Bitterer Espresso, komplexe Physik: Was im Kaffeepuck wirklich passiert

Ein Espresso scheint zunächst kein kompliziertes System zu sein: Heißes Wasser wird mit hohem Druck durch fein gemahlenen Kaffee gepresst, wenige Sekunden später landet das Ergebnis in der Tasse. Doch genau dieser alltägliche Vorgang beschäftigt zunehmend die moderne Physik. Eine neue Studie der Universität Warschau zeigt, dass sich ein Kaffeepuck unter den Bedingungen moderner Espressomaschinen deutlich anders verhält als bisher angenommen.

Die Forschenden konnten nachweisen, dass der Wasserfluss bei typischen Brühdrücken nicht mehr den einfachen Regeln für poröse Materialien folgt. Damit liefern sie entscheidende Hinweise auf die Ursachen von Channeling – einem Problem, das Baristas weltweit den Schlaf raubt.

Eine Frage aus der Praxis

Der Ausgangspunkt der Forschung lag nicht im Labor, sondern auf einer Kaffeekonferenz in Warschau. Dort fragte ein Physikstudent die anwesenden Baristas, welche Frage sie der Wissenschaft schon immer stellen wollten. Die Antwort: Wie lässt sich Channeling verhindern?

• Was ist Channeling? Hierbei fließt das Wasser nicht gleichmäßig durch den verdichteten Kaffeepuck, sondern sucht sich bevorzugte Strömungswege (Kanäle).
• Die Folge: Ein Teil des Kaffees wird extrem überextrahiert (schmeckt bitter), während andere Bereiche kaum mit Wasser in Berührung kommen. Das Ergebnis ist ein unausgewogener, oft ungenießbarer Espresso.

Trotz High-Tech-Maschinen und präziser Waagen gehörte Channeling bislang zu den am schwersten kontrollierbaren Variablen der Zubereitung. Für die Warschauer Physiker war das Grund genug, den Brühvorgang genauer zu analysieren.

Was die klassische Strömungsmechanik erwartet

Aus physikalischer Sicht ähnelt ein kompakter Kaffeepuck zunächst vielen anderen porösen Medien. Zwischen den Kaffeepartikeln befinden sich winzige Hohlräume, durch die sich das Wasser seinen Weg bahnt.

Solche Prozesse beschreibt die Ingenieurwissenschaft standardmäßig mit dem Darcy-Gesetz. Dieses Modell aus dem 19. Jahrhundert wird bis heute weltweit genutzt, um Strömungen in Böden, Filtern, Gesteinen oder Grundwasserleitern zu berechnen. Vereinfacht gilt hier: Höherer Druck gleich höherer Durchfluss. Die Beziehung ist annähernd linear. Genau dieses Verhalten erwartete das Team zunächst auch beim Espresso.

Mehr Druck bedeutet nicht mehr Durchfluss

Für die Untersuchung wurden Hunderte Espressi unter Laborbedingungen zubereitet. Mithilfe einer professionellen Espressomaschine und präziser Sensorik analysierten die Forschenden den Zusammenhang zwischen Brühdruck und Wasserdurchfluss.

Das überraschende Ergebnis: Bei niedrigen Drücken bestätigten die Messungen die bekannten Modelle. Im Bereich typischer Espressomaschinen – die meist mit 6 bis 9 Bar arbeiten – änderte sich das Bild jedoch drastisch. Der Durchfluss stieg nicht mehr proportional zum Druck an. Zusätzlicher Druck führte also nicht dazu, dass mehr Wasser durch den Kaffeepuck strömte. Für Physiker ein klarer Beweis: Das Material verformt sich unter Belastung.

Der Kaffeepuck als poroelastisches Material

Die Ursache liegt in der fluid-struktur-dynamischen Kopplung des Kaffeemehls. Während des Brühvorgangs wirkt kontinuierlich hoher Wasserdruck auf den Puck, während gleichzeitig lösliche Bestandteile extrahiert werden. Die innere Struktur verändert sich fortlaufend.

Die Forschenden beschreiben den Kaffeepuck daher als poroelastisches Material. Unter mechanischer Belastung verändern sich die Porenräume:

• Der Kaffeepuck verdichtet sich.
• Die Hohlräume zwischen den Partikeln schrumpfen.
• Der Strömungswiderstand nimmt lokal massiv zu.

Der Kaffeepuck verhält sich damit nicht wie ein passiver, starrer Filter, sondern wie ein dynamisches System, das aktiv auf die Belastung reagiert.

Der Schlüssel zur Channeling-Prävention

Die Studie erklärt das Channeling zwar noch nicht vollends, zeigt aber, warum es so schwer zu kontrollieren ist. Wenn sich die Struktur während der Extraktion ungleichmäßig verändert, entstehen lokale Instabilitäten. Das Wasser sucht sich physikalisch immer den Weg des geringsten Widerstands. Bereits minimale Dichteunterschiede beim Tamper-Vorgang führen dazu, dass sich Strömungskanäle unaufhaltsam selbst verstärken.

Espresso als Modell für die Geotechnik

Warum ist das für Ingenieurinnen und Ingenieure relevant? Die Wechselwirkung zwischen Materialverformung und Flüssigkeitsströmung gehört zu den Kernfragen vieler klassischer Disziplinen. Ähnliche Prozesse begegnen uns bei:

• Der Speicherung von CO₂ im tiefen Untergrund (CCS)
• Der Förderung von Erdöl und Erdgas
• Der Auslegung industrieller Filtermaterialien
• Der Bodenmechanik und Geotechnik

Der Kaffeepuck wird damit zum perfekt skalierbaren, anschaulichen Modell für physikalische Vorgänge, die normalerweise tief im Erdreich oder in komplexen verfahrenstechnischen Anlagen stattfinden.

Der nächste Schritt: Röntgenblick in die Siebträgermaschine

Bislang basieren die Ergebnisse vor allem auf den Messdaten von Druck und Durchfluss. Künftig wollen die Wissenschaftler direkt ins Innere des Pucks blicken. Geplant sind Versuchsreihen mit Glas-Mikroperlen und Methoden der Röntgen-Mikrotomographie, um die Entstehung der Kanäle während des Bezugs in Echtzeit sichtbar zu machen. Die Erkenntnisse dürften am Ende weit über den Tellerrand der Kaffeetasse hinausreichen.