Dùng lò vi sóng hâm nóng thức ăn, tại sao đĩa bên trong cứ xoay mà không chịu đứng yên: Đố ai giải thích được

Trong không gian bếp hiện đại của mỗi gia đình Việt Nam, tiếng "ting" báo hiệu kết thúc chu trình hâm nóng của lò vi sóng đã trở nên quen thuộc, gắn liền với nhịp sống hối hả.

Chúng ta thực hiện thao tác này mỗi ngày: mở cửa lò, đặt bát canh hoặc đĩa thức ăn lên chiếc đĩa thủy tinh tròn, đóng cửa và nhấn nút. Ngay lập tức, ánh đèn vàng bật sáng và chiếc đĩa bắt đầu quay chậm rãi, mang theo thức ăn trong một vũ điệu vòng tròn đều đặn.

Hành động này nhìn thì có vẻ bình thường nhưng đằng sau chuyển động quay đơn giản ấy là tinh hoa công nghệ được hoàn thiện hơn nửa thế kỷ trong việc thuần hóa những con sóng vô hình.

Câu hỏi nhiều người thắc mắc là tại sao lò vi sóng lại cần có bàn xoay? Tại sao các kỹ sư không để thức ăn đứng yên mà hâm nóng? Và tại sao vật liệu được chọn lại là kính mà không phải kim loại hay nhựa?

Để trả lời những câu hỏi này, chúng ta cần ngược dòng thời gian về những năm 1940.

Vì sao lò vi sóng dùng đĩa xoay?

Để hiểu tại sao chiếc đĩa phải quay, trước hết chúng ta phải hiểu "kẻ thù" vô hình mà các kỹ sư thiết kế lò vi sóng phải đối mặt ngay từ những ngày đầu tiên: hiện tượng sóng dừng (standing waves) và sự phân bố năng lượng không đồng nhất.

Lò vi sóng không hoạt động giống như bếp gas hay bếp từ, nơi nhiệt được truyền dẫn từ ngoài vào trong. Thay vào đó, nó tạo ra nhiệt từ chính bên trong thực phẩm thông qua một quá trình vật lý tinh vi.

Trái tim của mọi chiếc lò vi sóng là một linh kiện điện tử chân không được gọi là magnetron. Thiết bị này có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện thành bức xạ điện từ có tần số cực cao, hay còn gọi là vi sóng.

Ở tần số này, sóng điện từ tương tác mạnh mẽ với các phân tử phân cực, mà phổ biến nhất trong thực phẩm là nước, chất béo và đường. Khi đặt trong một điện trường xoay chiều dao động 2,45 tỷ lần mỗi giây, các phân tử nước bị cưỡng bức phải liên tục xoay chiều để sắp xếp thẳng hàng với điện trường. Sự chuyển động hỗn loạn và ma sát giữa các phân tử này khi chúng va chạm vào nhau sinh ra nhiệt năng. Đây được gọi là cơ chế gia nhiệt điện môi.

Tuy nhiên, vấn đề không nằm ở việc tạo ra nhiệt, mà nằm ở cách nhiệt lượng đó được phân bố. Sóng vi ba khi được phát ra từ magnetron sẽ đi vào khoang nấu. Khoang lò thực chất là một lồng Faraday – một hộp kim loại kín được thiết kế để giữ sóng bên trong, ngăn chúng thoát ra ngoài gây hại cho người dùng và nhiễu sóng các thiết bị khác. Khi sóng chạm vào vách kim loại, chúng không bị hấp thụ mà phản xạ ngược trở lại.

Chính sự phản xạ liên tục của sóng trong một không gian kín đã tạo ra hiện tượng vật lý gọi là sóng dừng. Khi sóng tới (từ nguồn phát) gặp sóng phản xạ (từ vách lò), chúng sẽ giao thoa với nhau. Tuỳ thuộc vào pha của hai sóng tại điểm gặp gỡ, chúng sẽ tạo ra hai kết quả trái ngược:

Khi hai sóng cùng pha, biên độ của chúng cộng hưởng lại, tạo ra vùng có năng lượng cực đại. Đây được gọi là bụng sóng hay điểm nóng. Tại đây, các phân tử nước dao động dữ dội nhất, sinh ra nhiệt lượng lớn nhất.

Khi hai sóng ngược pha, chúng triệt tiêu lẫn nhau, khiến năng lượng tại điểm đó giảm xuống gần bằng không. Đây là nút sóng hay điểm lạnh. Tại vị trí này, thực phẩm hầu như không nhận được năng lượng, dẫn đến tình trạng lạnh hoặc sống nguyên.

Kết quả là trong không gian 3 chiều của khoang lò, một mạng lưới vô hình các điểm nóng và điểm lạnh được hình thành cố định, giống như những ô bàn cờ. Khoảng cách giữa một điểm nóng và một điểm lạnh lân cận có thể chỉ vài centimet.

Nếu chúng ta đặt một đĩa thức ăn đứng yên trong môi trường này, hệ quả sẽ không như ý muốn cả về mặt ẩm thực và an toàn. Một phần của món ăn nằm trúng điểm bụng sóng sẽ nhận năng lượng dồn dập, sôi sục, thậm chí cháy khét (quá nhiệt cục bộ). Trong khi đó, phần nằm ở nút sóng ngay cạnh đó vẫn lạnh tanh.

Sự gia nhiệt không đều không chỉ làm hỏng hương vị món ăn mà còn gây nguy cơ an toàn thực phẩm nghiêm trọng, khi vi khuẩn ở các vùng lạnh không bị tiêu diệt.

Bài toán đặt ra cho các kỹ sư từ giữa thế kỷ 20 là: Làm thế nào để phân phối đều năng lượng hỗn loạn này lên một đối tượng tĩnh?

Từ cỗ máy radar đến căn bếp gia đình

Để hiểu sự ra đời của đĩa xoay, chúng ta cần nhìn lại bối cảnh lịch sử của công nghệ vi sóng. Ít ai biết rằng, chiếc lò vi sóng nhỏ gọn ngày nay có "tổ tiên" là những cỗ máy radar khổng lồ dò tìm máy bay địch trong Thế chiến thứ II.

Năm 1945, Percy Spencer, một kỹ sư thiên tài nhưng chưa từng tốt nghiệp tiểu học làm việc cho tập đoàn Raytheon, đang thử nghiệm một ống magnetron năng lượng cao dùng cho radar quân sự.

Khi đứng gần thiết bị, ông nhận thấy thanh kẹo sô-cô-la trong túi áo mình bị tan chảy nhão nhoẹt, dù ông không hề cảm thấy nóng. Tò mò, ông thử tiếp với hạt ngô (chúng nổ thành bỏng ngô) và một quả trứng (nó phát nổ do áp suất nội tại). Spencer nhận ra tiềm năng nấu nướng của sóng radar và đã đệ trình bằng sáng chế đầu tiên cho lò vi sóng.

Năm 1947, Raytheon ra mắt lò vi sóng thương mại đầu tiên mang tên "Radarange". Nó là một con quái vật thực sự theo đúng nghĩa đen: cao gần 1,8 mét, nặng 340 kg và có giá 5.000 USD (tương đương hơn 50.000 USD theo thời giá hiện nay). Đối tượng khách hàng của nó không phải là các bà nội trợ, mà là các nhà hàng lớn, tàu thủy và bếp ăn quân đội.

Điều thú vị là ở những thế hệ đầu tiên này, không hề có đĩa xoay. Các kỹ sư sử dụng cánh khuấy sóng. Giải pháp này hiệu quả về mặt kỹ thuật nhưng lại rất cồng kềnh. Nó đòi hỏi hệ thống mô-tơ trên trần lò, làm tăng chiều cao và độ phức tạp của thiết bị.

Trong suốt thập niên 1950 và đầu 1960, khi lò vi sóng vẫn là thiết bị xa xỉ, kích thước lớn không phải là vấn đề quá lớn. Tuy nhiên, khi cuộc đua đưa lò vi sóng vào bếp gia đình bắt đầu, mọi thứ buộc phải thay đổi.

Bước ngoặt thực sự đến từ phía bên kia bán cầu. Nhật Bản, với văn hóa ẩm thực tinh tế và không gian sống nhỏ hẹp, đã tiếp cận công nghệ vi sóng với một tư duy khác biệt. Tập đoàn Sharp bắt đầu sản xuất lò vi sóng từ năm 1961. Các kỹ sư Nhật Bản nhận thấy rằng hệ thống cánh khuấy sóng của Mỹ quá phức tạp để thu nhỏ vào một thiết bị để bàn giá rẻ.

Khoảng giữa những năm 1964-1966, Sharp giới thiệu model R-600, được ghi nhận là lò vi sóng đầu tiên trên thế giới trang bị đĩa xoay.

Cơ chế đĩa xoay đơn giản hơn nhiều về mặt cơ khí: chỉ cần một mô-tơ nhỏ dưới đáy lò và một đĩa đỡ. Thức ăn khi xoay tròn sẽ lần lượt đi qua các điểm nóng (nhận nhiệt) và điểm lạnh (nghỉ). Quá trình dẫn nhiệt tự nhiên bên trong thức ăn sẽ giúp san sẻ nhiệt lượng từ vùng nóng sang vùng lạnh, tạo ra sự chín đều tổng thể.

Sự ra đời của đĩa xoay cùng với việc Raytheon mua lại Amana để ra mắt dòng lò vi sóng gia đình nhỏ gọn năm 1967 (giá 495 USD) đã chính thức mở ra kỷ nguyên bùng nổ của lò vi sóng. Thiết kế đĩa xoay nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn toàn cầu cho các dòng lò gia dụng vì ba lý do: rẻ hơn, dễ sửa chữa hơn, và cho phép thu gọn kích thước lò đáng kể.

Một vấn đề khác là chất liệu của đĩa xoay. Nếu đĩa làm bằng vật liệu hấp thụ sóng, nó sẽ nóng lên nhanh chóng, cạnh tranh năng lượng với thức ăn, gây lãng phí điện và nguy hiểm cho người dùng khi chạm vào.

Nếu đĩa làm bằng kim loại, nó sẽ phản xạ sóng, gây chắn sóng không cho thức ăn phía dưới chín, đồng thời tạo ra nguy cơ phóng điện giữa đĩa và vách lò, có thể phá hỏng magnetron.

Kính (thủy tinh) là ứng cử viên hoàn hảo. Cấu trúc phân tử của nó không phản ứng với tần số 2.45 GHz mà lò vi sóng sửa dụng, cho phép sóng đi xuyên qua để nấu chín thức ăn từ phía dưới, trong khi bản thân đĩa vẫn tương đối mát.

Ngày nay, phần lớn đĩa xoay lò vi sóng phổ thông được làm từ kính cường lực. Lý do là nó đủ bền để chịu được va đập trong quá trình rửa dọn hàng ngày và giá thành hợp lý.

Ngoài tính chất vật lý, kính còn ưu việt hơn nhựa ở khía cạnh vệ sinh. Nhựa, dù là loại chịu nhiệt, vẫn có bề mặt xốp ở cấp độ vi mô, dễ bám dầu mỡ và ám mùi thực phẩm sau thời gian dài sử dụng. Hơn nữa, ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với thực phẩm nhiều dầu mỡ (có thể lên tới quá 100°C), một số loại nhựa có nguy cơ thôi nhiễm hóa chất hoặc bị biến dạng. Kính là vật liệu trơ, không xốp, dễ dàng vệ sinh sạch sẽ dầu mỡ và vi khuẩn, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho sức khỏe.

Trong những năm gần đây, khi dạo quanh các siêu thị điện máy, người tiêu dùng bắt đầu thấy sự xuất hiện của những chiếc lò vi sóng cao cấp không có đĩa xoay. Chúng được gọi là lò vi sóng phẳng.

Thực tế, đây là bước tiến hóa tiếp theo của công nghệ vi sóng, kết hợp giữa nguyên lý cũ và công nghệ điều khiển hiện đại.

Lò vi sóng đĩa phẳng giải quyết bài toán sóng dừng theo cách của các lò công nghiệp nhưng tinh vi hơn nhiều. Thay vì dùng đĩa xoay, chúng sử dụng ăng-ten đảo sóng được giấu kín dưới mặt đáy phẳng của lò (thường làm bằng gốm ceramic hoặc kính cường lực dày).

Sự kết hợp giữa ăng-ten đảo sóng dưới đáy giúp sóng được phân tán theo hình quạt từ dưới lên và khả năng kiểm soát năng lượng chính xác giúp lò đạt được độ đồng nhất nhiệt độ rất cao mà không cần di chuyển thức ăn.