Thuyết giải thích sự hoàn hảo của thiên nhiên

Tìm ra sự hoàn hảo của một hệ thống để có thể làm việc một cách tối ưu nhất, đó là giấc mơ của bất cứ người kỹ sư nào. Lý thuyết của một nhà nghiên cứu người Mỹ đang hứa hẹn biến điều này thành hiện thực.

Làm thế nào để thiết kế được sơ đồ tốt nhất cho hệ thống làm lạnh, hệ thống phân phối khí sưởi hoặc chế tạo vòi sen, sao cho nó hoạt động hiệu quả nhất. Điều này quả là chẳng đơn giản. Chỉ khi phải đối mặt với trang giấy trắng, với nhiệm vụ sáng tạo ra một hình dạng mới thì người kỹ sư mới có cảm giác của một nghệ sĩ. Nếu không có phương pháp lý tính thì anh ta chỉ có thể dựa trên trực giác của cá nhân, bắt chước những ý tưởng đã có từ trước hoặc đưa ra các phép thử liên tiếp, gặp những thất bại rồi mới có thể dẫn tới kết quả nghiên cứu mong muốn. Anh ta chẳng có cách nào khác, ngoài lao vào sự ngẫu nhiên trong các phác thảo, để rồi thử từng cái một và chọn ra cái tốt nhất... mà không có bất cứ một đảm bảo nào, rằng chính sự lựa chọn là phương án tối ưu nhất. Đó là thời trước Adrian Bejan. Còn bây giờ, theo ông đã là lúc các kỹ sư thiết kế bước từ lĩnh vực nghệ thuật sang lĩnh vực khoa học. Từ năm 1995 nhà nghiên cứu người Mỹ này đã phát triển một phương pháp đơn giản, logic và hiệu quả để có thể vẽ một cách chính xác các bản thiết kế máy móc hoàn hảo nhất. Đó chính là thuyết constructal, tạm dịch là thuyết cấu trúc xây dựng.

Nếu như lý thuyết này tỏ ra rất tham vọng thì những gì liên quan tới tác giả của nó lại rất ấn tượng. Sinh ở Rumani vào năm 1948 và di cư tới Mỹ khi 19 tuổi, Adrian Bejan được đào tạo tại Viện Công nghệ Masachussets (MIT) danh tiếng. Là Giáo sư thiết kế máy móc của trường Duke ở phía bắc Caroline, ông đã nhận dược nhiều giải thưởng khoa học. Ông cũng là Giáo sư danh dự của 11 trường Đại học khác nhau trên thế giới trong đó có trường Đại học Nancy, nơi ông được giới thiệu như một "nhà khoa học tiên phong trên thế giới trong các lĩnh vực nhiệt lượng và cấu tạo các dòng chảy". Chính những lĩnh vực này giúp ông xây dựng lên thuyết cấu trúc xây dựng với một ghi nhận cũng khá bình thường: bất cứ nhiệt, dòng điện nước hay bất cứ chất lỏng nào chảy trong một mạch, một hệ thống đều bắt buộc phải gặp những lực cản trở, sự cọ xát và hạn chế của đường truyền khiến năng lượng của chúng bị dẫn tới những nơi không thể khai thác được. Ngành nhiệt động lực từ lâu đã coi sự phân tán năng lượng này như là một điều tất yếu và gọi là entropi.

Lấy ví dụ là một hệ thống làm lạnh ở một bề mặt rất nhỏ. Tất cả các kỹ sư đều biết rằng không thể hạ nhiệt độ theo cách đồng thời một lúc trên mọi điểm của bề mặt. Như vậy cần phải đặt lên bề mặt này các tấm kim loại có khả năng dẫn nhiệt cao để thu hút nhiệt độ vào mỗi điểm . Nhưng khả năng dẫn nhiệt giữa các tấm kim loại và bề mặt lại khác nhau tạo ra những chu trình chuyển nhiệt rất phức tạp, gia tăng với các tốc độ, liều lượng và thang bậc rất khác nhau. Do vậy hệ thống làm lạnh không được hoàn hảo. Tuy nhiên, thay vì bỏ qua các lực cản không thể tránh được này, Adrian Bejan đề nghị là phân phối chúng một cách tối ưu nhất thông qua phương pháp hình học. Các phương trình tính toán quá trình mất mát năng tượng này đã dược biết đến từ lâu: trong trường hợp của chu trình làm lạnh, Joseph Fourier đã lập lên một lý thuyết trao đổi nhiệt cách đây gần 200 năm. Như vậy, nếu người kỹ sư lập được một danh sách rõ ràng những "nhân vật" gây cản trở (đặc tính của các vật liệu sử dụng, kích thước của bề mặt cần làm lạnh, lượng nhiệt sản sinh, nhiệt độ tối đa của mỗi điểm...), biết được mục đích của chúng (hạ nhiệt độ ở mức tối đa) thì không có gì có thể cản trở việc nghiên cứu chi tiết những vật cản thay đổi thế nào theo phân bố của chất liệu. Ngay lập tức ghi nhận về năng tượng tiêu hao chuyển thành một nguyên lý tổng hợp, biến phương pháp hình học xa lạ thành một bài toán thuần tuý: với các mục tiêu và các vật cản như vậy thì làm thế nào để thiết lập được hình thức phân phối tất nhất các cản lực theo thời gian, không gian, mức độ và cấu trúc sao cho hiệu quả hoặc năng lượng cung cấp được tối đa?

Tìm kiếm một giải pháp trực tiếp cho vấn đề sẽ dẫn tới một ngõ cụt: mặc dù hiện tại đã có những công cụ tính toán mạnh nhưng dường như để đến đích thì vẫn còn rất nhiều khó khăn. Phương pháp constructal đưa ra cách đơn giản hoá vấn đề: trước hết là tìm kiếm hình thức tối ưu của khối lượng nhỏ nhất có thể được rồi ghép các khối lượng này thành khối lượng lớn hơn để tới hình thức tổng thể, lên đến phạm vi lớn nhất. Như vậy, đối với chu trình làm lạnh, người kỹ sư constructal bắt đầu bằng việc nghiên cứu hình học của bề mặt chữ nhật nhỏ nhất qua đó có thể thu thập được nhiệt lượng cũng như là tìm ra các dữ liệu trên bề mặt nhỏ nhất đó. Bằng việc phân tích tương đối đơn giản, người kỹ sư nhận ra rằng việc phân phối nhiệt độ thay đổi theo hình động của hình chữ nhật: các điểm nóng bị phân phối kém hơn trên bề mặt quá vuông hoặc quá phẳng. Với sự trợ giúp của phương trình Fou-rier, người kỹ sư có thể nhận ra rằng chính khu vực ở giữa có tỉ lệ phân bố nhiệt độ lớn nhất: nếu H là chiều cao của hình chữ nhật và L là chiều dài, tỉ lệ tối ưu của hình chữ nhật sẽ là: (H/L) opt = 2(kM) -1/2 trong đó k và M là các hằng số. Một hằng số được xác định bằng khả năng dẫn nhiệt của hai vật liệu và hằng số kia xác định bằng diện tích của chúng. Người kỹ sư lúc này có thể bước sang giai đoạn hai: liên kết nhiều bề mặt phụ thành một mạng tập hợp nhỏ. Cũng như thế, ở đây các định luật vật lý sẽ cho phép xác định một cách tổng thể tập hợp này trong từng chi tiết nhỏ nhất để có thể phân bố việc làm lạnh ở quy mô lớn hơn mà không cần phải xen kẽ việc tối ưu hoá giai đoạn trước đó. Như vậy, cứ từng bước một tăng phạm vi lên thì người kỹ sư sẽ tới được diện tích cần thiết và anh ta sẽ tạo được một hệ thống làm lạnh ở chế độ làm việc tối ưu nhất.

Phương pháp mới này đang bắt đầu được phổ biến trong giới kỹ sư, đặc biệt ở Mỹ và Pháp (ở Pháp hiện có khoảng chục kỹ sư đang làm việc tích cực với phương pháp mới này). "Các kỹ sư có thể tiếp cận dễ dàng với phương pháp mới này", Jocelyn aonjour thuộc Phòng thí nghiệm lạnh của Viện Nghề nghiệp và Nghệ thuật Quốc gia Paris (CNAM) cho biết: Chính nhà khoa học này cũng chỉ mới biết được phương pháp này cách đây hai năm. Đối với Daniel Tondeur thuộc Phòng thí nghiệm ngành hoá của CNRS ở Nancy thì phương pháp này khai thác triệt để các phương trình cổ điển và hầu như không phải sử dụng tới các phép tính toán lớn. Khó khăn chủ yếu là làm quen với nhận thức mới này. "Phương pháp mới này đã khiến tôi thay đổi hẳn cách nhìn nhận về nghề nghiệp. Các bước tiến của constructal mới ở giai đoạn đầu tiên nhưng đây chính là công cụ mà các kỹ sư cần", ông nói.

Daniel và các cộng sự ở Nancy đã khai thác phương pháp này để làm ra một chiếc vòi sen. Để làm được điều này, lúc đầu họ lý giải các mục tiêu đặt ra (giảm thiểu lực ma sát và thời gian của dòng nước trong thiết bị) như là các hạn chế dòng nước vào, bề mặt phủ, các lỗ phân nước, kích thước của đường dẫn nhỏ...). Tiếp đến, nhờ sự trợ giúp của các định luật vật lý (định luật của Bernouui về thuỷ động lực các dòng chảy và định luật của Poiseuille về tính lỏng bên trong của một đường ống), các kỹ sư đã từng bước suy ra các chi tiết hình học của hệ thống phân phối, đường kính ống dẫn ở các điểm nối. Và như vậy, từ mục đích và hạn chế của chiếc vòi sen, họ đã làm ra được đồ vật constructal đầu tiên trong lịch sử.

Sylvie Lorente thuộc khoa chế tạo công trình của Viện khoa học ứng dụng quốc gia Touiouse cũng là người đã làm việc từ hai năm nay với lý thuyết mới này. Bà đã ứng dụng lý thuyết này vào các hệ thống phân phối khí sưởi đô thị để giảm thiểu việc cản trơ và mất mát khí nóng. Nhờ các phép tính toán constructal, tất cả các yếu tố như chiều dài và độ dầy của đường ống, các điểm nhánh, việc gắn kết các ống dẫn có đường kính khác nhau, số lượng các đầu nối... Tóm lại là tất cả các chi tiết của hệ thống sưởi đã được rút gọn lại với mục đích tiết kiệm cao nhất. "Thật là khó để tối ưu hoá một hệ thống quá phức tạp như vậy mà không nhờ tới thuyết constructal", bà cho biết.

Tương tự, Jocelyn Bonjour cũng đã nhờ lý thuyết mới này để xác định số lượng và hình thức tối ưu các cánh cửa một máy thu hồi gas thải có nhiều chất độc hại như dioxyd carbon, toluen hay benzen. "Tôi có thể chứng tỏ rằng để khắc phục một số hạn chế trong hoạt động và sản xuất, chiếc máy thu hồi gas này phải có 12 chiếc cánh, một con số có vẻ cảm tính khó có thể tìm ra được nếu không nhờ tới lý thuyết ở constructal", ông cho biết:

Cần khẳng định rằng các lĩnh vực ứng dụng của lý thuyết mới này hầu như đã được xác định. Nó liên quan tới tất cả các hệ thống dùng cho các dòng chảy, nó cho phép suy nghĩ tại cách thiết kế máy bay bằng cách phân phối các dòng năng lượng, hình dung được các cấu trúc kiến trúc mới nhờ việc phân bố tối ưu các sức nặng cơ giới, xây dựng được các toà nhà mới trong đó việc đi lại của các cá nhân được thoải mái hơn, cấu trúc lại Internet với các dòng lưu chuyển thông tin, tối ưu hoá các dòng chảy của tiền tệ và các sản phẩm tiêu dùng, nghiên cứu hình dạng của các gen và thậm chí tăng hiệu quả các chiến thuật quân sự... Bằng cách sử dụng các phương trình dòng chảy thích hợp, chỉ cần theo nguyên lý của constructal: đơn giản, độc nhất vô nhị và hiệu quả để phân bố một cách hiệu quả nhất phép hình học sự thiếu hoàn thiện, từ những cái nhỏ nhất cho tới những cái lớn nhất.

Chính bản thân Adrian Bejan cũng bị thuyết phục bởi điều đó: thuyết của ông không thể thiếu để biến các hứa hẹn của công nghệ nano thành hiện thực. "Các công việc hiện nay mới đề cập tới khoảng phân nửa của vấn đề. Điều này cho phép chúng ta xây dựng được các máy móc có kích thước rất nhỏ rồi sau đó liên kết lại để làm được một bộ máy to hơn có thể khai thác được. Chỉ có thể nhờ sự trợ giúp của lý thuyết constructal thì công nghệ nano mới có thể sử dụng được", ông khẳng định. Như vậy đã chứng tỏ tại sao lý thuyết của Bejan đang thực sự là một cuộc cách mạng: nó đảo lộn trào lưu nhỏ bé hoá của vật lý hiện đại, nó đi từ cái nhỏ nhất tới cái lớn nhất, thiết lập lên cấu trúc vĩ mô tổng thể bắt đầu từ việc lắp ghép những cấu trúc đơn giản nhất. Nó vẽ ra một con đường hướng các kỹ sư từng bước tới sự tối ưu. Đó chính là chiếc cầu thang để bước lên thiên đường của những khối hình hoàn hảo...