Nếu trong quá khứ chúng ta đã áp dụng dự án tủ lạnh của Albert Einstein và Leo Szilard, có lẽ tầng ozone đã không bị thủng như hiện tại.

Đây là một dự án mà ít người biết đến của Albert Einstein, và ông đã quyết tâm bỏ công sức để chế tạo tủ lạnh sau khi đọc một tin tức đau lòng trên báo.

Trích từ cuốn sách của Sam Kean, “Lời trăn trối của Caesar - Giải mã bí mật trong không khí xung quanh chúng ta”.

Một sự thật ít người biết là phát triển vũ khí hạt nhân đã mở ra cánh cửa cho sự xuất hiện của thiết bị máy tính điện tử đầu tiên cho con người. Nhưng không nhiều người biết rằng, một cách nào đó, công nghệ tủ lạnh cũng đã giúp chúng ta có được ... bom nguyên tử.

Một sáng năm 1926, Albert Einstein gần như nghẹn món trứng điểm tâm khi đọc một tin tức đau lòng 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 47 tuổi này liền gọi điện cho người bạn trẻ của mình, nhà phát minh và nhà khoa học Leo Szilard. “Chắc chắn phải có cách nào đó tốt hơn chứ”, Einstein nói.

Szilard, mặc dù chỉ là một nhà phát minh với chiều cao khiêm tốn nhưng cơ bắp chắc nịch, dù mới 28 tuổi nhưng đã khiến thiên tài Einstein phải ngưỡng mộ: sáu năm trước, Szilard đã chứng minh rằng Einstein đã sai lầm, một thành tích không phải ai cũng làm được. Szilard có khả năng biến những ý tưởng ít người hiểu thành thiết bị thực tế. Sau này, có thể coi Szilard như Thomas Edison của vật lý năng lượng cao, chính ông là người vẽ ra bản phác thảo đầu tiên của kính hiển vi electron và máy gia tốc hạt; niềm đam mê nghiên cứu khoa học đã đưa hai bộ óc lớn - Einstein và Szilard - đến với nhau.

Vào một buổi sáng, Einstein liên lạc với Szilard để cùng nhau phát minh lại cái tủ lạnh, tạo ra một thiết bị an toàn và hiệu quả hơn.

Nửa thế kỷ trước, nghiên cứu về công nghệ làm lạnh đã thu hút rất nhiều sự quan tâm từ cộng đồng khoa học. Các tiến bộ trong lĩnh vực nhiệt động lực học và nhiệt lượng đã mở ra khái niệm về “độ không tuyệt đối” - nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được; các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã tham gia vào cuộc đua để tiến gần tới giới hạn dưới cùng của nhiệt kế.

Các công trình nghiên cứu đáng chú ý nhất xoay quanh việc làm lỏng các khí gas phổ biến trong ngành khoa học: nitro, oxy, hydro, methane, carbon monoxide và nitric oxide. Trong suốt thế kỷ 19, nhóm này được biết đến với cái tên “khí vĩnh cửu”, bởi không có cách nào để làm lỏng chúng. Các nhà nghiên cứu chia thành hai nhóm, một nhóm cho rằng không thể tạo ra dung dịch khí vĩnh cửu, và một nhóm khác cho rằng có thể làm lỏng chúng bằng các phương pháp làm lạnh mới. Họ tin rằng sẽ có một phương pháp làm lạnh tuần hoàn, chia thành nhiều giai đoạn, sẽ tách nhiệt ra khỏi khí vĩnh cửu và làm lỏng chúng.

Đây là sáu bước phức tạp mà các trí tuệ lớn có thể hiểu được.

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

Vấn đề quan trọng là việc tăng thể tích sẽ đòi hỏi năng lượng. Trong trường hợp này, nguồn nhiệt lượng duy nhất mà A có thể sử dụng để tăng thể tích của mình là nhiệt lượng được giữ bên trong A. Việc này sẽ làm giảm nhiệt độ của A và khiến nó hóa lỏng ở nhiệt độ -100 độ F, khoảng -73,333 độ C.

Đây là điều thể hiện sự thông minh của giới khoa học: giai đoạn hai bao gồm một khoang khác chứa khí gas B khó làm lỏng hơn. Họ cũng nén khí B bằng piston nhưng bọc ngoài khoang không còn là nước lạnh, mà chính là dung dịch A vừa làm lỏng được. Điều này khiến nhiệt độ trong khoang B giảm xuống còn -73,333 độ C. Khi mở van cho B nở ra, B lại lấy nhiệt lượng bên trong để tăng thể tích, rồi B sẽ hóa lỏng khi nhiệt độ đạt khoảng -180 độ F, tương đương -117,778 độ C.

Sau đó, họ tiếp tục lặp lại quy trình này cho đến hết … bảng chữ cái. Khi nhiệt độ giảm xuống cực thấp, khoảng -420 độ F - tương đương -251.111 độ C, khí gas vĩnh cửu không thể chống lại nữa, và rồi cả sáu loại khí đều bị làm lỏng hết. Trong số đó, oxy lỏng có màu xanh da trời rực rỡ, giống như “dung dịch bầu trời”.

Công nghệ làm lạnh bằng khí gas vẫn là một bí ẩn trong lĩnh vực nghiên cứu, cho đến khi công ty ủ bia Guinness đầu tư vào công nghệ này vào năm 1895. Trước đó, các nhà máy ủ bia chỉ hoạt động vào mùa đông và cố gắng tích trữ bia càng nhiều càng tốt. Công nghệ làm lạnh đã giúp Guinness sản xuất bia quanh năm. Sau đó, tủ lạnh bắt đầu xuất hiện khắp nơi, và cho đến ngày nay, tủ lạnh vẫn dựa trên nguyên lý làm lạnh bằng khí gas tồn tại từ bao đời nay.

Nếu bạn mở tủ lạnh ra, bạn sẽ thấy một chuỗi ống. Bên trong các ống là một loại dung dịch, gọi là Z, có nhiệt độ sôi rất thấp. Khi bạn đặt thức ăn nóng trong tủ, Z sẽ hấp thụ nhiệt lượng và sôi. Khí Z sẽ di chuyển trong ống, mang theo nhiệt lượng của thức ăn nóng.

Tiếp theo, Z sẽ vào khoang nén, nơi piston lại xuất hiện một lần nữa, đồng thời là lý do khiến tủ lạnh của bạn kêu rên suốt ngày. Khoang nén sẽ đẩy khí Z ấm qua một loạt ống khác, cho phép Z thải nhiệt ra môi trường bên ngoài. Ở thời điểm này, khí Z đã lấy nhiệt từ thức ăn nóng và tỏa ra phòng bếp. Khi Z nguội, nó sẽ trở lại trạng thái lỏng, đi qua thiết bị giảm áp suất để Z lạnh hơn và chu trình mới bắt đầu.

Có một điều có thể khiến bạn thắc mắc: khi chúng ta làm nóng dung dịch Z, liệu mọi thứ có nóng hơn không? Thực ra, không. Dung dịch nóng lên, nhưng trong không gian kín của tủ lạnh, dung dịch Z chỉ nóng lên nhờ nhiệt từ bánh chưng rán. Nhiệt độ sôi của Z là điểm quan trọng: nhà khoa học James Watt (1736-1819) đã chỉ ra rằng khi dung dịch chuyển sang dạng khí gas, nó sẽ hấp thụ một lượng nhiệt lượng lớn không thể ngờ được.

Khi cỗ máy của James Watt gặp sự cố như vậy, đó là lỗi; nhưng trong tủ lạnh, đây lại là nguyên lý giúp tủ hoạt động như chúng ta biết. Nó có thể hấp thụ nhiệt từ đồ ăn và thải nhiệt đó ra môi trường.

Vào những năm 1920, người dân ở Châu Âu và Bắc Mỹ đã chuyển từ việc sử dụng hộp đá sang việc sử dụng tủ lạnh sử dụng khí gas. Tuy nhiên, vấn đề của họ là các chất làm lạnh như amoniac, methyl chloride và sulfur dioxide - tất cả đều là chất độc, có thể gây hậu quả, như đã được mô tả trong bài báo mà Einstein đọc vào năm 1926. Ngay cả methyl chloride còn có khả năng gây nổ một cách không đều.

Đó chính là lý do tại sao Einstein khao khát tìm ra một giải pháp tốt hơn. Ông nhận ra rằng điểm yếu của tủ lạnh hiện tại là hệ thống nén, vỏ bên ngoài dễ bị vỡ khi phải chịu áp lực lớn. Với sự hợp tác của Szilard, họ đã thiết kế một loại tủ lạnh không cần sử dụng thiết bị nén, được gọi là 'tủ lạnh hấp thụ nhiệt'.

Thiết kế của tủ lạnh khá đơn giản, chỉ cần hai dung dịch - một để hấp thụ nhiệt, một để làm lạnh - được hòa vào trong một khoang chung. Điều quan trọng là hai chất này sẽ hòa vào nhau khi nhiệt độ thấp, nhưng khi nhiệt độ tăng lên - thường là do một ngọn lửa methane nhỏ - chất làm lạnh sẽ bay hơi thành khí gas, còn dung dịch sẽ trở lại trạng thái hấp thụ nhiệt.

Khí gas làm lạnh sẽ trải qua một chuỗi quá trình. Nó sẽ chảy qua các ống và trao đổi nhiệt với ngọn lửa, khiến cho chất làm lạnh trở lại dạng lỏng. Sự hấp dẫn sẽ đẩy dung dịch vào một khay trong tủ lạnh, nơi nó tiếp tục hút nhiệt từ những thứ như bánh chưng (giả định rằng Einstein sử dụng bánh chưng để thí nghiệm vào những năm 192x). Sau đó, khi nhận đủ lượng nhiệt, dung dịch sẽ bay hơi và khí gas sẽ làm lạnh từ bánh chưng ra môi trường.

Trong quá trình chất làm lạnh thực hiện các bước trên, ngọn lửa methane đã tắt, cho phép chất hấp thụ nhiệt làm mát xuống. Nhờ sự lạnh từ bên ngoài, chất hấp thụ nhiệt sẽ càng nguội hơn, đến mức khi khí gas làm lạnh tìm đường trở về khoang ban đầu, chất hấp thụ nhiệt sẽ biến khí gas làm lạnh trở lại dạng lỏng. Khoang lại sẽ chứa một lần nữa hợp chất của dung dịch làm lạnh và dung dịch hấp thụ nhiệt, một kết hợp có thể dễ dàng tách ra bằng một ngọn lửa nhỏ.

Tóm lại, cả tủ lạnh hấp thụ nhiệt và tủ lạnh thông thường đều hoạt động dựa trên cùng một nguyên tắc, làm lạnh các vật phẩm như bánh chưng và các loại thực phẩm khác trong tủ bằng cách sử dụng khí gas. Sự khác biệt chính là ở quá trình quay vòng của chất làm lạnh.

Có vẻ như các nhà khoa học đã khám phá ra cách sử dụng lửa để làm lạnh vật phẩm. Tuy nhiên, sự kỳ diệu không đến từ ngọn lửa, mà đến từ tính chất của khí gas. Một khi hệ thống kín đã có khí gas lưu thông bên trong, tủ lạnh sẽ có khả năng biến nhiệt thành lạnh; như một ai đó từng nói, phép màu là có thật, và đó chính là việc con người hiểu biết về cách vận hành vật lý. Có thể coi tủ lạnh của Einstein-Szilard như một chiếc máy sử dụng nhiệt từ lửa để tạo ra lạnh.

Tủ lạnh của Einstein-Szilard sử dụng ba loại dung dịch và khí gas thay vì hai, điều này làm cho nó phức tạp hơn một chút. Tuy nhiên, thiết bị này vẫn tiên tiến hơn các tủ lạnh thông thường: nó không cần động cơ để hoạt động, không gây ra tiếng ồn khó chịu và ít khi gặp sự cố. Không cần điện, tủ lạnh hoạt động dựa trên lực hấp dẫn và khí methane, và không cần lo lắng về việc hàn kín tủ để tránh rò rỉ khí độc.

Nhiều người cho rằng Einstein chỉ đưa ra lời khuyên hoặc sử dụng danh tiếng của mình để thu hút sự đầu tư, trong khi công việc chính thực sự được thực hiện bởi Szilard. Nhưng đó là quan điểm sai lầm: thực tế, Einstein đã đóng góp nhiều vào việc phát triển tủ lạnh này, và cặp đôi này đã nhận được nhiều bằng sáng chế từ các phần khác nhau của thiết bị. Họ bán các bằng sáng chế này và kiếm được khoảng 750 USD, tương đương với 10.000 USD của ngày nay. Và giống như một cặp đôi hoàn hảo, hai tâm trí vĩ đại đã hợp tác với nhau.

Tương tự như một cặp đôi vợ chồng, họ thường xuyên tranh cãi với nhau. Szilard, một kỹ sư thích những thứ phức tạp, thường đưa ra các cải tiến với van và ống dẫn trong tủ lạnh; trong khi đó, Einstein, một người đơn giản và tinh tế, không thích sự phức tạp. Sự khác biệt này đã giúp họ phát triển ra các thiết bị làm mát riêng biệt, tận dụng những nguyên tắc vật lý khác nhau.

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

Đáng tiếc là không có thiết bị nào trong ba tủ lạnh Einstein-Szilard đã thành công. Thiết bị sử dụng Natri nung chảy không phù hợp với nhà bếp hàng ngày, mặc dù sau này công nghệ này được sử dụng để vận hành nhà máy năng lượng hạt nhân. Tủ lạnh sử dụng sức nước từ bồn rửa bát thất bại vì hạ tầng ở Đức không đủ để tạo ra áp lực nước cần thiết. Và tủ lạnh hấp thụ nhiệt tiêu tốn quá nhiều nhiên liệu.

Sau đó, con người đã phát hiện ra một cách thay thế cho khí gas cực độc trong tủ lạnh, đó là freon. Trong vòng một thập kỷ, freon đã thay thế các tủ lạnh trước đó và các phát minh của Einstein và Szilard đã trở thành đồ cổ. Tuy nhiên, freon cũng không an toàn; khi tủ lạnh được vứt bỏ, freon thoát ra môi trường và ảnh hưởng đến tầng ozone. Tia cực tím phá hủy phân tử clo trong freon, gây ra lỗ ozone, và việc khắc phục chúng cũng không dễ dàng. Đến lúc này, chúng ta mới nhận ra giá trị của những cái chuồng - cái chuồng mà Einstein và Szilard đã xây dựng cách đây hàng trăm năm.

Tuy nhiên, công lao của Einstein và Szilard không phải là vô ích. Einstein đã tìm được một dự án phụ để thư giãn trí óc, giúp ông tìm kiếm Thuyết Vạn vật, nhằm giải mã vũ trụ này. Đồng thời, khi hai gia đình phải chịu gánh nặng trong nền kinh tế suy đồi của Đức, Einstein không từ chối một khoản tiền khá đáng kể.

Szilard cần tiền hơn nhiều, khi ông, một người mang dòng máu Do Thái, phải rời khỏi Đức Quốc xã để định cư ở London từ năm 1933. Với tiền kiếm được từ bằng sáng chế tủ lạnh, ông có đủ thời gian để suy ngẫm về những vấn đề trong lĩnh vực vật lý.

Câu trả lời đến với Szilard vào một chiều tháng Chín năm 1933, khi ông đi ngang qua Bảo tàng Anh Quốc. Ông đã nhận ra tiềm năng của việc tách hạt neutron và nảy ra ý tưởng về phản ứng dây chuyền trong hạt nhân.

Khi Szilard bước sang bên kia đường, ông đã khám phá ra nguyên lý đứng đằng sau phản ứng dây chuyền hạt nhân. Phát minh mới này đã thay đổi quan điểm của con người về năng lượng hạt nhân và Vũ trụ, mang lại sự tin tưởng vào một thế giới có quy luật và ổn định.