phần lớn thể tích mà nó đã chiếm giữ trước đó. Nếu giữ cho xi-lanh kín, hơi nước ngưng tụ sẽ để lại một vùng chân không ở vị trí cũ. Tháo chốt ra, và toàn bộ áp lực không khí sẽ đẩy piston xuống để lấp đầy chân không, kéo theo bất cứ thứ gì được gắn với nó. Một loạt máy như vậy hoạt động cùng nhau, như các xi-lanh trong động cơ ô tô hiện đại được lắp vào một tay biên, sẽ sản sinh ra một nguồn sức mạnh ổn định. Papin nghĩ rằng các “ống trụ” của mình có thể “được áp dụng để lấy nước hoặc quặng từ các mỏ, để bắn đạn sắt qua khoảng cách lớn, để đẩy tàu đi ngược gió và vô số mục đích tương tự khác.” Trong số những khả năng này, ông quan tâm nhất đến “các tàu đi biển… Các ống trụ nhẹ của tôi sẽ không làm chậm con tàu; sẽ chiếm ít chỗ; cũng có thể được sản xuất số lượng lớn nếu một nhà máy được xây dựng và trang bị chuyên cho mục đích đó; và cuối cùng [không giống như sức người hay sức kéo của động vật], các ống trụ đó sẽ không tiêu tốn nhiên liệu trừ lúc vận hành; trong khi cập cảng, máy sẽ không tiêu tốn gì cả.”[27] Nguồn năng lượng cho động cơ của Papin không phải là hơi nước mà là áp lực không khí tác động lên vùng chân không tạo ra từ sự ngưng tụ hơi nước. Vì vậy để tăng công suất của động cơ cần một lượng hơi nước lớn
hơn trong các xi-lanh to hơn đủ để chịu được áp suất cao hơn. Thời đó, chưa ai biết cách tạo ra một cỗ máy với quy mô lớn như vậy. Papin hi vọng động cơ mới của ông có thể là yếu tố thúc đẩy sự phát triển máy móc như vậy. Trong khi giảng dạy tại Marburg, Papin kết hôn với người em gái họ góa bụa của mình và trở nên khó khăn hơn vì gánh nặng gia đình mới. Ông lại nhờ Huygens tìm cho một vị trí được trả lương cao hơn. Có lẽ do đó, vào năm 1695, ông đã được bổ nhiệm làm cố vấn cho bá tước Moritz vùng Hawai-Kassel, và đây là vị trí gần nhất với giới quý tộc của Papin. Không may thay, Bá tước Moritz không mảy may quan tâm đến việc tài trợ cho một xưởng đúc sắt hoặc một nhà xưởng chế tạo động cơ của Papin. Thay vào đó, vị lãnh chúa muốn có những đài phun nước trong khu vườn của mình giống như ở Versailles. Phục vụ cho dự án đó, Papin đã thiết kế và chế tạo một thiết bị bơm hơi nước để dẫn nước đến một bể chứa trên cao mà từ đó nó có thể chảy xuống nhờ trọng lực đến các đài phun nước của Moritz. Mất một năm để thiết kế và xây dựng hệ thống này. Nó hoạt động nhưng chỉ được một thời gian ngắn: một trong những đường ống bị vỡ. Papin thay ống mới, cũng lại vỡ. Ống nước thời đó chưa đủ khả năng chứa hơi nước áp suất cao.[28] Vị bá tước sau đó đã nghĩ ra một dự án của riêng mình, như lời Papin viết cho Leibniz vào tháng 4 năm 1698: “một kế hoạch mới, rất xứng đáng với một Ông hoàng vĩ đại, để cố gắng khám phá ra muối trong suối mặn đến từ đâu.” Để làm được điều đó, ông cần hút được “một lượng nước lớn… Tôi đã tiến hành nhiều thử nghiệm để cố áp dụng nhiệt năng cho nhiệm vụ này.” Ông xây dựng một kiểu lò mới để tạo ra những bình cổ cong lớn bằng sắt rèn và thiết kế một loại ống bễ mới để thổi lửa lò. “Và thứ này dẫn đến thứ khác,” Papin kết thư. Ông đã phải thiết kế cơ sở hạ tầng theo hướng cần gì làm nấy, do đó làm chậm và phức tạp hóa tất cả các dự án.[29] Leibniz phúc đáp ngay thư của Papin, hỏi liệu hệ thống của ông để dâng nước có dựa trên sự co thể tích, nghĩa là ngưng tụ hơi nước để tạo chân không. Papin trả lời rằng đúng vậy nhưng nó cũng sử dụng áp suất hơi trực tiếp. Ông lý giải cho Leibniz rằng những hiệu ứng [trực tiếp] này không bị giới hạn như trường hợp của lực hút.”[30] Ý Papin là động cơ của ông có hai chế độ vận hành: (1) áp lực của hơi nước giãn nở; và (2), sự co thể tích
hay lực hút - khai thác sức mạnh của áp suất không khí để lấp đầy vùng chân không cục bộ. Trong giai đoạn vận hành trực tiếp của động cơ, một lượng nước nhỏ được đổ vào một xi-lanh, một piston được lắp vào và đẩy xuống cho đến khi nó tiếp xúc với nước, một nắp thông hơi được bắt vít vào xi-lanh và một ngọn lửa được đốt bên dưới. Khi nước biến thành hơi, nó đẩy piston lên, nó có một thanh kim loại lồng lò xo giúp cố định vị trí. Cho tắt lửa và để xi-lanh nguội đi khiến hơi nước nguội dần bên trong ngưng tụ lại thành nước, tạo ra vùng chân không nơi có hơi nước trước đó. Tháo thanh giữ cho phép piston, theo cách nói của Papin, “bị toàn bộ trọng lượng của không khí nén xuống,” khiến nó trượt xuống để lại lấp đầy xilanh.[31] Piston được nối với một tay biên, cả hai hướng đi lên do hơi nước và đi xuống do áp suất không khí đều có thể được tận dụng để thực hiện các công việc hữu ích như bơm nước hoặc quay bánh guồng của tàu thuyền. Papin hiểu rằng việc ông chuyển sang sử dụng áp suất hơi trực tiếp là một cuộc cách mạng. Ông cho rằng với tình trạng của những con đường trong thời đại đó, có lẽ xe chạy bằng hơi nước sẽ không hoạt động được, nhưng “liên quan đến việc di chuyển bằng nước, tôi sẽ tự tâng bốc rằng tôi có thể đạt được mục tiêu này nhanh thôi nếu tôi có thể nhận được nhiều sự hỗ trợ hơn.”[32] Tiếc rằng Papin không thể xây dựng dù chỉ một mô hình dộng cơ hơi nước tác dụng kép theo thiết kế của mình. Vị bá tước bảo hộ Papin thờ ơ với việc đầu tư vào dự án, và Papin không có đủ vốn riêng. Điều tốt nhất ông có thể làm vào năm 1695 là xuất bản một cuốn sách về các phát minh của minh với nhan đề Collection of Various Letters Concerning Some New Machines (Bộ sưu tập các thư tín về một số máy móc mới).[33] Trong cuốn sách này, ông đã mô tả chiếc bễ Hessian của mình - một chiếc quạt quay bên trong một vỏ bọc, giống như phiên bản lớn của máy sấy tóc hiện đại nhưng không có bộ phận tạo nhiệt - và đề nghị sử dụng nó với không khí để thay thế ống bễ thông thường để luyện sắt hoặc sử dụng nó để bơm nước cho đài phun nước hoặc dập lửa. Táo bạo hơn, Papin đề xuất sử dụng động cơ hơi nước của mình để rút nước trong hầm mỏ. Cuốn sách của ông đã được đánh giá trong số phát hành năm 1695 của tạp chí Philosophical Transactions of the Royal Society of London (Văn kiện khoa học của Hiệp hội Hoàng gia London)(3) . Vì vậy những ý tưởng căn bản của ông ít nhiều
đã được lưu hành trong một số thành viên hiệp hội là độc giả của tạp chí, và gần như chắc chắn đã được biết đến rộng rãi hơn.[34] Phúc đáp Leibniz vào cuối năm 1698, Papin thông báo rằng ông đã có thể sử dụng áp lực hơi nước để “dâng nước lên tới 70 feet.” Đó là một thành tựu đáng kể, bởi một động cơ khí quyển chỉ sử dụng hơi nước để tạo chân không có giới hạn dâng nước là mười mét, độ cao tối đa mà áp suất khí quyển - 101 kPa tại mực nước biển - có thể tạo ra. Ông nhận thấy việc làm nóng hơi nước trên điểm sôi làm tăng đáng kể áp lực này. Ông nói với Leibniz điều đó có nghĩa là hơi nước là tác nhân hoạt động tốt hơn thuốc súng.[35] Papin đã đúng, những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong tương lai sẽ chứng minh điều đó, nhưng công nghệ thời đó không cho phép sử dụng hơi nước nóng hơn với áp suất cao, nhất là với nhiệt độ nóng chảy thấp của chất hàn được sử dụng để kết nối các tấm kim loại của nồi hơi: ở áp suất cao hơn, chất hàn sẽ chảy ra và rất dễ nổ nồi hơi. Năm 1698, ưu tiên của Papin để làm nhà phát minh tiên phong đã gặp nhiều thách thức. Trong khi Papin trao đổi với Leibniz, một kỹ sư người Anh tên Thomas Savery đã được cấp bằng sáng chế cho “Một phát minh mới để dâng nước và đôi khi tạo chuyển động cho đủ loại cối xay hoạt động nhờ lực đẩy của lửa, thứ sẽ có ích và tạo lợi thế lớn cho việc thoát nước mỏ, cung cấp nước cho các thị trấn và cho hoạt động của cối xay nơi không có nước và gió ổn định [cho cối xay nước hoặc cối xay gió].” Giống như Papin, động cơ của Savery kết hợp cả hệ thống hơi nước trực tiếp và áp suất khí quyển để bơm nước. Mô hình thu nhỏ mà Savery đã trình diễn trước Hiệp hội Hoàng gia vào ngày 14 tháng 6 năm 1699, đã gây ấn tượng với các thành viên của hội, nhưng cũng như Papin, Savery đã gặp khó khăn khi tạo ra một động cơ với kích thước chuẩn hoạt động không trục trặc, và để giành được sự chú ý lớn thì sẽ còn khó nữa.[36]
D 03 NGƯỜI KHỔNG LỒ MANG TƯ TƯỞNG enis Papin là một người đàn ông trung thực. Ông có thể tuyên bố rằng Thomas Savery đã đánh cắp ý tưởng của mình cho một động cơ hơi nước kép nhưng ông cũng biết rằng những ý tưởng để dâng nước lên bằng nhiệt rất phổ biến trong kỷ nguyên Khai sáng. “Tôi không nghi ngờ chuyện một ý tưởng giống như vậy có thể nảy sinh với [ông Savery] hay với những người khác mà không cần phải học lỏm từ nơi nào đó,”[1] ông đã trả lời như vậy khi nghe tin Savery được cấp bằng sáng chế vào năm 1698. Tuy nhiên, vào năm 1704, khi Leibnitz gửi cho Papin một bản phác thảo động cơ của Savery mà ông có được qua các mối quan hệ ở London, Papin nhận thấy nó rất kém hiệu quả, thậm chí có thể không vận hành được: động cơ của Savery, trong một giai đoạn trong chu kỳ bơm của nó, đã sử dụng hơi nước để thổi nước lạnh từ bể chứa, nhưng lại không có piston để ngăn nước lạnh làm ngưng tụ hơi nước. Do đó một lượng hơi nước lớn hơn nhiều phải được bơm vào bể để đẩy nước ra.[2] Sự hao phí năng lượng đó làm giảm hiệu suất của động cơ xuống dưới 1%.[3] Lò hơi của Savery cũng không được bảo vệ bằng van an toàn, thứ mà Papin đã phát minh và ứng dụng từ nhiều thập niên trước đó khi ông phát triển nồi áp suất của mình và giờ đssy thường xuyên được đưa vào các thiết kế nồi hơi của ông. Tuy nhiên, động cơ Papin cũng như Savery đều có lỗi thiết kế mà cả hai đều không có cơ hội để hoàn thiện: cả hai động cơ đều được thiết kế để điều khiển bằng tay. Trình tự phức tạp của chúng cần một người vận hành không biết mệt mỏi để mở và đóng các van khác nhau vài lần trong một phút. Leibniz đã viết cho Papin vào cuối năm 1707, khuyên ông nên tinh chỉnh thiết kế của mình để các van động cơ của ông “có thể mở và đóng lại bằng máy mà không cần con người thao tác.”[4]
Song Papin đã không có cơ hội để tinh chỉnh thiết kế của minh. Ông đã quyết định trở về Anh vào năm 1706 sau khi đánh mất sự ủng hộ từ bá tước đồng thời là người bảo trợ của ông. Bản thiết kế thuyền bánh guồng chạy bằng hơi nước trình bày trước Hiệp hội Hoàng gia London là hi vọng được tài trợ của ông. Thật không may là quan hệ gần gũi Leibniz đã gây vạ cho ông. Isaac Newton đã được bầu làm chủ tịch trọn đời của Hiệp hội Hoàng gia vào năm 1703. Cả Leibniz và Newton đều độc lập xây dựng hệ thống toán học mạnh mẽ được gọi là phép vi phân, khi Newton và những người ủng hộ ông đang đối đầu với Leibniz để chiếm ưu thế. Papin đã trình mẫu tàu hơi nước của mình cho Hiệp hội Hoàng gia vào tháng 2 năm 1707. Ông đề nghị hội hỗ trợ xây dựng một bản mẫu nặng 80 tấn, ước tính sẽ tốn 400 bảng (ngày nay là 57.000 bảng, tương đương 84.000 đô-la).[5] Nhưng một khoản tiền lớn như vậy đâu sẵn có, chưa kể hiệp hội dưới thời Newton cũng không muốn thuê lại Papin làm người phụ trách thí nghiệm. Thay vào đó, họ đề nghị trả tiền cho ông cho bất kỳ cuộc trình diễn thí nghiệm nào mà ông đưa ra, với điều kiện phải trình ý tưởng của mình ra trước để phê duyệt. Năm 1708, ban lãnh đạo hội đã đưa các thiết kế máy hơi nước của ông cho Savery, đối thủ cạnh tranh chính của ông, để đánh giá. Không có gì đáng ngạc nhiên, Savery chê bai thiết kế của Papin. Nếu Papin từng bác bỏ tính ứng dụng cực kỳ thiếu hiệu quả của Savery trong việc dùng hơi nước dễ thoát nhiệt để bơm nước lạnh thì Savery lại chỉ trích xi-lanh và piston của Papin, tuyên bố chúng sẽ không hoạt động “vì ma sát sẽ quá lớn.”[6] Trong bốn năm tiếp theo, Denis Papin đã tuyệt vọng đề nghị được thử nghiêm nhiều phát minh khác nhau - bao gồm một lò nung tiết kiệm nhiên liệu; một phương pháp thanh lọc và sưởi ấm không khí trong phòng - nhưng không nhận được bất kỳ sự quan tâm hay ủng hộ nào từ Hiệp hội Hoàng gia. Sa cơ thất thế ở London thời kỳ Stuart, ông đã biến mất khỏi lịch sử vào năm 1712.[7]
Người bạn của thợ mỏ Thomas Savery thì ít nhiều có thành tựu hơn một chút. “Một động cơ Savery tỉ lệ nhỏ có thể được chế tạo để hoạt động hiệu quả,” sử gia công nghệ Richard L. Hills đã ghi nhận như vậy. “Không còn nghi ngờ gì nữa, khi Savery trình bày các mẫu thiết kế của mình, ông ta đã khuấy động được rất nhiều thiện cảm cho dự án của mình.”[8] Ngoài việc giới thiệu
mẫu, Savery còn xuất bản một cuốn sách quảng cáo mang tên The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire (Người bạn của thợ mỏ; hay một động cơ để dâng nước lên bằng lửa), được trang trí bằng các hình minh họa những người thợ tí hon.[9] Thế nhưng động cơ Savery được chế tạo càng lớn thì nó càng hoạt động kém hiệu quả. Nó hoạt động đúng như một động cơ khí quyển, tạo ra một vùng chân không cục bộ bằng cách đổ nước lạnh lên một xi-lanh chứa hơi nước để hút nước lên khoảng 6 mét qua một đường ống. Chính vì không có van an toàn, nó chỉ có thể bơm nước cao hơn một chút bằng lực đẩy từ hơi nước trực tiếp mà không có nguy cơ làm nổ nồi hơi. “Hơi nước khi quá mạnh sẽ xé vụn tất thảy,” một người quan sát đã báo cáo lại.[10] Động cơ của Savery được dùng làm máy bơm nước cho tháp nước Tòa nhà York dọc theo sông Thames ở London và một dinh thự hoàng gia ở Kensington, Cung điện Nữ vương Anne.[11] Galloway kết luận rằng “Savery đã đánh giá quá cao khả năng của động cơ của mình và coi thường những hạn chế trong việc sử dụng nó. Ông đã làm ra vài động cơ mang nước rất tốt cho ghế của các quý ông; nhưng khi rút nước trong mỏ thì động cơ này đã thất bại hoàn toàn.”[12] Để thoát hết nước cho một mỏ sâu hay mỏ ngập thì sẽ cần từ năm đến mười động cơ Savery, bố trí nối nhau cứ 9 mét một máy, cái này nằm trên cái kia. Thêm vào đó động cơ này cực kỳ tốn than, mười động cơ như vậy hoạt động cùng lúc sẽ tiêu thụ