Espresso pod lupą fizyków. Coś dziwnego dzieje się po 30 sekundach parzenia kawy w ekspresie ciśnieniowym

– Jako fizycy codziennie pijemy kawę, by móc prowadzić badania. Tym razem jednak nie potraktowaliśmy jej jak paliwo, lecz uczyniliśmy z niej przedmiot badań – mówi dr hab. Maciej Lisicki z Uniwersytetu Warszawskiego. Ten nietypowy projekt zaczął się od tego, gdy student fizyki zagadnął baristów podczas Warsaw Coffee Conference: jakie jest ich najważniejsze pytanie do naukowców?

Odpowiedź brzmiała: jak zatrzymać channeling podczas parzenia espresso? To zjawisko polega na tym, że woda, zamiast równomiernie przesączać się przez sprasowaną kawę w kolbie ekspresu, wybiera drogę najmniejszego oporu. Efekt bywa fatalny. Channeling łatwo prowadzi do nieprzyjemnie gorzkiego posmaku espresso.

Zespół z UW postanowił opisać problem językiem mechaniki płynów i materiałów porowatych. W praktyce oznaczało to serię kontrolowanych prób. Fizycy zaparzyli setki espresso przy zmienianym ciśnieniu, za każdym razem rejestrując parametry dzięki czujnikowi ciśnienia. Celem nie było znalezienie „jednego złotego ustawienia”, lecz zbudowanie matematycznego opisu relacji między ciśnieniem a natężeniem przepływu wody przez zmieloną kawę.

Wysokie ciśnienie zmienia kawę

Przy niższych ciśnieniach zachowanie kawy jest intuicyjne i zgodne z klasycznym opisem ośrodka porowatego: większe ciśnienie daje proporcjonalnie większy przepływ. Espresso powstaje jednak zwykle przy wartościach rzędu około 6–9 razy większych od ciśnienia atmosferycznego. W takiej sytuacji, jak pokazują pomiary, układ przestaje reagować liniowo, a zależność ciśnienie–przepływ staje się nieprzewidywalna.

Kluczowy moment pojawia się po około 30–40 sekundach. Wtedy, wraz z postępującym rozpuszczaniem składników kawy, to, co pozostaje w kolbie, można sklasyfikować jako materiał poroelastyczny. To nie jest zwykła „gąbka” ani prosty zbiór ziaren z pustymi przestrzeniami. Poroelastyczność oznacza, że struktura jednocześnie przepuszcza ciecz i sprężyście reaguje na jej napór. W takim układzie zmiana ciśnienia potrafi wywołać odpowiedź nieliniową: dalsze zwiększanie ciśnienia w ekspresie nie musi już zwiększać tempa przepływu przez kawę.

W tym miejscu warto jednak zwrócić uwagę na kwestię czasu. Klasyczny przepis na espresso zakłada, że przez kawę przepuszcza się wodę o temperaturze 88 stopni Celsjusza pod ciśnieniem 9 barów, tak by uzyskać około 25 ml naparu w ciągu 25 sekund. Innymi słowy, zajmuje to tak mało czasu, że opisany wyżej efekt nie zdąży wystąpić. Alternatywne sposoby parzenia espresso skracają ten czas nawet poniżej 15 sekund. To zresztą czas ekstrakcji typowy dla ristretto, czyli „skróconego” espresso.

Model teoretyczny a praktyka baristy

Dla osób, które próbują „okiełznać” espresso w domu lub w kawiarni, ta informacja ma wymiar praktyczny. Skoro porcja kawy w pewnym momencie zaczyna zachowywać się jak materiał poroelastyczny, to sama strategia polegająca na podnoszeniu ciśnienia może nie tylko nie pomóc, ale też utrudnić kontrolę procesu.

– W środowisku kawowym wspominano o tym zagęszczeniu poroelastycznym, ale bez konkretnych dowodów. Jako pierwsi scharakteryzowaliśmy ten efekt, co skłoniło nas do sformułowania jego opisu teoretycznego – powiedział Lisicki. Model fizyczny nie zastąpi doświadczenia baristy, ale może podpowiadać, kiedy zwiększanie ciśnienia w ekspresie mija się już z celem.

Kolejny krok ma dotyczyć obserwacji tego, co na co dzień pozostaje ukryte w metalowym wnętrzu kolby ekspresu. Zespół planuje wykorzystać szklane kulki do obrazowania przepływu kawy, aby przeanalizować jego dynamikę. – Fizyka polega na szukaniu odpowiedzi na nierozwiązane zagadki. Okazało się, że kawa dostarcza takich zagadek równie dobrze, jak galaktyki – podsumowuje dr Lisicki.

Źródło: Physics of Fluids