Viitorul va fi constructal

Or, punctul de vedere constructal ingaduie, astazi, lamurirea miezului principiului darwinian: „Pentru ca un sistem natural sa persiste in timp“, rezuma Adrian Bejan, „trebuie sa evolueze astfel incat sa asigure un acces mai simplu fluxurilor care il strabat.“ Daca biologii descriu functionarea sistemelor naturale, inginerul descrie felul in care poate fi sporita performanta acestor sisteme si este in masura sa prevada formele pe care natura are tendinta sa le modeleze in timp, deducand, prin intermediul unui rationament fizic, calea pe care ea a strabatut-o prin incercari succesive.

Plamanii umani, penele pasarilor sau crapaturile solului, toate structurile vii sau inerte pot, deci, sa fie investigate de acum inainte prin optica inginerului, adica sa fie considerate niste sisteme energetice supuse, deopotriva, unor fluxuri, unor constrangeri si unor obiective. Rationamentul constructal permite, de pilda, sa explicam de ce diametrele vaselor sanguine ale corpului nostru se reduc cu un factor constant la fiecare ramificare, de ce pasarile zboara in grup compact sau, in sfarsit, de ce matca raurilor are forma de semicerc.

• De ce azbestul încă apare în unele produse cosmetice?
• Oamenii de știință au creat cele mai subțiri spaghete din lume

World Wide Constructal
Teoria constructala s-a raspandit in Statele Unite, in Romania si, mai ales, in Franta. Sylvie Lorente, de la Departamentul de Inginerie Civila al Institutului National de Stiinte Aplicate din Toulouse, a utilizat cu succes teoria constructala in cazul retelelor de distributie a incalzirii urbane, cu scopul de a diminua frecarile si pierderile de caldura. Alt savant francez, Jocelyn Bonjour, a exploatat teoria constructala pentru a determina numarul si forma optime ale aripioarelor unei instalatii de adsorbtie a gazelor. Domeniile de aplica­re a teoriei sunt aproape infinite, intrucat ea priveste toate sistemele supuse unor curgeri. Adaptand ecuatiile la fiecare dintre fluxurile respective, este de ajuns sa urmam principiul construc­tal, care este simplu, unic si fecund: cat mai buna repartizare geometrica a imperfectiunilor, de la scarile cele mai mici, pana la cele mai mari.

Adrian Bejan este convins, chiar, ca teoria sa e necesara si pentru transpu­nerea in aplicatii practice a promisi­unilor nanotehnologiei. „Cercetarile actuale nu abordeaza decat o jumatate din problema“, spune el. „La ce slujeste construirea unor aparate de dimensiuni moleculare, cata vreme nu suntem in stare, apoi, sa le unim intr-un mecanism care sa poata fi exploatat la scara noastra de marime? Aceasta tehnologie nu va putea fi utilizata vreodata decat in complementaritate cu abordarea constructala.“ Iata, de altfel, motivul pentru care teoria lui Bejan este revolutionara: in­ver­sand curentul reductionist al fizicii moderne, ea merge de la mic spre mare; elaboreaza structura macroscopica globala plecand de la asamblarea locala a structurilor elementare; traseaza un drum rational care il calauzeste pe in­gi­ner pas cu pas, treapta cu treapta, catre desenul optim. Precum o scara ducand spre paradisul formelor perfecte…

Foto: Guliver, Mediafax

FACTS

Fact
Parintele teoriei Adrian Bejan s-a nascut la Galati in 1948 si a emigrat in Statele Unite la varsta de 19 ani. Aici a absolvit prestigiosul Massachusetts Institute of Technology, iar apoi a devenit profesor distins JA Jones de inginerie mecanica la Universitatea Duke din Carolina de Nord. Primele ipoteze care aveau sa duca la nasterea teoriei constructale au fost elabo­rate de Bejan in 1995, cand profesorul optimiza un sistem de racire a compartimentului electronic al computerelor – ocazie cu care a descoperit ca forma curentilor interni seamana cu un arbore cu ramificatii complexe, din ce in ce mai fine. Teoria a fost conceputa in timpul unei conferinte a laureatului Nobel in chimie Ilya Prigogine, cand Bejan a realizat ca structurile in forme arborescente sunt rezultatul unui proces de optimizare – idee contrara celei a reputatului chimist, care sustinea ca aceste structuri sunt aleatorii.

Cunoscuta pana acum doar de cativa initiati, teoria constructala a americanului de origine romana Adrian Bejan promite sa revolutioneze viitorul ingineriei si sa ne schimbe perceptia asupra lumii. Inca din 1995, acest cercetator a dezvoltat o metoda simpla, logica si eficienta de a desena planul perfect al aparatelor.

Cheia formelor (im)perfecte
Principiul teoriei constructale se hraneste din ideile lui Euclid, Aristotel, Leonardo Da Vinci, Darwin, D’Arcy Thompson, dar reperul cel mai insemnat al lui Adrian Bejan este lucrarea Reflectii asupra puterii focului si asupra aparatelor potrivite sa dezvolte aceasta putere, publicata de politehnistul francez Sadi Carnot, in 1824. Aici, Carnot demonstra ca randamentul masinilor este limitat de ireversibila degradare a energiei. Pornind de la aceasta constatare, Bejan a descoperit ca forma perfecta nu este naturala.

Sau, mai degraba, ca perfectiunea nu poate fi atinsa in lumea materiala decat prin optimizarea inevitabilelor ei imperfectiuni. Aceasta sintagma a fost tradusa de cercetatorul american intr-un principiu morfologic intemeiat pe termodinamica. Teoria constructala porneste de la o constatare banala: fie ca este vorba de caldura, de electricitate, de apa sau de orice alt flux care se scurge prin circui­tele unui sistem, fluxul respectiv este confruntat obligatoriu cu rezistente, frecari sau difuziuni ce deturneaza energia spre locuri in care nu poate fi exploatata. De aceea, nu exista sistem perfect. Adrian Bejan propune ca, in loc sa neglijam inevitabilele rezistente care fac sistemele imperfecte, sa ne concen­tram exclusiv asupra lor: „Pentru ca suntem condamnati la imperfectiune“, rezuma el, „singurul lucru care ne ramane de facut este sa o repartizam cat mai bine, cu ajutorul geometriei.“

Daca inginerul defineste limpede lista de constrangeri ale sistemului sau si isi precizeaza obiectivele, nimic nu-l impiedica sa studieze in detaliu felul in care variaza aceste rezistente in functie de modul cum sunt repartizate. Iar constatarea inevitabilei degradari energetice a lui Sadi Carnot este transformata intr-un principiu mobilizator, care face din geometrie singura necunoscuta a unei probleme ce a devenit pur matematica: date fiind aceste obiective si aceste constrangeri, cum poate fi elaborata forma care sa distribuie cat mai bine rezistentele la nivel de timp, spatiu, scari si structura, astfel incat randamentul sau puterea furnizata sa fie maxima?

Solutia constructala la aceasta problema este extrem de simpla: intai trebuie cautata forma optima a celui mai mic volum elementar disponibil, iar apoi urmeaza asamblarea mai multor ase­me­nea unitati intr-un volum mai mare, pana facem sa apara forma globala. Astfel, urcand progresiv scarile pana la dimensiunea dorita, inginerul da nastere unui obiect, retea sau sistem cu randa­ment maxim, o arborescenta ideala, care repartizeaza cat mai bine rezistentele.

Este un desen perfect, fiindca… este cel mai putin imperfect posibil. Natura, primul inginer constructal Dincolo de realizarea unor aparate cu cel mai performant design, este oare posibil sa explicam si sa prezicem formele naturii cu niste instrumente pur termodinamice? Pentru asta, trebuie sa regandim toate sistemele naturale ca pe niste masinarii supuse unor constrangeri si obiective specifice si, in plus, sa fim convinsi ca natura a implinit o lucrare demna de cei mai buni ingineri, optimizand formele pe care le-a generat. In secolul al XIX-lea, Charles Darwin si-a intemeiat explicarea formelor si a diversitatii speciilor vii pe procesul de selectie, insa nu a definit din punct de vedere fizic acest criteriu de adaptare.