Könnte die Physik uns helfen, mit weniger Bohnen eine bessere Tasse Kaffee zu kochen?
Die Zubereitung einer guten Tasse Kaffee ist eine Wissenschaft für sich. Eine neue Studie, die in der Fachzeitschrift Physics of Fluids veröffentlicht wurde , geht der Frage nach, ob man mit weniger Kaffeebohnen eine hervorragende Tasse Kaffee zubereiten kann.
Die Kosten für rohe Arabica-Bohnen, die für die Herstellung des meisten Kaffees verwendet werden, sind in den letzten Jahren aufgrund von vier Schlechtwetterperioden gestiegen. Der Klimawandel belastet die Landwirtschaft zusätzlich und bedroht das Temperaturgleichgewicht, das die Coffea arabica-Pflanze benötigt. Dies hat Physiker der University of Pennsylvania dazu inspiriert, sich mit der Frage zu beschäftigen: Kann man guten Kaffee mit weniger Bohnen zubereiten?
"Es gibt eine Menge Forschung zur Strömungsmechanik und eine Menge Forschung zu einzelnen Partikeln", sagt Arnold Mathijssen, Assistenzprofessor an der School of Arts and Sciences. "Vielleicht ist dies eine der ersten Studien, in der wir diese Dinge zusammenbringen.
Das Forschungsteam lieferte einen wissenschaftlichen Ansatz zur Verbesserung der Effizienz der Extraktion, was bedeutet, dass weniger Kaffeesatz verwendet werden kann, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.
"Wir haben versucht, Wege zu finden, wie wir weniger [oder] so wenig Kaffee wie möglich verbrauchen und einfach die Flüssigkeitsdynamik beim Ausgießen aus einem Schwanenhals-Wasserkocher nutzen können, um die Extraktion des Kaffeesatzes zu erhöhen - und dabei weniger Kaffeesatz zu verbrauchen", sagt Mitautor Ernest Park, ein Doktorand aus dem Mathijssen-Labor. Für das Experiment mussten einige Elemente sichtbar gemacht werden. "Die Undurchsichtigkeit des Kaffees macht es schwierig, die Dynamik des Übergießens direkt zu beobachten. Deshalb haben wir transparente Kieselgelpartikel in einem Glaskegel eingesetzt", erklärt Park.
Laser und Kamera schauen hinein
Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera und einer Laserfolie konnte das Team sehen, wie Wasserströme "Lawinen" von Partikeln erzeugten, so dass sie sehen konnten, wie der Fluss funktionierte. Wasser, das aus der Höhe gegossen wurde, erzeugte einen Lawineneffekt, der das Partikelbett aufwühlte und die Extraktion verbesserte.
Ein Schlüsselfaktor für den Prozess ist ein gleichmäßiger, nicht turbulenter Fluss, der durch die Verwendung eines Schwanenhals-Wasserkochers möglich ist. "Wenn man nur einen normalen Wasserkocher verwendet, ist es etwas schwierig zu kontrollieren, wohin der Strom fließt", sagt Park. "Und wenn die Strömung nicht laminar genug ist, wird das Kaffeebett nicht so gut durchdrungen.
Das Team fand heraus, dass sich das Wasser stärker vermischt, wenn es aus größerer Höhe gegossen wird .
"Wenn man eine Tasse aufbrüht, ist der Kontakt zwischen dem Kaffeesatz und dem Wasser das, was den Kaffeegeschmack und die guten Eigenschaften des Kaffeesatzes ausmacht", so Young. "Die Idee ist also, den Kontakt zwischen dem Wasser und dem Kaffeesatz beim Übergießen insgesamt zu erhöhen.
Die Forscher fanden heraus, dass das Wasser, wenn es aus zu großer Höhe gegossen wurde, in Tröpfchen zerfiel und Luft mit in die Kaffeetasse nahm, was die Effizienz der Extraktion verringerte.
Sie führten zusätzliche Experimente mit Kaffeesatz durch, um die Extraktionsleistung der gesamten gelösten Feststoffe zu messen. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Extraktion des Kaffees durch Verlängerung der Mischzeit und langsamere, effektivere Gießvorgänge optimiert werden kann .
Stärkerer Kaffee
Sie stellten fest, dass sie bei einem dickeren Wasserstrom einen stärkeren Kaffee zubereiteten, was bestätigt, dass bei größeren Schütthöhen eine stärkere Umwälzung stattfindet. Bei der Verwendung eines dünneren Wasserstroms blieb die Extraktion bei unterschiedlichen Schütthöhen hoch, was auf die erforderliche längere Schüttzeit zurückzuführen sein könnte.
Die Studie ist ein Fenster zu den anderen Forschungsarbeiten des Teams. "Wir haben das nicht nur zum Spaß gemacht", sagte Mathijssen. "Wir hatten die Werkzeuge aus anderen Projekten und erkannten, dass Kaffee ein gutes Modellsystem sein könnte, um tiefere physikalische Prinzipien zu erforschen".
"Diese Art von Flüssigkeitsverhalten hilft uns zu verstehen, wie Wasser Felsen unter Wasserfällen oder hinter Dämmen erodiert", so Young. Auch bei der Abwasserbehandlung und bei Filtersystemen gibt es eine ähnliche Dynamik, fügte Mathijssen hinzu. "Man kann klein anfangen, wie bei Kaffee, und am Ende Mechanismen aufdecken, die für die Umwelt oder die Industrie von Bedeutung sind.
Quellenhinweis:
Pour-over coffee: Mixing by a water jet impinging on a granular bed with avalanche dynamics | Physics of Fluids | AIP Publishing. Park, E., Young, M. and Mathijssen, A.J.T.M. 8th April 2025.