Thiết kế hoàn chỉnh của chiếc máy hơi nước đã ra đời từ đầu Công nguyên cách nay gần 2.000 năm. nhưng mãi đến thế kỷ 18 mới được phát triển đại trà tại châu Âu và lan nhanh sang châu Mỹ, châu Á, châu Phi theo bước chân của các nước thực dân, khởi đầu cho cuộc cách mạng công nghiệp toàn cầu. Con người lần đầu tiên đã có cái thay thế cho sức mạnh cơ bắp vốn rất mỏng manh của mình.
Năm 62 Công nguyên, thủ đô văn hóa của Đế quốc La Mã là thành phố Alexandria nằm trên bờ biển phía Bắc Ai Cập, nơi sản sinh ra những tôn giáo mới. Gần nửa thế kỷ sau triều đại Caesar Augustus, Đế quốc La Mã tiến đến gần đỉnh cao lịch sử của mình và ảnh hưởng của các tôn giáo mới bắt đầu lan nhanh ra vùng đất rộng 2,2 triệu dặm vuông này. Trong thành phố nhanh chóng xuất hiện những nghi thức thần bí mới, thậm chí người ta còn tạo ra những vị thần mới, pha trộn từ các nền văn hóa La Mã, Hy Lạp và Ai Cập.
Nhiều ngôi đền xuất hiện, tự cho mình có thể giải đáp nhiều thắc mắc về cuộc sống, thần linh và tranh nhau lôi kéo tín đồ một cách quyết liệt. Muốn được nổi bật, nhiều tu sĩ đã quay sang Heron, được mệnh danh là Mechanikos (Người máy) để giải thích những hiện tượng trong trời đất. Nhưng thần đồng Hy Lạp này đã không dựa vào các vị thần trong đền Panthéon để tạo ra những điều bất khả, mà lại dùng khoa học và kỹ thuật vốn đã bị thất truyền từ hơn 1.000 năm trước. Trong những ngôi đền cổ này, Heron sử dụng sức mạnh của nước và hơi nước để tạo ra những con chim gáy, ngọn lửa bùng lên và những bức tượng chuyển động để thu hút các môn đệ và tín đồ.
Trong khi tạo ra những phép lạ nhân tạo này, Heron đã phát minh ra cái sẽ làm thay đổi vận mạng thế giới, được gọi là aeolipile hay cỗ máy hơi nước đầu tiên của nhân loại.
Con người ở sau các cỗ máy
Cuộc đời Heron còn nhiều bí ẩn. Các nghiên cứu tin ông là người gốc Hy Lạp, sinh trong khoảng từ năm 10 đến 70 Công nguyên. Lúc còn trẻ, ông la cà tại các kệ sách của thư viện Alexandria. Heron bị ảnh hưởng mạnh từ các công trình của Ctesibius tại Alexandria, một nhà phát minh Hy Lạp khác sống tại Ai Cập. Lớn lên, ông viết nhiều quyển sách toán học và kỹ thuật với những ý tưởng có trước mình đến vài thế kỷ. Những quyển sách này chứng minh Heron là giáo sư của Đại học Alexandria.
Ông phát minh ra chiếc máy bán nước thánh tự động đầu tiên tại các ngôi đền, máy chữa lửa, máy ép thủy lực và nhiều máy móc tự động khác như: con chim biết hót, búp bê chuyển động… Ông còn phát minh chiếc máy diễn kịch kéo dài được 10’. Tiếc thay, các công trình của Heron đều bị thiêu hủy khi thư viện Alexandria bị tàn phá. Nhưng một số còn lưu lại qua các văn bản bằng tiếng Ả Rập.
Qua 7 quyển sách còn sót lại sau trận hỏa hoạn của thư viện, nhà phát minh này đã khai thác các nguyên lý về tự động, máy móc chiến tranh, các công thức để tính diện tích, thể tích và nghiên cứu về ánh sáng. Nhưng công trình nổi tiếng nhất của Heron là hai quyển sách cùng mang tên Pneumatica khảo sát sức mạnh của nước và hơi nước đầu tiên trên thế giới. Qua nhiều trang giấy, ông dùng các tượng thánh và hình vẽ để mô tả các ý tưởng cơ khí của mình.
- Xem thêm: Những phát minh vĩ đại thời trung cổ
Chẳng hạn hình số 11: “Rót rượu tại bàn thờ bằng lửa” vẽ hình một phụ nữ cầm chiếc bình và người đàn ông cầm chiếc cốc. Ở giữa họ là một bàn thờ, nơi tín đồ có thể đốt lên một ngọn lửa cúng tế. Dưới chân họ là một căn phòng chứa rượu. Khi tín đồ đốt lửa trên bàn thờ, Heron giải thích: “Không khí bên trong giãn nở ra, chạy xuống dưới bệ đỡ, tạo ra lực đẩy vào rượu chứa bên trong, chẳng có đường nào thoát ra ngoài chiếc vòi gắn vào bức tượng. Vì thế, rượu sẽ chảy ra cho đến khi tắt lửa mới dừng lại. Trong quyển Pneumatica, Heron cũng dùng nguyên lý này để mở cửa đền thờ.
Aeolipile
Nhưng tuyệt chiêu trong sách đã làm thay đổi vận mệnh thế giới là cỗ máy Aeolipile. Được dịch là “Quả cầu gió”, nó là bản vẻ của chiếc máy hơi nước đầu tiên của nhân loại. Paul Keyser, chuyên gia về kỹ thuật cổ, giải thích: “Trong ngôn ngữ của chúng ta, thiết bị của Heron là chứng minh của nguyên lý tên lửa, tức là theo nguyên lý của lực phản xạ. Quả cầu xoay để phản xạ lại hơi nước thoát ra. Nhưng Heron đã quá đẹp khi gọi nó là cỗ máy hơi nước. Bánh xe quá nhẹ nên quay rất nhanh và có thể thay thế bằng một hình trụ để lắp bánh răng”.
Đó là một quả cầu rỗng được gắn sao cho có thể quay được khi hơi nước thoát ra từ hai chiếc vòi gắn trên nắp của nồi nước sôi. Quả cầu được đổ đầy phân nửa nước bên trong, bắt đầu quay nhanh khi hơi nước tràn vào, tạo thành lực xoắn, lấy trực tiếp từ sức mạnh của hơi nước. Không rõ Heron sử dụng nó để làm gì, nhưng các nhà nghiên cứu tin là chỉ để giải trí và làm kinh ngạc mọi người giống như các món đồ chơi khác của ông.
Tác giả Harry Kitsikopoulus thuộc Đại học New York, viết trong quyển Lịch sử kinh tế của cỗ máy hơi nước đầu tiên: “Nó được dùng để tạo ra phép lạ trong các ngôi đền. Một nồi nước sôi dấu phía sau bức tượng thần linh, có ống dẫn đến hai lỗ mũi hay miệng, để tạo ra hơi thở bốc khói làm cho tín đồ run sợ”.
Một số tranh cãi về Heron là người đầu tiên phát minh ra Aeolipile. Thần tượng của ông là Ctesibius (285-222 TCN) đã từng viết nhiều khảo luận về không khí nén và sử dụng trong ống bơm. Rồi đến Vitruvius (80-15 TCN) cũng từng mô tả một công cụ được gọi là Aeolipile gồm một quả cầu kim loại, đổ vào một phần nước, đặt trên lửa cháy, tạo ra hơi nước thoát ra ở một lổ trên đỉnh. Nhưng Vitruvius không mô tả bất cứ phần nào chuyển động, có vẻ như phân biệt rất rõ ràng với công cụ của Heron.
Vitruvius mô tả Aeolipile của mình trong quyển De Architectura như là “một phát minh khoa học để khám phá sự thật linh thiêng ẩn nấp trong các quy luật trên thiên đường”, nghĩa là dùng để hiểu biết về thời tiết và sự thành hình của các đám mây. Trong khi Aeolipile của Heron dựa vào khoa học cơ bản, nằm sau sức mạnh của hơi nước. Nó còn lâu mới sánh kịp với chiếc máy hơi nước của người châu Âu trong thế kỷ 17 bởi vì chỉ tạo ra được một lực xoắn không đáng kể. Gregory Young, giáo sư Trường Cao đẳng Smith, cho biết: “Thiếu phát triển về vật liệu đã làm chậm việc sử dụng hơi nước đại trà bởi vì không ai có thể tạo ra được nồi nước sôi đủ lớn cho đến giữa thế kỷ 18”.
Với một phát minh đi trước thời đại, chiếc máy Aeolipile không thích ứng với xã hội La Mã. Quá thừa thải nô lệ để sai khiến, hoàng đế La Mã không cần phải phát triển máy móc để thay thế sức con người. Tình hình tại châu Âu cũng thế qua nhiều thế kỷ cho đến khi cuộc cách mạng công nghiệp bùng phát. Lúc đó nhu cầu vượt quá sức cung nên máy hơi nước mới có thời cơ phát triển.
Chỉ mới bắt đầu
Suốt 1.500 năm, chiếc máy Aeolipile cùng nhiều phát minh khác của Heron bị chìm trong quên lãng của thời kỳ tăm tối do Kitô giáo thống trị tại châu Âu. Đến thời Phục hưng, Giáo hội mất quyền khống chế trên khoa học, những công trình vĩ đại của Heron mới được “tái xuất giang hồ”! Năm 1543, Blasco de Garay, nhà khoa học kiêm thuyền trưởng của hải quân Tây Ban Nha, giới thiệu với Đức Giáo hoàng một cỗ máy có thể làm cho tàu chạy không cần đến sức gió! Đó là một chiếc nồi đồng nấu nước sôi, làm quay hai bánh xe đặt hai bên hông tàu, và một bánh xe tay lái đặt một bên tàu, vẫn thông dụng trong thời La Mã.
Mấy năm sau, bản dịch của quyển Pneumatica xuất hiện tại Ý, kể cả một ấn bản tại Bologna vào năm 1547. Dần dần quyển sách được phổ biến ra toàn châu Âu. Salamon de Caus, một kỹ sư người Pháp, nổi tiêng với chiếc máy hơi nước, đã từng đọc nó khi sống tại Ý. Năm 1571, nhà thần học Malthesius nói đến aelipile trong một bài thuyết giảng của mình. Đến thập niên 1640, quyển Pneumatica đã có 5 ấn bản tại nước Anh. Cuối thế kỷ 16 được đánh dấu bằng việc khám phá trở lại sức mạnh của hơi nước. Các kỹ sư trên toàn châu Âu tìm mọi cách để áp dụng nó vào cuộc sống.
Nhờ sự phổ biến rộng rãi các bản dịch công trình của Heron, aelipile trở nên phổ biến trong công chúng, và người ta dùng nó để nấu chảy thủy tinh, kim loại, cải thiện năng suất của lò sưởi. Năm 1689, kỹ sư người Anh Thomas Savery chế tạo cỗ máy hơi nước hiện đại đầu tiên trên thế giới để làm máy bơm nước ra khỏi hầm mỏ. Dùng hai nồi nước sôi, công cụ của ông tạo ra được sức bơm liên tục. Mặc dù thành công rực rở, chẳng bao lâu sau người ta phát hiện hệ thống Savery chỉ có thể hoạt động trong vùng nước cạn. Năm 1711, một nhà phát minh người Anh khác tên Thomas Newcomen cải tiến thiết kế của Savery bằng cách thêm vào một piston, tránh được nhu cầu phải tập trung áp lực hơi nước.
Chiếc máy của Newcomen lên làm bá chủ suốt 50 năm và được dùng để bơm nước ra khỏi đầm lầy, cung cấp nước cho các thành phố, vận hành các máy xay xát, mặc dù vậy nó không thể tránh được khuyết điểm, nhất là tiêu tốn quá nhiều hơi nước. Điều đó được khắc phục vào năm 1769 bởi một nhà phát minh người Scotland tên James Watt. Ông thêm một bộ ngưng tụ rời vào chiếc máy Newcomen, cho phép hình trụ hơi nước duy trì được nhiệt độ cố định.
Cải tiến của Watt làm cho máy hơi nước được phổ biến ra toàn nước Anh và lan sang Hoa Kỳ, thúc đẩy nhanh cuộc cách mạng công nghiệp. Nó được ứng dụng làm đầu kéo xe lửa và những chiếc xe hơi đầu tiên của thế giới. Đến những năm 1800, máy hơi nước lan tràn vào hầu hết các xí nghiệp, hãng sản xuất bia và máy xay lúa. Kỹ thuật đã đặt nền tảng cho mối quan hệ chặt chẽ trên khắp thế giới của ngày hôm nay.
Aeolipile, từ hình thức cho đến vận hành, hoàn toàn khác biệt với máy hơi nước sau này. Tuy nhiên, Heron đã dùng sức mạnh của hơi nước để làm chuyện thần bí và giáo dục. Ông không hề biết đứa con tinh thần của mình trong tương lai sẽ làm thay đổi cả vận mạng của thế giới.
