Doctor în matematică și în fizică atomică, profesorul român se ocupă în special de înțelegerea și prevenirea dezastrelor naturale provocate de ape: uragane, tornade, valuri spontane (rogue waves) și invaziile de alge toxice.
Toate acestea reprezintă probleme majore pentru statele americane de pe coasta de est și din golf.
„Încă de când eram în Louisiana am început să lucrez în această direcție. Am construit împreună cu soția mea, Maria, cu care lucram în aceeași Catedră de Fizică și Chimie la Northwestern State University, un mic laborator pentru modelarea acestor fenomene.
Am început să folosim acest laborator pentru cercetare exact în timpul scurgerii de petrol în Golf de la platforma Deepwater Horizon, în 2010. Rezultatele noastre au ajutat la procesul de curățire al apei.
Am propus atunci folosirea unui sistem de urmărire a depozitelor de petrol pe apă folosind micro-senzori sonar.
Citește și: Criminal descoperit după 52 de ani cu concursul soției. Ce era lângă cadavru și l-a dat de gol
Mici emițătoare de ultrasunete, de câteva grame și câțiva milimetri în diametru fiecare, au fost înglobate în rășină. «Mărgelele» plutitoare astfel formate aderau la pelicula de petrol și se deplasau împreună cu aceasta pe suprafaţa apei.
În paralel, de pe țărm sau de pe alte stații fixe, microfoane sonar recepționau aceste semnale și identificau prin triangulație poziția petelor de petrol.
Citește și: Salvat dintr-o groapă comună, Grigore Gheba învață matematică 6 milioane de români. Moare anonim
Statul Louisiana a fost interesat și de aplicația practică, dar și de consecințele educaţionale, așa că ne-au acordat un grant cu care am putut construi și dota acest laborator de unde neliniare (Nonlinear Wave Lab) în campus. Am instruit în acest cadru un prim grup de 25 de profesori de fizică.
Citește și: Povestea românului maestru de arte marțiale care i-a învățat și pe carabinieri cum să se lupte
Din nefericire, Universitatea a intrat în faliment financiar parțial din cauza crizei de petrol și a uraganelor din 2008- 2009. Atunci am donat echipamentul laboratorului de unde neliniare unei mici firme locale de restaurare de monumente istorice și am plecat în Florida“, povestește profesorul.
Laboratorul din toaleta pentru femei
În 2011, Adrian Ludu a devenit profesor în cadrul Departamentului de Matematică al Embry-Riddle Aeronautical University din Daytona Beach, prima universitate din lume care a lansat un program de doctorat în aviație și spațiu. Cei de acolo auziseră de succesul laboratorului de la Northwestern State University și i-au oferit 50.000 de dolari pentru construirea unuia similar.
„Mi-au oferit pentru asta un spațiu ciudat, o fostă toaletă pentru femei din clădirea de inginerie aerospațială. Baia fusese dezafectată și curățată. Fără geamuri, cu surse de apă generoase, și numai a noastră pentru proiect, a sunat bine.
Laboratorul a fost deschis și cu sprijinul unei echipe formate din profesori mai tineri de la Departamentul de Matematică, apoi am început cercetarea în același domeniu de unde neliniare pe apă, tsunami și rogue waves“, își amintește Andrei Ludu.
Randament îmbunătățit pentru motoare
La scurt timp au început să apară și contractele de cercetare. O firmă din sudul Floridei, care construia motoare diesel pentru nave și pentru purificarea apei în deșert, trecuse recent de la alimentarea cu motorină la alimentarea cu gaz natural.
„Au observat însă cu surprindere că este mult mai ineficient și mai dificil să amestece două gaze (aer și gaz natural), decât să amestece aer și picături de motorină. Drept pentru care afacerea nu le mergea bine. Motoarele funcționau în salturi, cu sughițuri.
Un coleg de la matematică, fost «marines», care știa de această firmă, ne-a făcut legătura. Pe scurt, am proiectat și experimentat un nou tip de amestecator de gaze pentru GFS Corp, care a îmbunătăţit eficiența motoarelor cu 15-20%.
Cu banii primiți pe contractul acesta am cumpărat echipament nou pentru laborator, printre care o cameră digitală de filmare ultra-rapidă cu care nivelul de cercetare experimentală în laborator a fost îmbunătățit substanțial. În consecință am publicat mai bine și am devenit mai cunoscuți ca laborator“, explică profesorul Ludu.
Universitatea era în creștere și, la un moment dat, a construit o clădire în care a fost amenajat un nou laborator chiar pe etajul pentru matematică.
„Cu sponsorizare internă generoasă, în jur de 200.000 de dolari, am construit un tanc de valuri, care poate aduna 15 tone de apă, adică un canal deschis lung de 12 metri, lat și adânc de un metru. În 2013, acest nou laborator era funcțional și găzduia echipament și materiale în valoare de trei sferturi de milion de dolari.
Am extins cercetările și la maree de alge, și „rip curents“ adică acei curenți înguști și rapizi, perpendiculari pe plajă, care se formează spontan și necontrolat din cauza valurilor și vântului care bat continuu către țărm. În aria Daytona Beach mor înecați în fiecare an în jur de 15 turiști din acest motiv.
Curentul te ia repede chiar de la apă numai până la piept și te duce în larg. Nu toată lumea își amintește să înoate paralel cu țărmul și, până vine salvamarul, oamenii se îneacă sau sunt atacați de rechini“, spune Andrei Ludu.
Importanța studenților
La Wave Lab din Daytona Beach se lucrează foarte mult cu studenții. Unul dintre ei este întotdeauna managerul laboratorului și în acest mod recrutarea de studenți noi și relația cu administrația universității decurge foarte eficient.
Toți cei care au lucrat ca manageri la laboratorul profesorului Andrei Ludu au obținut angajări în locuri importante: NASA, Air Force, Lockheed-Martin, Boeing sau National Instruments.
„Sponsorizarea laboratorului se face mai ales prin contracte și donații de la industria locală, și mai puțin prin granturi de stat sau federale. John Camp este CEO la HydroPlus Engineering în Edgewater, Florida, la o oră de condus de noi. Noi îi facem calcule și el ne obține donații în echipament de la leader-ul în automatică, Automation Direct, din Georgia.
Mike Kitaif este fost angajat al NASA și expert în fotogrametrie stereo. Cu el lucrăm ca să înțelegem cum putem măsura cu ajutorul fotografiei stereo profilul valurilor de apă.
Mike a părăsit NASA împreună cu un coleg când programul Space Shuttle s-a închis și și-a deschis firma sa proprie, Cardinal System Ltd., în Flagler Beach, tot la o oră de noi. El ne sponsorizează cu echipament de diagnostică și măsurători optice ale curgerilor“, precizează profesorul Andrei Ludu.
Cum se oprește o tornadă
Cea mai recentă și importantă direcție de cercetare însă, este o aplicație neașteptată a unui efect descoperit în anii ’40 de omul de știință Lev Landau.
„Efectul, numit «Landau damping» (amortizarea sau atenuarea Landau) a fost descoperit și aplicat ulterior la sisteme la scară atomică. Noi ne-am gândit să încercăm să translatăm ideea acestui efect la scară macroscopică, în laborator. În principiu, acest efect explică de ce un surfer poate fi accelerat de valuri, dar un obiect plutitor nu.
Obiectul plutitor oscilează numai în sus și în jos odată cu valul și, practic, rămâne pe loc, în afară de cazul în care există curenți în apă sau este împins de vânt. În schimb, surferul se lansează în direcția valului și așa interacționează cu valul într-un mod cuplat, rezonant.
Landau a arătat că electronii din plasmă care se întâmplă să se miște termic în aceeași direcție cu câmpul electromagnetic al unei unde care traversează plasma ( o rază laser de exemplu) sunt accelerați, iar cei care se mișcă în sens opus sunt frânaţi.
În consecință, chiar în plasme foarte rarefiate unde o astfel de undă electromagnetică ar trebui să treacă neschimbată și neafectată, unda este foarte atenuată. Pierde din energie pentru că o donează rezonant acestor electroni. Evident efectul există numai în plasme, care sunt încărcate electric, deci la nivel microscopic, cuantic“, explică profesorul.
Lansarea în ocean a unor capsule experimentale produse în laboratorul condus de profesorul Andrei Ludu
Pe baza acestei teorii, Andrei Ludu împreună cu un fost coleg de la Institutul de Fizică din București-Măgurele, doctorul Mihai Ganciu, și cu un elev al acestuia, au încercat să reproducă efectul la scară macro.
„Am zis că în loc de electronii care sunt aproape liberi în plasmă și care se resping reciproc fiind toți încărcați negativ am putea să folosim magneți plutitori. În loc de o undă electromagnetică am putea să folosim un val care împinge aceste geamanduri magnetice de colo, colo.
Astfel, tancul de valuri a devenit o reprezentare la scară mărită a plasmei, raza laser a devenit un val de tip tsunami, creat de noi în apă, și electronii au fost câteva sute de mici geamanduri magnetice.
Efectul a lucrat la această scară macroscopică și studentul meu principal, șef de lucrare, a fost în Turcia în vara lui 2017 să-l prezinte la o conferință de matematică aplicată, sponsorizată de NATO.
Am avut destul impact ca să scriem o lucrare și să primim în continuare suport pentru extinderea acestor cercetări. Efectul pus în evidență la scară de laborator de noi poate fi folosit și pentru studiul atenuării tornadelor sau a trombelor marine.
Ideea de a «arunca» în tornadă un set de obiecte care să fie luate în aer și accelerate și astfel să fure energia tornadei pentru a o atenua nu este nouă, dar din păcate nu a funcționat niciodată eficient.
Motivul este că absorbția de energie în acest mod simplist de la tornadă se întâmplă mai degrabă ca un impact, o ciocnire, despre care se știe că nu poate avea un randament teoretic mai mare de 50%, ceea ce înseamnă o eficiență reală în jur de 10%.
Ideea noastră este că aruncând în tornadă un sistem de balize magnetice care se resping reciproc se poate absorbi energia tornadei mult mai eficient. Pentru că în acest fel folosim un fenomen rezonant, care poate avea eficiență 100%.
Sistemul nostru este încă în curs de cercetare, dar avem speranța că vom putea obține câteva patente de invenție care să fie aplicate cu succes în aceste fenomene devastatoare“, speră profesorul Ludu.
Apoi își amintește cum l-a trimis la Măgurele, în România, pe Eric, studentul american implicat în experiment, ca să discute cu Mihai Ganciu și cu alți cercetători din țară. „Am vrut să capete experiență.
L-am trimis pe Eric să viziteze și mânăstiri și să vadă zona de pe lângă casa mea părintească din Luța (Făgăraș) ca să ne înțeleagă mai bine cultura. Nu pot spune cât de îmbogățit a venit înapoi“.
Torsul pisicilor și călătoriile în spațiu
Tot în domeniul mecanicii fluidelor profesorul Ludu și echipa sa încearcă să folosească tehnicile de vizualizare a curgerii fluidelor cu nano particule iluminate de pulsuri de laser, la procesul de respirație al mamiferelor.
„În particular încercăm să înțelegem de ce toarce o pisică. Acesta este un proiect tot în colaborare cu Mihai Ganciu și echipa lui de la Măgurele. De altfel Mihai a avut ideaa să vedem dacă putem folosi animale de companie, așa cum sunt pisicile cu efectul lor calmant, în călătoriile de lungă durată în spațiu.
Știm cum toarce o pisică și cam de ce, dar nu știe nimeni care este cauza fiziologică. Ideea noastră este că trebuie să înțelegem de ce torsul este pe o anume frecvență, ca un motor Diesel, 30-60 cicli pe secundă.
Se știe de mai demult că această frecvență favorizează refacerea oaselor, dacă este aplicată ca undă sonoră, și este extrem de benefică în epilepsie și alte boli nervoase dacă este aplicată ca undă electrică în nervul vag.
Părerea nostră este că vibrațiile naturale ale torsului excită de fapt nervul vag la feline, cu aceeași frecvenţă, și generează acest efect de refacere.
Am colectat deja mii și mii de probe de tors pe care le analizăm cu tehnică specială și încercăm să discernem dacă semnalul conține și microunde de șoc, sau alte efecte aerodinamice neliniare.
Dacă avem succes, putem să construim pe o imprimantă 3D un model de trahee, să suflăm aer prin aceasta în ritmul respirației pisicii, și să vedem efectul undelor acustice la pisici reale.
Câteva specii încă existente de felidae și pantherinae, care s-au separat evoluționar acum milioane de ani, torc cu aceeași frecvenţă.
Ori din moment ce natura a ales ca această frecvenţă să supraviețuiască evoluționar atât de mult timp, înseamnă că trebuie să fie importantă biologic“, conchide profesorul Andrei Ludu.
Matematica mirosului
Un alt studiu în lucru se referă la o problemă care pare destul de abstractă. „Ne interesează de asemnea dacă se poate înțelege ce fel de «matematică» poate fi asociată mirosului.
Oamenii au văzul și auzul drept cele mai dezvoltate simțuri. Urmărim aplicarea ideii peripatetice cum că structurile abstracte modelate în creier au origine, filogenetic și ontogenetic, în simțuri. Știm că, în general, oamenii pot dezvolta două tipuri majore de matematică: geometrică și algebrică.
Astfel, putem considera că modul vizual, geometric cu suprafețe și volume, cu perspectivă și distanțe a fost generat în creier prin văz, și că modul de gândire matematică în simboluri abstracte, algebric, șiruri de formule precum șirurile de note muzicale, sau cuvintele scrise într-un text, a fost generat în creier de auz.
Și atunci ne întrebăm, dacă pentru un animal cel mai important simţ este mirosul, ce fel de «matematică» primitivă ar putea dezvolta în creierul lui?
În același timp ne așteptăm ca geometria dezvoltată primitiv în creierul canin să nu fie așa de dominantă și să existe un alt tip de matematică, de care noi oamenii nu avem habar“, spune profesorul român.
Model matematic pentru boala somnului
Pe când se afla La Northwestern State University în Louisiana, profesorul Andrei Ludu a fondat împreună cu chimistul Darell Fry și biologul Nathan Hutchings un institut de cercetare finanțat direct de Senatul american prin intermediul senatorului John Breaux .
Institutul se ocupă de probleme interdisciplinare: matematică, fizică, chimie și biologie. Biologul Nathan Hutchings a studiat agentul patogen „Trypanosoma brucei“, responsabil pentru boala somnului.
„Această celulă «inteligentă» se comportă ca un motor turbo-propulsor care își schimbă regimul funcție de altitudine, de la elice la reacție. La fel acest T. Brucei se deplasează folosind patru geometrii funcție de mediul în care se propagă: ca un tirbușon când este în mușchi, ca o elice când este în sânge sau limfă, poate produce bătăi sau unde conice, și are o singură țintă, creierul. Împreună am făcut experimente, am dezvoltat un model matematic și am descoperit un nou tip de deplasare.
O undă solitară este generată în flagelul acestei celule și propagarea acesteia ajută celula să se desprindă de suprafețe unde eventual a stagnat sau s-a lipit. Am obținut un grant de la National Science Foundation și câteva granturi de stat locale.
În final, în 2004 am organizat un simpozion internațional de fenomene complexe și interdisciplinare la care au participat personalități de elită din fizică și biologie, inclusiv celebrul profesor laureat Nobel, Murray Gell-Mann, cel care a inventat quarcii.
Sponsorizarea institutului nostru a crescut la 35.000 USD pe an, am recrutat studenți, am organizat alte meeting-uri, am cumpărat echipament și am angajat și ceva personal administrativ.Cred că această vizită a schimbat pentru totdeauna soarta acestei universități“, crede Andrei Ludu.
Algele toxice
Un alt proiect în lucru este cel referitor la studiul deplasării petelor de ulei folosind micro-sonare plutitoare (din Louisiana) și al mișcărilor algelor distrugătoare în lacurile, lagunelor și estuarelor din Florida.
Profesorul român crede că „pentru a găși un tratament adecvat împotriva mareelor roșii de alge toxice, comunitatea științifică trebuie să înțeleagă mai întâi cât de mult contribuie la transportul lor pe distanțe mari în apă multiplicarea celulară a algelor și cât de mult contribuie deplasarea fizică a maselor de alge sub curenți și vânt. Proiectul va fi sponsorizat de Indian River Lagoon Council și, sperăm, și de Național Estuary program”.
Profesorul Andrei Ludu a fost premiat, în 2019, la categoria Știință, în cadrul galei Top 100 Români de Pretutindeni, organizate de RePatriot la Alba Iulia.
