Dr. ing. Adrian Bejan, fondatorul teoriei constructale – românul care l-a contrazis pe laureatul Nobel Ilya Prigogine

Posted on Octombrie 28, 2013

8



adrian-bejan               Sunt fascinat de ideile „inginerului” Adrian Bejan de vreo cîţiva ani, de cînd am auzit prima dată despre el şi despre „teoria constructală”, la… radio! Ceea ce el numeşte „legea constructală„, îndrăznesc să numesc – pentru a sugera valoarea şi importanţa contribuţiei omului de ştiinţă român la cunoaşterea lumii – un adevărat „al treilea principiu al termodinamicii„. Cum, în „buna” tradiţie a românilor, ideile şi activitatea acestui mare om de ştiinţă al secolului al XXI-lea, sunt mai bine cunoscute pe mapamond decît în ţara lui, m-am bucurat să citesc un excelent interviu  cu domnia sa, realizat pentru ediţia românească a „National Geographic” de cunoscutul speolog Dr. Cristian Lascu, redactorul şef al publicaţiei. Îl reiau aici, cu convingerea că ideile Dr. Adrian Bejan, oricît de mult şi de intens ar fi difuzate, nu dăunează decît ignoranţei şi inerţiei în gîndire. Mulţumesc, totodată, autorului interviului şi conducerii revistei National Geografic România pentru acordul oferit cu generozitate. (V.G.)

Inginerul Adrian Bejan s-a născut la Galaţi în 1948. La vârsta de 19 ani s-a stabilit în SUA, iar în 1975 şi-a luat doctoratul la Massachusetts Institute of Technology. În prezent, este profesor distins J. A. Jones la Universitatea Duke, Carolina de Nord, la Departamentul Inginerie Mecanică şi Ştiinţa Materialelor. A publicat peste 470 de lucrări ştiinţifice, 23 de cărţi, este membru în numeroase asociaţii şi organisme profesionale, doctor honoris causa la 15 universităţi. După numărul de citări, se află între primii 100 de ingineri ai lumii.

Ce este legea constructală?

Legea constructală se referă la un fenomen universal din natură: generarea configuraţiilor de curgere. Atât prin organismele vii, cât şi prin structurile fizice neînsufleţite circulă felurite fluide: apă, aer, sevă, sânge, fluxuri electrice şi calorice. În tranzitul lor, fluidele au tendinţa de a curge mai uşor, pe căi de mai mare acces. Legea spune că, „pentru ca un sistem macroscopic de mărime finită să supravieţuiască în timp, configuraţia sa trebuie să evolueze astfel încât să ofere cel mai bun acces pentru curenţii care curg prin el“. În biologie, ne-am obişnuit cu gândul că supravieţuieşte întotdeauna organismul cel mai bine adaptat. Dar „cel mai bine adaptat“ are, din perspectiva legii constructale, un sens fizic clar: este acel design animal în interiorul şi exteriorul căruia curenţii curg cel mai uşor, iar curgerea locomoţiei animale este cea mai eficientă, asigurând funcţionarea motorului viu cu un consum mai mic de energie, deci de hrană.

Fenomenul generării de configuraţii de curgere este ca un film de animaţie, unde un cadru este înlocuit de un altul, în care curenţii curg cu mai mare uşurinţă.

Conceptul de design în natură este foarte răspândit şi a fost o provocare pentru spiritul uman de-a lungul istoriei, de la animalele desenate pe pereţii peşterilor până la principiile optimizării în cele mai diferite ştiinţe contemporane, precum geofizica, biologia, dinamica socială. Am trecut în revistă istoria preocupărilor pentru designul din natură în ultima parte a cărţii mele Shape and Structure, from Engineering to Nature  („Formă şi structură, de la inginerie la natură“ – Cambridge University Press, 2000). Era vorba de o cunoaştere iniţial mai contemplativă, captivantă pentru filosofi şi artişti, dar care a contribuit la perfecţionarea speciei OM-MAŞINĂ. Însă aici nu este vorba despre aşa ceva, legea constructală e diferită. Ea nu conţine termeni precum optim, maxim, minim, entropie şi nu are în vedere un proiect final sau un dat perfect, predestinat, al lucrurilor. Este o sumă de observaţii conform cărora filmul animat al desenelor curgerii, filmul evoluţiei, rulează într-o direcţie unică, fapt ce poate fi exprimat în termeni fizici, de timp şi configuraţie, de pildă.

Prin ce se deosebeşte teoria constructală de biomimetism?

Ca orice act empiric, biomimetismul începe cu observarea naturii. Ulterior, mintea face într-adevăr lucruri utile cu aceste observaţii. Observ atent cum strânge mâna omenească. Apoi fabric o unealtă care s-o copieze şi aşa ajung la o cheie franceză. Deci studiez empiric un brevet al naturii şi îl imit.

Teoria constructală are un parcurs invers în timp. La început, mintea îmi arată cum trebuie să fie un proces, fenomen obiect. Asta, mintea o face pe bază de idee pură, de principiu, în cazul de faţă legea constructală. După acest demers de gândire pură, mintea vede şi compară cu natura. Dacă previziunea coincide cu observaţia, atunci principiul este bun şi merită să fie repetat şi utilizat. Cu alte cuvinte, mai întâi îmi vine ideea, şi apoi compar cu faptele, cu natura. Aşadar, în timp ce biomimetismul funcţionează de la natură la tehnologie, legea constructală funcţionează de la principiu la natură. În anul 2000 am şi scris o carte chiar cu acest titlu.

A existat un moment când ai strigat Evrika?

În anii 1990 realizam lucrări de design fundamental, adică configuraţii noi pentru sistemele de răcire destinate echipamentelor electronice. Acestea sunt de obicei obiecte cubice sau plate, cum ar fi cutiile de computer sau laptopurile, care generează căldură în întregul lor volum şi trebuie răcite.

În ele, căldura se scurge dinspre volum către un punct de „vărsare“, nu omogen, ci printr-o reţea ce se ramifică succesiv. Mi-am dat seama că reţeaua optimă seamănă perfect cu un bazin hidrografic. Am început să reflectez la acest aspect. Ideea mi-a venit în 1995, pe când asistam la Nancy la o conferinţă pe teme de termodinamică, prezidată de laureatul Nobel Ilya Prigogine. El a spus la un moment dat că structurile de curgere de forma unui arbore sunt nondeterministe, adică nu pot fi prezise pe baza unui principiu. (Aflându-ne în Franţa, era bineînţeles de bonton ca Prigogine, un belgian, să vorbească în franceză, dar din fericire eu ştiam şi această limbă, mulţumesc Liceului Vasile Alecsandri, din Galaţi!) Când am auzit ce a spus Prigogine, am fost uluit: pe biroul meu, la Durham, toate desenele mele cu reţele în formă de arbore, legate de distribuţia căldurii, proveneau din principiu, nicidecum din faptul că mă uitasem la natură şi o descriam, o replicam, aşa cum face replicarea fractală, de exemplu. Asta ar fi însemnat empirism. Dar varianta mea reprezintă teoria. Diferenţa dintre empirism şi teorie este uriaşă, e ca diferenţa dintre alb şi negru, dintre viu şi neviu. Ambele sunt necesare, ambele sunt metode de prospecţiune a naturii şi fără ele nu există ştiinţă, nici încredere în ideile noastre. Ca inginer, eu consideram principiul de la sine înţeles. El mă ajuta să perfecţionez modelul reţelei deltaice, să urmăresc evoluţia desenului curgerii astfel încât fluidul să curgă tot mai uşor. Şi iată cum eu, un anonim, dar cu desenele curgerii mele sub braţ, mă simţeam provocat să contrazic un laureat Nobel! Am decis în acel moment să dezvolt ideea şi să comunic principiul întregii comunităţi ştiinţifice. În avionul în care am zburat de la Nancy, am scris principiul legii constructale.

De multe ori, o denumire inspirată contribuie la acreditarea unei idei noi, se pare că arta marketingului se aplică şi în ştiinţă. Termenul „constructal“ e inedit, incitant. Cum ai ajuns la el?

Se spune că ştiinţa este un fel de banc de succes, o teorie ştiinţifică, dacă e bună, se propagă ca de la om la om cu repeziciune. Eu le spun un fapt studenţilor mei, ei îl transmit mai departe. Când am descoperit structurile arborescente bazate pe principiul enunţat mai sus, în 1995, nu aveam cunoştinţe de geometrie fractală. În mica mea lume inginerească nu era nevoie de aşa ceva. Atunci, ca şi acum, eu desenez cu mintea mea, cu hârtie şi creion, nu cu algoritmi. Într-o zi, studentul meu la doctorat Marcelo Errera (acum profesor la Universitatea din Parana, Brazilia) mi-a spus despre o carte cu desene foarte asemănătoare cu ale mele. Era lucrarea lui Mandelbrot, Fractal Geometry of Nature („Geometria fractală a naturii“). Am aflat atunci care era originea cuvântului fractal al lui Mandelbrot: verbul latin frangere, care înseamnă exact acelaşi lucru ca în română: frângere. Acest cuvânt arată o transformare în timp a obiectelor: ai un băţ şi, pac!, faci din el două beţe mai mici şi aşa mai departe. Imediat i-am spus lui Marcelo că Mandelbrot a greşit direcţia de timp în latină: în loc de frangere, trebuia verbul construere (pentru că natura construieşte, nu face ţăndări), de unde constructal, nu fractal. În plus, prin definiţie, un obiect fractal este generat de repetarea unui algoritm de fracţionare, de un număr infinit de ori. Dar iată, dacă algoritmul se repetă de un număr finit de ori, obiectul „frângerii“ nu mai este fractal, ci euclidian. De exemplu, arborele pulmonar se ramifică numai de 23 de ori.

Arborii din pădure sau sistemele hidrografice se ramifică şi mai puţin, ca în desenele constructale. Deci, natura nu este fractală, ci constructală.

Am admirat adesea perfecţiunea formelor din natură, de la cochiliile de amoniţi la armonia reliefului de deasupra şi de dedesubtul pământului. Cândva am fost fascinat de tratatul lui D’Arcy Thompson On Growth and Form („Despre creştere şi formă“) – un fel de biblie a celor seduşi de designul din natură. Te-a inspirat cumva?

Am citit şi eu acel tratat, dar mult mai târziu, când am făcut teoria constructală nu-l cunoşteam. Cred că a fost mai bine aşa şi iată de ce: În 1972, când m-am plâns profesorului J. L. Smith, îndrumătorul meu de doctorat de la Massachusetts Institute of Technology, că mă simt atât de ignorant în comparaţie cu colegii mei mai vârstnici şi mai avansaţi, mi-a spus: „Ignoranţa poate fi un avantaj extraordinar, cu condiţia să fii inventiv.“ Creştere şi formă este viziunea preponderentă, ce nu poate fi pusă sub semnulîntrebării. Lucrurile au o anume formă deoarece cresc în acel anume mod. Să luăm de pildă plămânul uman. Ce poate fi mai evident? Traheea, bronhiile, bronhiolele, alveolele desenează un trunchi de arbore. Proiectul plămânului este conţinut în ADN-ul nostru. Dar tot un trunchi de arbore desenează şi o curgere pe harta deşertului, într-un sezon ploios. Al cui ADN face ca structura unui bazin hidrografic să semene cu un plămân? Creşterea şi forma sunt pe cât de intuitive, pe atât de vechi. Isaac Newton a încercat să formuleze o teorie unificatoare a designului în natură, agăţându-se de creştere. A văzut filoanele de minerale ca pe un fel de vegetale care cresc asemenea rădăcinilor unor arbori. Arborele neînsufleţit, mineral, al filoanelor seamănă cu cel însufleţit al unui copac – deci, a conchis Newton, ar trebui să pornească de la acelaşi principiu generator. Aşa este, însă creşterea este răspunsul greşit. Filoanele sunt de fapt traseele mineralizate ale curgerii fluidelor subterane din trecutul geologic. Rădăcinile arborilor sunt un fel de reţele hidrografice de azi, cu apa curgând dinspre pământ spre trunchi, şi de aici spre atmosferă, prin „delta“ ramurilor şi a frunzişului. Vegetaţia este produsul aceluiaşi fenomen natural al generării de configuraţie a curgerii precum o reţea deltaică a unui fluviu. Toate aceste proiecte ale unei curgeri se produc şi se transformă continuu, pentru a facilita accesul apei, circuitul ei în natură. Pentru a-l parafraza pe D’Arcy Thompson, teoria constructală este un tratat determinist de design în natură care ar putea fi intitulat cu succes On Flow and Form („Despre curgere şi formă“).

Ce aplicaţii are teoria constructală?

Teoria constructală ne ajută să facem două lucruri:

1. Să explicăm şi să prognozăm fenomene, procese, comportamente naturale;
2. Să proiectăm dispozitive şi procese mai bune – mai rapide, mai eficiente, mai strategice.

În prima categorie am menţionat deja arhitecturile arborescente de curgere pentru sisteme eînsufleţite, cum sunt bazinele hidrografice, arhitecturi de curgere pentru sisteme vii – am dat deja exemplul cu plămânul şi fluxul sangvin. Adaug şi proiecte urbane, structuri de curgere turbulente (turbioni), studiul fenomenelor ritmice, cum este respiraţia, creşterea cristalelor arborescente, structurile de contracţie, cum sunt crăpăturile de uscare ale nămolului, geometria conductelor naturale, locomoţia animală (zborul, alergarea, înotul), creşterea vegetaţiei, distribuţia şi dimensiunile oraşelor.

În categoria proiectării de sisteme de curgere tehnologizate, pe baza teoriei constructale, includem configuraţiile de răcire arborescente şi dendritice pentru pachete de produse electronice de mare densitate; schimbătoarele de căldură şi schimbătoarele de masă dendritice; şirurile de pile de combustie tridimensionale; proiecte pentru trafic; structuri care trebuie să preia presiuni uniforme; dimensiunile optime ale pieselor pentru vehicule; zborul mecanic; îmbunătăţirea centralelor electrice şi de refrigerare, construirea de edificii cu un volum de muncă minim… şi lista este mult mai lungă.

Dar din toate astea putem desprinde tendinţe ale proiectelor tehnologice, cum ar fi o revoluţie a „vascularizării“, adică a dezvoltării configuraţiilor de curgere la scară mare şi mică, sau o proiectare la scări multiple…

Poate toate astea sună totuşi cam abstract. Dar uite, când scriu aceste rânduri nu sunt la mine, la Universitatea Duke, ci în Burkina Fasso. Aici, pentru că este o regiune foarte aridă, se preconizează construirea unui mare sistem de irigaţii. Optimizarea reţelei de distribuţie a preţioasei ape se face prin aplicarea principiilor teoriei constructale.

Ne îndreptăm spre finalul interviului şi a venit momentul să întreb ce-l leagă pe fostul gălăţean Adrian Bejan de România, în afară de amintiri din adolescenţă?

Sunt uimit să descopăr cât de bine a fost primită teoria mea de către tinerii fizicieni, biologi, ingineri şi cercetători, dar şi de studenţi, mai ales în Europa. Cu mulţi dintre ei am colaborat la diferite lucrări, publicate în reviste de specialitate, străine şi româneşti. În 2005, Editura Academiei Române a tradus în româneşte cartea mea Forma şi structura, de la inginerie la natură.

Am avut onoarea să fiu primit ca doctor honoris causa la Universitatea „Politehnica“ Bucureşti, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, la universităţile din Iaşi şi Chişinău, la Universitatea „Ovidius”, din Constanţa, şi, nu în ultimul rând, la Universitatea „Dunării de Jos”, din Galaţi. Pe malul fluviului de unde am pornit, în viaţă… şi în baschet. De fapt, jocul cu mingea este un fenomen constructal, de generare de configuraţie de curgere a mingii, de la teren – adică o arie la coş – adică un punct –, prin intervenţiile mai multor participanţi care vor acelaşi lucru: ori să faciliteze, ori să blocheze curgerea. La fel se petrec lucrurile şi în designul societăţii şi al globalizării, care sunt de fapt cele mai recente ramificări ale teoriei constructale.

Interviu de Cristian Lascu

____________________________

Text şi foto preluate, cu amabilul acord al redacţiei, din revista

 National Geographic România,

http://www.natgeo.ro/dezbateri-globale/omul-si-viata/9186-natura-e-constructal.

______________________________

            Vezi, în plus, un articol în National Geographic  (ediţia americană), în care teoria Dr. Adrian Bejan este citată elogios în legătură cu arhitectura faimoasei catedrale Sagrada Familia,  a lui Gaudi: http://ngm.nationalgeographic.com/2010/12/big-idea/gaudi-text/2#.

Anunțuri
Posted in: Ipote(nu)ze