Wetsus, Innovatielab Thialf en de Universiteit van Amsterdam). ‘En de ijsmeesters hebben liever niet dat ik te veel verander aan het ijs in Thialf tijdens het olympisch seizoen, dus hebben we een mini-Thialf in het lab.’ 

‘Je kunt andere materialen in een vergelijkbaar kristalrooster maken, maar die zijn niet zo glad’

Loes Heemskerk, Wetsus/Universiteit van Amsterdam

Met deze mini-Thialf probeert Heemskerk te bepalen wat voor effect omstandigheden als temperatuur of samenstelling van het water hebben op de ijskwaliteit. ‘Zelfs een paar procent extra mineralen of een paar graden lager of hoger kan je ijs al heel anders maken’, vertelt ze.  

Hexagonaal  

In de basis zijn de watermoleculen in ijs netjes gerangschikt, meestal in een hexagonaal kristalpatroon. Er zijn ondertussen nog 20 andere kristalstructuren van ijs beschreven, maar die vinden we vooral in de ruimte. De hexagonale vorm profiteert optimaal van de waterstofbruggen die de watermoleculen vormen. ‘Dit maakt ijs relatief sterk’, zegt Heemskerk. ‘Als je hier dan mineralen of andere moleculen tussen stopt, wordt het rooster vooral in het bovenste laagje verstoord en krijg je brosser ijs.’  

Die nette structuur is echter geen verklaring voor de gladheid van ijs. Heemskerk: ‘Je kunt andere materialen in een vergelijkbaar kristalrooster maken, maar die zijn niet zo glad. IJs is zo ongeveer het gladste materiaal dat we kennen, maar we weten nog steeds niet helemaal precies hoe dat komt.’ 

’Het is vergelijkbaar met een vloer vol kleine balletjes, daar kun je ook niet op blijven staan’

Daniël Bonn, Universiteit van Amsterdam 

Lossere laag 

Natuurlijk zijn daar wel ideeën over. Zo hebben onderzoekers al lang geleden ontdekt dat de bovenste laag van ijs heel bijzonder is. ‘De moleculen in deze laag zitten losser dan de moleculen eronder’, vertelt Daniel Bonn, hoogleraar zachte materialen en vloeistofmechanica aan de Universiteit van Amsterdam. ‘Ze hebben minder verbindingen en waterstofbruggen, dus ze kunnen vrijer bewegen. Dat is volgens mij de reden dat ijs glad is. Het is vergelijkbaar met een vloer vol kleine balletjes, daar kun je ook niet op blijven staan.’ 

Om deze theorie te testen deden Bonn en collega’s een experiment bij extreem koude temperaturen. ‘We lieten een kogeltje met constante snelheid over het ijs gaan, en maten de wrijving die ontstaat. Bij -100 graden Celcius was deze wrijving erg hoog, maar hoe warmer het werd, hoe minder wrijving en hoe gladder het ijs werd. Dat is volgens mij bewijs voor onze hypothese, want de moleculen kunnen bij hogere temperaturen beter bewegen.’ 

Wrijvingswarmte 

Maar dat is niet iedereen met hem eens. Volgens Tjerk Oosterkamp, hoogleraar kwantummechanica aan de Universiteit Leiden, speelt de wrijvingswarmte die wij zelf introduceren ook een grote rol: ‘Als je over ijs schaatst of loopt, drukt je de bovenste laag van het ijs samen. Er ontstaat warmte, en door de wrijving nog meer, waardoor het ijs een heel klein beetje smelt. Dit dunne laagje water verlaagt de wrijving, en is volgens mij en mijn collega’s de reden dat ijs zo glad is.’ 

Oosterkamp bouwde een speciale opstelling om dit effect te kunnen meten, op basis van elektrische geleiding. ‘We gingen met een schaats over een laagje ijs waar ik sensoren in had gestopt. En de gegevens over de geleiding stopten we in een computermodel dat we hadden gebouwd om de situatie te simuleren.’ Helaas bleek het model nog niet compleet. ‘De bovenste laag van ijs is zo veel meer samengeperst dan de rest van het ijs, dat het ook andere eigenschappen heeft. Deze eigenschappen moeten we eerst goed in kaart brengen en vangen in natuurkundige formules voor we het model compleet kunnen maken.’ 

’Dit dunne laagje water verlaagt de wrijving, en is volgens mij en mijn collega’s de reden dat ijs zo glad is’

Tjerk Oosterkamp, Universiteit Leiden 

Bonn blijft sceptisch: ‘In onze experimenten zien we dat ijs ook glad is als je geen wrijving introduceert. En op basis van de water-hypothese zou je ook verwachten dat er bij hogere snelheden van de kogel meer ijs smelt en de wrijving dus afneemt, maar dit zien wij ook niet in onze experimenten.’ 

Gevoelige instrumenten 

Welke theorie ook waar blijkt te zijn, voor Heemskerk telt vooral de experimentele resultaten op de ijsbaan. ‘Zo bleek uit wrijvings-experimenten dat ijs het gladst is bij -7 graden Celcius. Maar dit wisten de ijsmeesters allang, want dat hadden ze geleerd uit de feedback van schaatsers en hun eigen ervaring.’ 

‘We kijken ook naar het gevoel van de schaatsers, hoe voelt het ijs onder hun schaats?’

Loes Heemskerk, Wetsus/Universiteit van Amsterdam

Ze put dan ook uit meer dan alleen natuurkundige data. ‘We kijken ook naar het gevoel van de schaatsers, hoe voelt het ijs onder hun schaats?’ Lachend: ‘Toen ik daar voor het eerst over begon vielen mijn natuurkundige collega’s bijna om. Maar die schaatsers zijn misschien wel de gevoeligste instrumenten die we hebben.’ 

Dus zoekt ze in het lab naar de optimale samenstelling. ‘Het is altijd een balans tussen grip en glijvermogen. In de bochten moet er genoeg grip zijn om af te zetten, op het rechte stuk willen ze graag glijden.’ Het optimale glij-ijs is al redelijk bekend, dus richt Heemskerk zich nu op het ontrafelen van de grip. De beste resultaten in het lab mag ze ook proberen in het echte Thialf. 

Besparen  

De grootste les lijkt te zijn dat er niet één optimum bestaat. Heemskerk: ‘Sprinters en shorttrackers willen genoeg grip, voor de lange afstand is glijden juist belangrijk. En dan hebben we het nog niet eens gehad over omstandigheden in de hal, zoals luchtverwerking. Maar hoe meer data we verzamelen, hoe flexibeler we kunnen omgaan met al deze variaties en hoe beter we het ijs kunnen maken.’ 

’Als we onze metalen en andere machines gladder kunnen maken, kunnen we een hoop energie besparen’

Daniël Bonn, Universiteit van Amsterdam

Daarbij speelt duurzaamheid ook nog een rol, want een ijsbaan laten draaien kost veel energie. In 2024 draaide Thialf voor het eerst geen verlies, dankzij het gebruik van twee grote batterijen en 5000 zonnepanelen. ‘We willen de baan zo efficiënt mogelijk laten draaien maar toch zo goed mogelijk maken’, zegt Heemskerk.  

En de geheimen die ze daar ontrafelen kunnen nog veel meer energie besparen. ‘Het gaat uiteindelijk om het geheim van gladheid, en hoe we dit misschien ook op andere materialen kunnen toepassen’, zegt Bonn. ‘23 procent van de energie die wij wereldwijd gebruiken gaat verloren aan wrijvingsenergie. Als we onze metalen en andere machines gladder kunnen maken, kunnen we een hoop energie besparen. En als we onze sporters daarmee ook nog kunnen helpen, is dat mooi meegenomen.’