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?
- 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.
Tia sáng (theo Science et Vie)
