Ngày xưa mà chúng ta sử dụng dự án tủ lạnh của Albert Einstein và Leo Szilard, có khi tầng ozone đã không thủng một lỗ

Lược dịch từ đoạn trích trong cuốn sách của Sam Kean, tựa đề  “Lời trăn trối của Caesar - Giải mã bí mật trong không khí quanh ta”.

Có một sự thật nhiều người biết là việc phát triển vũ khí hạt nhân đã dọn đường cho nhân loại có được thiết bị máy tính điện tử đầu tiên. Nhưng ít ai biết rằng, theo một cách nào đó, công nghệ tủ lạnh cũng lại cho phép chúng ta có được … bom nguyên tử.

Một buổi sáng năm 1926, Albert Einstein suýt nghẹn món trứng điểm tâm khi đọc được tin dữ trên báo: vài đêm trước, một gia đình ở Berlin đã chết ngạt khi tủ lạnh hỏng và khí gas độc tràn ra ngoài. Trong đau đớn, nhà vật lý học bốn mươi bảy tuổi tức tốc đánh điện cho người bạn trẻ của mình, nhà phát minh, nhà khoa học Leo Szilard. “Chắc chắn phải có cách nào đó tốt hơn chứ”, Einstein nói.

Szilard là một nhà phát minh hơi lùn nhưng thân hình chắc nịch, dù mới 28 tuổi nhưng đã khiến thiên tài Einstein phải thán phục: sáu năm trước, Szilard đã chứng minh rằng Einstein đã sai, một thành tích chẳng mấy người có thể làm được. Szilard có tài biến những ý tưởng ít người hiểu thành những thiết bị thực tế. Sau này, có thể coi Szilard như Thomas Edison của vật lý năng lượng cao, chính ông là người vẽ nên bản phác thảo đầu tiên của kính hiển vi electron và máy gia tốc hạt; tình yêu công cụ nghiên cứu khoa học cũng đem hai bộ óc lớn - Einstein và Szilard - tới với nhau.

Buổi sáng hôm ấy, Einstein gọi Szilard để cùng nhau tái phát minh lại cái tủ lạnh, cho ra đời một thiết bị tốt hơn, an toàn hơn.

Nửa thế kỷ trước, khoa học dồn rất nhiều tâm sức vào nghiên cứu công nghệ làm lạnh. Những đột phá trong nhiệt động lực học và nhiệt lượng đã đưa đến cho nhân loại khái niệm về “độ không tuyệt đối” - nhiệt độ lạnh nhất có thể đạt được; hàng loạt phòng thí nghiệm quanh thế giới tham gia vào cuộc chạy đua tới giới hạn dưới cùng của nhiệt kế.

Những công trình đáng chú ý nhất xoay quanh việc hóa lỏng một số khí gas thường thấy trong khoa học: nitro, oxy, hydro, methane, carbon monoxide và nitric oxide. Xuyên suốt thế kỷ 19, bộ sáu này từng có tên “khí vĩnh cửu”, vì khoa học không làm cách nào để hóa lỏng chúng được. Giới nghiên cứu chia ra làm hai nửa, khi một bên cho rằng không thể có được dung dịch khí vĩnh cửu, bằng cách nào đó chúng khác biệt với các vật chất khác mà ta biết. Nửa còn lại bác bỏ điều đó, cho rằng ta hoàn toàn có thể hóa lỏng chúng bằng những cách thức làm lạnh mới. Họ cho rằng sẽ có một phương pháp làm lạnh tuần hoàn nào đó, được chia ra làm nhiều giai đoạn, sẽ tách được nhiệt ra khỏi bộ sáu và hóa lỏng được chúng.

Đây là sáu bước rối rắm mà những bộ óc vĩ đại có thể luận ra được

Giai đoạn một, ta có một khoang chứa khí gas dễ hóa lỏng, hãy tạm gọi nó là A. Các nhà khoa học sẽ nén A lại bằng piston, rồi để nó nguội đi trong khoang ép được bọc bằng nước lạnh. Khi A đã nguội, họ sẽ mở van để giảm áp suất lên A, từ đó cho phép A nở ra và tăng thể tích.

Điểm mấu chốt là việc tăng thể tích sẽ cần năng lượng. Trong trường hợp này, nguồn năng lượng duy nhất A có thể sử dụng để tăng thể tích của mình là nhiệt lượng được giữ ngay bên trong A. Việc lấy nhiệt này sẽ càng khiến nhiệt độ của A xuống thấp hơn, và rồi nó sẽ hóa lỏng ở nhiệt độ -100 độ F, khoảng -73,333 độ C.

Đây mới là điểm thể hiện đầu óc khéo léo của giới khoa học: giai đoạn hai bao gồm một khoang khác chứa khí gas B khó hóa lỏng hơn. Họ cũng nén khí B lại bằng piston nhưng dung dịch làm mát bọc ngoài khoang không còn là nước lạnh, họ sử dụng chính dung dịch A vừa hóa lỏng được. Điều này khiến nhiệt độ khoang B giảm xuống còn -73,333 độ C. Tiếp tục mở van cho B nở ra, B lại lấy nhiệt lượng bên trong mình để tăng thể tích, rồi B sẽ hóa lỏng khi nhiệt độ đạt khoảng -180 độ F, tương đương -117.778 độ C.

Rồi họ tiếp tục tái hiện quy trình này cho tới hết … bảng chữ cái. Khi nhiệt độ xuống cực thấp, khoảng -420 độ F - tương đương -251.111 độ, khí gas vĩnh cửu cũng không thể cưỡng lại nữa, và rồi bộ sáu bị hóa lỏng hết. Trong số đó, oxy lỏng đẹp nhất với ánh xanh da trời lóng lánh, chẳng khác nào “dung dịch bầu trời” cả.

Việc làm lạnh bằng khí gas vẫn mập mờ trong phòng nghiên cứu, cho tới khi công ty ủ bia Guinness đầu tư vào công nghệ này hồi năm 1895. Trước thời điểm này, các nhà máy ủ bia chỉ hoạt động vào mùa đông rồi cố gắng tích trữ bia càng nhiều càng tốt. Công nghệ làm lạnh cho phép Guinness làm ra bia quanh năm suốt tháng. Rồi tủ lạnh bắt đầu xuất hiện muôn nơi, đến ngày nay, tủ lạnh vẫn dựa trên nguyên lý làm lạnh khí gas tồn tại bao đời nay.

Nếu bạn “bóc trần” tủ lạnh nhà mình ra, bạn sẽ thấy một loạt ống dẫn. Bên trong ống sẽ là một loại dung dịch, hãy tạm gọi nó là Z, với nhiệt độ sôi rất thấp. Khi đĩa bánh chưng rán để trong tủ tỏa nhiệt, Z sẽ hấp thu nhiệt lượng và sôi lên. Khí Z sẽ di chuyển trong ống, mang theo nhiệt lượng của bánh chưng rán.

Tiếp theo, Z sẽ đi vào khoang nén, tại đây ta lại thấy sự hiện diện của piston một lần nữa, và nó cũng chính là lý do khiến tủ lạnh nhà bạn cứ kêu ro ro suốt ngày. Khoang nén sẽ đẩy khí Z ấm sang một loạt ống khác, cho phép Z thải nhiệt ra môi trường bên ngoài. Ở thời điểm này, khí Z đã lấy thành công nhiệt từ bánh chưng rán và tỏa ra phòng bếp. Khi Z nguội đi, nó sẽ quay về trạng thái lỏng, đi qua thiết bị giảm áp suất để Z lạnh hơn nữa và vòng quay mới bắt đầu.

Có một điểm sẽ khiến bạn thắc mắc: chúng ta làm nóng dung dịch Z, chẳng phải mọi thứ sẽ nóng hơn sao? Thực ra là không. Dung dịch nóng lên, nhưng trong khoang kín của tủ lạnh, dung dịch Z chỉ nóng lên nhờ nhiệt từ bánh chưng rán. Nhiệt độ sôi của Z là điểm chủ chốt: nhà nghiên cứu James Watt lỗi lạc (1736-1819) đã chỉ ra rằng khi dung dịch chuyển sang dạng khí gas, nó sẽ hấp thụ một lượng năng lượng lớn không tưởng.

Khi cỗ máy của James Watt vận hành và gặp tình huống này, đó là lỗi; nhưng trong tủ lạnh, đây lại chính là nguyên lý cho phép tủ lạnh hoạt động như ta vẫn biết. Nó có thể hấp thụ nhiệt từ đồ ăn và thải nhiệt đó ra môi trường.

Đến thập niên 20, người dân Châu Âu và Bắc Mỹ đã sử dụng tủ lạnh khí gas thay cho hộp đá. Có “mỗi” vấn đề này thôi: chất làm lạnh họ sử dụng là amoniac, methyl chloride và sulfur dioxide - tất cả đều là chất kịch độc, đều có thể để lại hậu họa, như bài báo mà Einstein đã đọc được trong buổi sáng năm 1926. Thậm chí methyl chloride còn thỉnh thoảng phát nổ.

Đó là lý do tại sao Einstein mong muốn tìm ra “một cách nào đó tốt hơn”. Ông biết điểm yếu của tủ lạnh đương thời là hệ thống nén, khi mà vỏ bọc dễ nứt khi liên tục chịu áp lực lớn. Einstein và Szilard thiết kế nên tủ lạnh không cần thiết bị nén, gọi nó là “tủ lạnh hấp thụ nhiệt”.

Thiết kế của tủ cũng đơn giản thôi, cần tới hai dung dịch - một để hấp thụ nhiệt, một để làm lạnh - hòa vào nhau trong một khoang chung. Điểm mấu chốt: hai chất này hòa vào nhau khi nhiệt độ thấp, nhưng khi nhiệt độ tăng - thông thường là tăng nhiệt độ cả khoang bằng một ngọn lửa methane nhỏ - thì chất làm lạnh sẽ bay hơi thành khí gas, dung dịch sẽ chỉ còn lại dung dịch hấp thụ nhiệt.

Khí gas làm lạnh sẽ bắt đầu chuyến hành trình dài. Nó sẽ chảy vào ống và thải đi lượng nhiệt nó nhận từ ngọn lửa, bước này sẽ khiến chất làm lạnh quay trở lại dạng lỏng. Lực hấp dẫn khiến dung dịch chảy vào một khay trong tủ lạnh, tại đó nó lại tiếp tục hút nhiệt từ bánh chưng rán (giả định rằng Einstein sử dụng bánh chưng rán để làm thí nghiệm của năm 192x). Lại một lần nữa nhận nhiệt, dung dịch sẽ lại bay hơi và khí gas đó sẽ đóng vai trò tỏa nhiệt từ bánh chưng ra môi trường.

Trong khi chất làm lạnh thực hiện quá trình trên, ngọn lửa methane đã tắt, cho phép chất hấp thụ nhiệt nguội đi. Nhờ nước lạnh, chất hấp thụ nhiệt càng nguội đi, đến mức khi khí gas làm lạnh tìm lại được đường về khoang ban đầu, chất hấp thụ nhiệt biến khí gas làm lạnh về lại trạng thái lỏng. Thế là khoang lại một lần nữa chứa hợp chất của dung dịch làm lạnh và dung dịch hấp thụ nhiệt, một tổ hợp có thể được tách dễ dàng bằng một ngọn lửa nhỏ.

Nhìn chung, tủ lạnh hấp thụ nhiệt và tủ lạnh thường đều hoạt động trên cùng nguyên lý, cùng làm lạnh bánh chưng rán và các thứ khác trong tủ theo cùng một cách - đó là khí gas. Chẳng qua quá trình xoay vòng chất làm lạnh khác nhau.

Dường như các nhà khoa học đã tìm ra cách dùng lửa để … làm nguội vật thể. Nhưng ma thuật không tới từ ngọn lửa, mà tới từ tính chất của khí gas. Một khi hệ thống khép kín đã có khí gas chạy bên trong, tủ lạnh sẽ có thể làm phép biến nóng thành lạnh; như một ai đó đã từng nói, ma thuật có thật, đó chính là việc nhân loại đã biết vật lý vận hành như thế nào. Có thể coi cái tủ lạnh của Einstein-Szilard là một cỗ máy sử dụng lửa nóng để làm đá lạnh.

Tủ lạnh Einstein-Szilard sử dụng ba loại dung dịch và khí gas chứ không phải hai, nên hơi phức tạp hơn chút. Thế nhưng thiết bị của họ vẫn tiên tiến hơn tủ lạnh đương thời: nó không cần động cơ để vận hành, chẳng phát ra tiếng động lạ và không mấy khi hỏng. Không cần điện, tủ lạnh vận hành bằng lực hấp dẫn và khí methane, bên cạnh đó cũng chẳng cần phải lo lắng hàn chặt tủ vì sợ rò rỉ khí độc.

Nhiều nhà sử học cho rằng Einstein chỉ là người đưa lời khuyên về việc viết bằng sáng chếhay sử dụng tên tuổi mình để thu hút nhà đầu tư, công việc chính đều do Szilard thực hiện. Sai hết cả: thực tế, Einstein đã toát mồ hôi để chế ra được cái tủ lạnh này, và cặp bài trùng nhận về vài chục bằng sáng chế từ nhiều thành phần khác nhau của cái tủ lạnh. Họ bán bằng đi và nhận về khoảng 750 USD, tương đương 10.000 USD của thời hiện tại. Và như một cặp … vợ chồng, hai bộ óc vĩ đại mở tài khoản chung.

Và cũng như một cặp vợ chồng, họ thường xuyên hục hặc với nhau. Szilard là một kỹ sư thích những thứ phức tạp, ông thường xuyên đưa thêm van và ống dẫn vào tủ lạnh; Einstein là một cá nhân đơn giản và tinh tế, rõ ràng không thích nhiêu khê. Sự khác biệt này khiến hai thiên tài phát minh ra thiết bị làm mát của riêng họ, tận dụng những quy luật vật lý khác nhau.

Một thiết bị thay thế piston trong tủ lạnh đương thời bằng Natri nấu chảy, sử dụng nam châm để nén khí gas. Thiết bị còn lại sử dụng áp lực nước từ bồn rửa bát để vận hành một bơm chân không; bơm này sẽ làm mát bằng cách làm methanol bay hơi. Einstein gọi thiết bị chân không thứ hai là “tủ lạnh đại trà cho dân chúng”, Der Volks-Kühlschrank.

Đáng buồn là không thiết bị nào trong 3 cái tủ lạnh Einstein-Szilard thành công. Cái bơm Natri nung chảy không phù hợp với căn bếp của người thường, dù rằng sau này công nghệ bơm vừa nêu được người ta dùng để vận hành nhà máy năng lượng hạt nhân. Tủ lạnh tận dụng sức nước bồn rửa thất bại vì cơ sở hạ tầng tại Đức không đáp ứng được áp lực nước cần thiết. Còn cái tủ lạnh hấp thụ nhiệt thì tốn nhiên liệu quá.

Rồi nhân loại cũng tìm ra cách thay thế khí gas cực độc trong tủ lạnh bằng thứ khác: năm 1930, người ta phát hiện ra sự tồn tại của chất làm mát mới, không độc có tên freon. Chỉ trong vòng một thập kỷ, người ta đã chuyển sang dùng tủ lạnh mới và phát minh của Einstein và Szilard xưa kia biến thành cổ vật. Tuy nhiên, freon không an toàn đến thế; khi tủ lạnh bị ném ra bãi phế liệu, freon thoát ra môi trường và bay lên tầng bình lưu. Tia cực tím làm nguyên tử clo trong freon tách ra, để rồi nó phá hoại lớp vỏ chắn Trái Đất khỏi bức xạ Mặt Trời. Tầng ozone thủng một lỗ, nếu - và nhấn mạnh từ nếu - lành thì cũng phải mất vài thập kỷ nữa. Đến lúc mất bò rồi, ta mới nghĩ tới chuyện làm chuồng - cái chuồng mà Einstein và Szilard đã dựng lên từ trăm năm trước.

Thế nhưng Einstein và Szilard có tốn công vô ích không? Không hẳn. Einstein tìm được một dự án ngoài lề cho phép ông khuây khỏa đầu óc, ấy là chút giải lao trên chặng đường tìm kiếm Thuyết Vạn vật, thứ sẽ giúp con người giải mã được Vũ trụ này. Bên cạnh đó, khi một đôi vai phải gánh vác tới tận hai gia đình trong nền kinh tế Đức ngày một kiệt quệ, hiển nhiên Einstein không từ chối một khoản tiền kha khá.

Szilard thì còn cần tiền hơn thế, khi người đàn ông mang một phần dòng máu Do Thái phải trốn khỏi Đức Quốc xã để dời tới London vào năm 1933. Những năm tiếp theo, ông sống ít nhiều thoải mái nhờ tiền bằng sáng chế tủ lạnh, đủ thời gian để dạo bước trên vỉa hè, suy nghĩ về những thứ rất uyên bác: làm thế nào để đạt được bước đột phá tiếp theo trong vật lý học.

Câu trả lời tới với ông vào một chiều tháng Chín năm 1933, khi ông đang rảo bước gần Bảo tàng Anh Quốc. Cách thời điểm đó ít lâu, ông nghe người ta kể về thí nghiệm tách được một hạt hạ nguyên tử có tên neutron. Ông tiếp tục tự hỏi: điều gì sẽ xảy ra, nếu như nguyên tử uranium phân rã và giải phóng ra hàng loạt neutron? Những nguyên tử uranium gần đó có thể hấp thụ neutron, trở nên bất ổn, và tự giải phóng neutron của riêng chúng không? Và rồi đợt neutron tiếp theo, tiếp nữa sẽ làm phân rã thêm nhiều nguyên tử uranium nữa? Theo như lời bạn của Szilard năm xưa, với công thức nổi tiếng E=mc2, thì đây sẽ là một vòng giải phóng năng lượng khép kín và hiệu quả vô cùng …

Và khi Szilard bước sang được bên kia đường, ông đã tìm ra được nguyên lý đứng đằng sau phản ứng hạt nhân dây chuyền. Và không xấu số như cái tủ lạnh xưa kia, phát minh mới này của ông thay đổi tất cả: từ khả năng nhận thức của con người về năng lượng hạt nhân, từ việc năng lượng hạt nhân thay đổi mọi thứ, cho tới đức tin của các nhà khoa học vào một Vũ trụ có quy luật, gọn gàng, tươm tất và bất biến.

Theo Dink