Thuyết giải thích sự hoàn hảo của thiên nhiên

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.

Mô hình constructal - cấu trúc kiểu cây - từ nhiều đơn vị nhỏ kết hợp thành khối lớn.

     Theo Bejan, thế giới của chúng ta không phải là fractal mà là constructal - cấu trúc kiểu cây - một nguyên lý của sự tối ưu. Ông cho rằng từ "fractal" để chỉ các hình thức mới trong đó các mẫu hình ngày càng nhỏ và lặp đi lặp lại tới vô cùng, gợi nên hướng xấu...

 Đồ vật constructal đầu tiên

     Phương pháp constructal đang bắt đầu được phổ biến trong giới kỹ sư, đặc biệt ở Mỹ và Pháp. Đối với Daniel Tondeur thuộc Phòng thí nghiệm ngành hóa 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. Daniel và cộng sự ở Nancy đã ứng dụng nó để làm ra một chiếc vòi hoa sen. Ban đầu họ lý giải mục tiêu đặt ra (giảm thiểu lực ma sát và thời gian của dòng nước trong thiết bị) bằng cách xem xét các hạn chế (lượng 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 Bernoulli về thủy dộng 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.

 Ứng dụng trong nhiều ngành

     Sylvie Lorente thuộc khoa chế tạo công trình của Viện khoa học ứng dụng quốc gia Toulouse cũng là người đã làm việc từ hai năm nay với lý thuyết mới này. Bà đã ứng dụng vào các hệ thống phân phối khí sưởi đô thị để giảm thiểu việc cản trở và mất mát khí nóng. Nhờ các phép tính toán constructal, tất cả các yếu tố như chiều dài và độ dày 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 hóa 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 của một máy thu hồi khí thải độc hại như dioxit carbon, toluen bay 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 cánh, một con số có vẻ cảm tính khó có thể tìm ra được nếu không nhờ tới lý thuyết 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 lại 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 tòa nhà mới trong đó việc đi lại của các cá nhân được thoải mái hơn, cấu trúc lại mạng internet với các dòng lưu chuyển thông tin, tối ưu hóa các dòng chảy của tiền tệ và các sản phẩm tiêu dùng, nghiên cứu hình dạng của các gene và thậm chí tăng hiệu quả của 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 đến 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 các 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 hóa của vật lý hiện đại, nó đi từ cái nhỏ nhất tới cái lớn nhất, thiết lập nên 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.

Thế giới không phải là fractal mà là constructal - S&V: Ông đã tìm ra lý thuyết này như thế nào? Adrian Bejan là giáo sư cơ khí tại Đại học Duke (Mỹ). Ông là tác giả của 140 bài báo kỹ thuật và 3 cuốn sách về nhiệt động học: "Entropy Generation through Heat and Fluid Flow", "Convection Heat Transfer" và "Advanced Engineering Thermodymnamics". - Adrian Bejan: Có chút gì đấy tình cờ. Là giáo sư ngành chế tạo chuyên về nhiệt động học, tôi luôn quan tâm tới các lĩnh vực hình học và kiến trúc truyền thống của châu Âu với các đại diện như Guistave Eiffel. Cách đây 10 năm, tôi bắt đầu làm việc với hệ thống làm lạnh trong hộp điện của máy tính. Càng gắng sức để tối ưu hóa hệ thống này, tôi càng thấy hình dạng hệ thống các luồng điện của nó lại càng giống với một cái cây với những phân nhánh ngày càng nhỏ, tinh vi hơn. Vào năm 1995 ở Nancy, trong một hội thảo của giải thưởng Nobel hóa học, llya Prigogine đã khẳng định các cấu trúc kiểu cây không phải là các cấu trúc quyết định mà chỉ là các đặc tính của một tiến trình tạm thời. Ngay lập tức tôi nghĩ rằng điều này là sai: tôi đã chứng minh rằng với một kết quả như vậy thì ngược lại cấu trúc kiểu cây chính là nguyên lý của sự tối ưu. Tôi cảm thấy rằng một mặt nào đó của việc phân tích hình học cần phải được xem xét lại. Nếu không may mắn được nghe con người vĩ đại này, tôi sẽ mãi mãi chỉ là một kỹ sư. Cho tới nay, công trình của tôi vẫn còn là lĩnh vực khá rộng lớn. - Có bất ngờ không khi một lý thuyết như thế này lại không được phát triển sớm hơn? - Đối với tôi, đó là một bí ẩn. Lý thuyết này sử dụng các phương trình có từ hơn 100 năm nay và không cần thiết tới các phép tính khổng lồ. Điều không kém ngạc nhiên là thế kỷ 19 lúc đó vẫn còn ảnh hưởng bởi trực giác của Leibniz, Maupertuis, Euler hay Lagrange, theo đó trong tất cả các tiến trình có thể thì chỉ có một tiến trình là thực sự dẫn tới việc đạt được một chi phí nhỏ nhất. Đó là một tầm nhìn lớn nằm trong các tiến trình tối ưu hóa và rất gần với phương pháp constructal. Nhưng vật lý hiện đại đã lao vào một cuộc chạy đua tới thế giới vi mô, bỏ qua thế giới vĩ mô mà chúng ta đang sống. - Phản ứng của các kỹ sư trước lý thuyết này là gì? - Ý tưởng này không hoàn toàn là mới mẻ và chỉ là sự tiếp nối của các công việc cải cách môn nhiệt động học diễn ra từ hơn 20 năm trở lại đây. Đặc biệt bởi trường phái Prigogine, trường phái bám vào miêu tả các hệ thống dòng chảy bên ngoài sự cân bằng của chúng. Lý thuyết này bắt đầu được phổ biến ở Mỹ và Rumani, quê hương của tôi. Nhưng hiện giờ phần lớn các phản ứng lại tới từ nước Pháp. Điều này cũng chẳng làm tôi ngạc nhiên lắm vì cần phải nhớ là khoa học hiện đại đã được sản sinh ra ở đất nước này trong các thế kỷ 18 và 19 với các gương mặt như Laplace, Poisson, Pourier và Carnot. - Tại sao lại chọn tên constructal? Mô hình fractal, chia sự vật ngày càng nhỏ và lặp lại vô cùng. - Tôi đã chọn cái tên như tiếng vọng của từ "fractal" được Benoit Mandelbrot sinh ra từ các động từ Latin frangere (bẻ gãy) để chỉ các hình thức mới trong đó các mẫu hình ngày càng nhỏ và lặp đi lặp lại tới vô cùng. Theo tôi, từ fractal gợi nên hướng xấu, trong khi các sự vật không chia nhỏ mà kết tụ, hợp lại từ cái nhỏ tới cái lớn. Chính vì vậy mà tôi đặt tên cho lý thuyết bắt đầu bằng động từ construere, đã trở thành "construire" trong tiếng Pháp và tiếng Rumani và "construir"trong tiếng Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha. Theo tôi, thế giới của chúng ta không phải là fractal mà là constructal. - Ngoài việc ứng dụng cho thiết kế chế tạo, phải chăng lý thuyết này cũng có tham vọng nhằm miêu tả các hình khối của tự nhiên? - Tôi thực sự tin rằng tất cả các hình khối trong tự nhiên đều đã trải qua một tiến trình tối ưu hóa. Từ các lưu vực sông cho tới những lá phổi, những hình khối tự nhiên được định đoạt bởi nguyên lý phân bố tối ưu những điều không hoàn thiện. Từ vài năm nay, tôi đã tìm lại được cái nhìn trẻ thơ của chính mình: tôi nhìn thấy các hình dạng constructal ở khắp nơi.

Nguồn Science et Vie