Omkostningerne ved rå Arabica -bønner, kernekomponenten i mest kaffe, har i de senere år pigget på grund af fire på hinanden følgende sæsoner af ugunstigt vejr. Klimaændringer har tilføjet yderligere belastning og truet den delikate temperaturbalance, der kræves af Coffea Arabica -anlægget. Dette voksende pres har inspireret fysikere ved University of Pennsylvania til at spørge: Kan vi lave god kaffe med færre bønner?
“Der er en masse research om fluidmekanik, og der er meget forskning på partikler separat,” siger Arnold Mathijssen, adjunkt i School of Arts & Sciences. “Måske er dette en af de første undersøgelser, hvor vi begynder at bringe disse ting sammen.”
Deres fund, der blev offentliggjort i tidsskriftet Fysik af væskertilvejebringe en videnskabelig tilgang til forbedring af ekstraktionseffektivitet, så færre kaffegrunde kan gå videre uden at mindske den samlede kvalitet.
“Vi prøvede at finde måder, hvor vi kunne bruge mindre (eller) så lidt kaffe som muligt og bare drage fordel af fluiddynamikken i hældningen fra en svanehals kedel for at øge den ekstraktion, du får fra kaffegrundene-mens du bruger færre grunde,” siger medforfatter Ernest Park, en kandidatforsker i Mathijssen Lab.
Eksperimentet krævede, at det usynlige synlige, forklarer medforfatter Margot Young, en kandidatforsker i Mathijssen Lab.
“Kaffens opacitet gør det vanskeligt at observere hældningsdynamik direkte, så vi byttede ind i gennemsigtige silicagelpartikler i en glasskegle,” forklarer Park.
Et laserark og højhastighedskamera gjorde det muligt for dem at se vandstrømme skabe “miniature lavine” af partikler-hvilket afslører flowets indre arbejde. Vand, der hældes fra en højde, producerer lavineffekten, der rører sengen af partikler og forbedrer ekstraktionen.
En nøglefaktor i denne proces er laminær eller glat og ikke-uurbulent strømning-hvilket er muligt af en svanehals kedel, selv med en blid hældningsstrøm. “Hvis du bare skulle bruge en almindelig vandkedel, er det lidt svært at kontrollere, hvor strømmen går,” siger Park. “Og hvis strømmen ikke er laminær nok, graver den ikke kaffesengen op.”
Holdet opdagede, at når vand hældes fra en højde, skaber det en stærkere blandingseffekt.
“Når du brygger en kop, er det, der får al den kaffemag og alle de gode ting fra grundene, kontakt mellem grundene og vandet,” forklarer Young. “Så ideen er at forsøge at øge kontakten mellem vandet og grundene generelt i hældning.”
De fandt ud af, at hvis vandstrømmen hældes fra en for stor højde, bryder vandstrømmen fra hinanden i dråber og bærer luft med den ind i kaffekeglen, hvilket faktisk kan reducere ekstraktionseffektiviteten.
Forskerne gennemførte yderligere eksperimenter med reelle kaffegrunde for at måle ekstraktionsudbyttet af totale opløste faste stoffer. Deres resultater bekræftede, at ekstraktionen af kaffe kan indstilles ved at forlænge blandetiden med langsommere, men mere effektive hældninger, der bruger lavine -dynamik.
For tykkere vandstrøm fandt de, at højere hældninger resulterede i stærkere kaffe, hvilket bekræftede deres observationer om øget omrøring med højere hældningshøjder. Ved brug af en tyndere vandstråle forblev ekstraktionen konsekvent høj på tværs af forskellige hældningshøjder, muligvis på grund af den længere hældningstid, der kræves for at nå målvolumen.
Brede implikationer, der strækker sig ud over køkkenet
Undersøgelsen er et kærlighedsbrev til kaffe – og det er også et vindue ind i holdets bredere forskning. ”Vi gjorde ikke bare dette for sjov,” siger Mathijssen. “Vi havde værktøjerne fra andre projekter, og realiseret kaffe kunne være et pænt modelsystem til at udforske dybere fysiske principper.”
Disse principper strækker sig langt ud over køkkenet, bemærker Young. “Denne form for væskeadfærd hjælper os med at forstå, hvordan vand eroderer rock under vandfald eller bag dæmninger,” siger hun. Selv spildevandsbehandling og filtreringssystemer involverer lignende dynamik, tilføjer Mathijsssen.
Projektet reflekterer også løbende forskning i laboratoriet, da Park arbejder på mikroskala aktive overflader, der bruger roterende magnetfelter til at rengøre biofilm fra medicinsk udstyr.
Young undersøger i mellemtiden ultra-hurtige biologiske strømme ved hjælp af den samme højhastighedsafbildningsopsætning til at studere, hvordan små hvirvler genereret af lungecilia hjælper med at rydde patogener.
“Du kan starte lille, som med kaffe,” siger Mathijssen. “Og ender med at afdække mekanismer, der betyder noget ved miljømæssige eller industrielle skalaer.”