Cỗ máy đóng băng nước bằng lửa của thiên tài Einstein

Tủ lạnh của Einstein và Szilard không gây độc và làm rò rỉ khí gây hại tầng ozone, nhưng quá phức tạp cho các hộ gia đình.

Một buổi sáng năm 1926, nhà bác học Albert Einstein đọc được tin tức chấn động trên báo về một gia đình ở Berlin, Đức, trong đó có cả trẻ em, chết ngạt khi nút bịt của tủ lạnh bị vỡ và khí độc tràn ra khắp nhà. Ông ngay lập tức liên lạc với người bạn Leo Szilard, một nhà khoa học, nhà phát minh trẻ, để cùng tìm cách cải tiến tủ lạnh.

Thời kỳ đó, tủ lạnh sử dụng các chất lỏng có độ sôi thấp để hạ nhiệt độ được sử dụng phổ biến trong các gia đình ở châu Âu và Bắc Mỹ. Các tủ lạnh này có nhiều đường ống chứa một loại chất lỏng có điểm sôi thấp. Chất lỏng này hấp thụ hơi nóng phát ra từ đồ ăn qua thành tủ và nóng lên đến mức sôi, hóa thành khí thoát ra qua các ống dẫn khác, mang theo nhiệt.

Einstein từng dành thời gian nghiên cứu tủ lạnh không rò rỉ khí độc. Ảnh: YouTube).

Khí này sau đó tiến vào khoang nén, được cô đọng bằng một piston. Động cơ nén tạo ra tiếng ồn đặc trưng của tủ lạnh, đẩy khí nóng qua nhiều ống sau tủ lạnh, tỏa nhiệt ra ngoài. Khí nóng dần loại bỏ hết nhiệt, cô đọng lại thành chất lỏng, chảy qua một thiết bị giảm áp và làm lạnh, bắt đầu một chu trình hấp thụ hơi nóng mới.

Ba loại khí thường dùng làm chất làm lạnh khi đó là amoniac, methyl chloride và sulfur dioxide đều là những chất độc hại. Đây chính là nguyên nhân Einstein quyết tâm phải tìm ra giải pháp tốt hơn để chế tạo tủ lạnh.

Einstein biết điểm yếu của tủ lạnh dùng trong nhà là động cơ nén, bởi nút bịt của chúng thường bị vỡ khi chịu áp suất. Vì thế, ông và Szilard chế tạo một chiếc tủ lạnh không cần động cơ nén, gọi là tủ lạnh hút nhiệt.

Với dạng tủ lạnh hút nhiệt đơn giản, có hai chất lỏng gồm chất hấp thụ và chất làm lạnh được trộn lẫn với nhau trong một khoang. Ở nhiệt độ thấp, hai chất này hòa vào nhau, nhưng nếu tăng nhiệt, thường bằng cách nung nóng khoang này với một ngọn lửa methane nhỏ, chất làm lạnh sẽ sôi và bốc hơi thành khí, tách khỏi chất hấp thụ.

Chất làm lạnh chảy qua các ống và thải nhiệt, trở lại dạng lỏng. Sau đó, nó chảy vào các kênh bên trong tủ lạnh và lại hấp thụ nhiệt từ đồ ăn, sôi lên và biến thành khí.

Trong khi đó, lửa methane ở khoang ban đầu sẽ tắt để chất hấp thụ nguội bớt. Nó tiếp tục được làm nguội bằng nước lạnh, sau đó trở nên lạnh đến mức khi chất làm lạnh trở về khoang, chất hấp thụ cô đọng nó thành dạng lỏng và hấp thụ lại. Với hỗn hợp hai chất lỏng có thể chia tách bằng lửa, một chu trình mới lại bắt đầu. "Cỗ máy đóng băng nước bằng lửa" là tên gọi khá thích hợp cho sáng chế của Einstein và Szilard.

Cơ chế làm lạnh trong tủ lạnh của Einstein-Szilard. (Đồ họa: EDN).

Tủ lạnh Einstein-Szilard thực ra sử dụng đến ba loại chất lỏng và khí, khiến chu trình trở nên phức tạp hơn một chút. Tuy nhiên, sáng chế của họ có những điểm vượt trội hơn tủ lạnh thông thường. Vì không sử dụng động cơ nên chúng không tạo tiếng ồn và hiếm khi hỏng hóc, cũng không sử dụng điện, không cần đến nút bịt dễ vỡ và gây rò rỉ khí độc.

Einstein và Szilard nhận được nhiều bằng sáng chế tại 6 quốc gia cho những thành phần khác nhau của tủ lạnh. Hai người bán được một số bằng sáng chế và thu về 750 USD (khoảng 10.000 USD hiện nay). Họ cũng phát triển thêm hai mẫu tủ lạnh mới, một loại dùng natri nấu chảy, loại kia sử dụng áp lực nước từ vòi nước trong bếp.

Số phận của loại tủ lạnh mới

Tuy nhiên, cả ba loại tủ lạnh của Einstein và Szilard cuối cùng đều không được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình. Loại tủ lạnh sử dụng nấu chảy natri không thiết thực lắm với các gian bếp thông thường. Loại sử dụng áp lực nước thất bại vì các căn hộ chung cư ở Đức có áp lực nước kém. Tủ lạnh hút nhiệt thì đốt quá nhiều nhiên liệu so với những chiếc tủ lạnh dùng động cơ nén.

Trong khi đó, vấn đề khí độc của tủ lạnh truyền thống được giải quyết vào năm 1930, khi các nhà khoa học tìm ra một loại khí làm lạnh mới không độc là Freon (chlorofluorocarbon). Chỉ trong một thập kỷ, mọi gia đình đã chuyển sang dùng loại tủ lạnh mới này, khiến các sáng chế của Einstein và Szilard trở thành dĩ vãng.

Nhưng khí Freon có một nhược điểm lớn. Khi chúng rò rỉ và thoát ra, bay lên tầng bình lưu, tia cực tím phân tách các nguyên tử clo, tạo ra các gốc tự do gây hại đến phân tử ozone. Mỗi gốc tự do clo có thể phá hủy 100.000 phân tử ozone, khiến tầng ozone bị thủng. Lỗ thủng này ngày nay vẫn tồn tại và sẽ không thể phục hồi trong vài thập kỷ. Nếu đầu tư cho phương pháp làm lạnh bằng lửa của Einstein-Szilard ngay từ đầu, con người có lẽ đã tránh được rất nhiều rắc rối trong dài hạn với tầng ozone.

Tuy nhiên, sáng chế tủ lạnh của Einstein và Szilard cũng không hoàn toàn lãng phí. Nó đem lại cho Einstein quãng thời gian tạm nghỉ cùng với một khoản tiền kha khá. Szilard cũng kiếm được số tiền đủ để ông tiếp tục đầu tư nghiên cứu. Sau này, ông đã tìm ra nguyên lý đằng sau phản ứng hạt nhân dây chuyền đầu tiên.