Thuyết giải thích sự hoàn hảo của thiên nhiên (1)

Quả trứng, một hình dạng hoàn hảo của thiên nhiên.

Các phương trình đã chứng tỏ: thiên nhiên tạo ra những hình dạng tuyệt hảo. Giờ đây con người cũng có thể đạt trình độ này nhờ học thuyết mới có tên gọi constructal của một nhà nhiệt động học tên tuổi người Mỹ, hứa hẹn một cuộc cách mạng trong thiết kế và làm thay đổi cái nhìn của chúng ta về thế giới.

Chìa khóa của sự hoàn hảo

Tìm ra chìa khóa của sự hoàn hảo của một hệ thống để có thể làm việc một cách tối ưu, đó là giấc mơ của bất cứ kỹ sư nào. Lý thuyết của nhà nghiên cứu người Mỹ Adrian Bejan 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 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 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.

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 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.

Ông xây dựng nên 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 gặp phải những lực cản, 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.

Phân phối sự không hoàn hảo

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 thông qua phương pháp hình học. Các phương trình tính toán quá trình mất năng lượng này đã được biết đến từ lâu: trong trường hợp của chu trình làm lạnh, Joseph Fourier đã lập nên 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 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 anh ta hoàn toàn có thể nghiên cứu chi tiết những vật cản thay đổi thế nào theo phân bố của vật liệu.

Như vậy, ghi nhận về năng lượng tiêu hao chuyển thành một nguyên lý tổng hợp, biến phương pháp hình học xa lạ thành một bài toán thuần túy: với các mục tiêu và vật cản như vậy thì làm thế nào để thiết lập được hình thức phân phối tốt nhất các lực cản theo thời gian, không gian, mức độ và cấu trúc sao cho hiệu quả hoặc năng lượng cung cấp được tối đa?

Đơn giản hóa vấn đề

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 hóa 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, thu thập được nhiệt lượng cũng như tìm ra các dữ liệu trên bề mặt nhỏ nhất đó. Bằng việc phân tích tương đối đơn giản, anh ta có thể thấy việc phân phối nhiệt độ thay đổi theo hình dạng của các 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 Fourier, họ nhận ra rằng chính khu vực ở giữa có tỷ lệ phân bố nhiệt độ lớn nhất: nếu H là chiều rộng của hình chữ nhật và L là chiều dài, tỷ 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 hóa 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.

(còn nữa)

Tia sáng (theo Science et Vie)