Dla większości z nas praca ekspresu kończy się na naciśnięciu przycisku. Po kilku sekundach do filiżanki spływa ciemny, aromatyczny napój. Jeśli espresso jest wodniste, gorzkie albo inne niż zazwyczaj, podejrzewamy ziarna kawy lub ustawienia mielenia. Tymczasem o wyniku może decydować niewidoczna walka wody ze sprasowaną warstwą kawy.

Właśnie ten codzienny problem zainteresował fizyków. Podczas Warsaw Coffee Conference student zapytał baristów, czego najbardziej chcieliby dowiedzieć się o parzeniu. Wskazali proces zwany kanalikowaniem, gdy woda zamiast równomiernie przepływać przez kawę znajduje kilka łatwiejszych dróg przepływu. W ten sposób część ziaren zostaje niemal ominięta, część jest wypłukiwana zbyt intensywnie. Konsystencję napoju trudno przewidzieć i powtórzyć.

Polscy fizycy zamienili więc kawiarniany ekspres w przyrząd naukowy wyposażony w czujniki ciśnienia i elektroniczną wagę. W serii pomiarów przygotowali 60 porcji espresso, wykorzystując za każdym razem 18,5 grama tej samej kawy. Zmieniali tylko ciśnienie: sprawdzili 11 poziomów od około 1 do 12 barów.

Intuicja podpowiada, że im mocniej pompa naciska na wodę, tym szybciej powinna ona przejść przez kawę. Tak było przy niskim ciśnieniu. W okolicy 5 barów reguła przestawała jednak działać. Dalsze zwiększanie nacisku prawie nie przyspieszało przepływu, a przy najwyższych wartościach potrafiło go nawet spowolnić. W eksperymencie filiżanka najszybciej napełniała się przy około 5 barach, choć ekspresy zwykle pracują w zakresie od 6 do 9 barów.

Przyczyna kryła się w samej kawie. Po ubiciu nie tworzy ona sztywnego filtra, lecz miękką, porowatą warstwę przypominającą mokrą gąbkę. Rosnące ciśnienie przepycha wodę, ale zarazem coraz mocniej ściska ziarna i zwęża przejścia między nimi. Fusy zaciskają się na strumieniu, który miał przez nie przepłynąć. Większa siła zaczyna więc tworzyć własną przeszkodę.

Dodatkowo kawa nasiąka i pęcznieje. Jedne drogi przepływu zanikają, inne się otwierają. Tomografia rentgenowska pokazała, że po parzeniu warstwa zmielonych ziaren jest popękana i miejscami odrywa się od dna sitka. Zatrzymywanie i ponowne uruchamianie pompy przyspieszało przepływ, ale nie zwiększało ilości wydobytych substancji. Zdaniem badaczy przerwy mogą więc ułatwiać wodzie tworzenie niepożądanych skrótów.

Naukowcy sprawdzili również, co trafia do filiżanki w kolejnych sekundach. Pierwsze krople pojawiały się po 5–10 sekundach i były bardzo skoncentrowane: około jednej czwartej ich masy stanowiły rozpuszczone składniki kawy. Po mniej więcej 20 sekundach stężenie szybko malało, a po minucie zbliżało się do zera. Najwięcej rozpuszczonych substancji na sekundę trafiało do napoju w okolicy 30. sekundy. Później ekspres dolewał coraz mniej nasycony płyn.

– Jako fizycy codziennie zamieniamy kawę w badania. Tym razem uczyniliśmy ją przedmiotem, a nie paliwem – żartował Maciej Lisicki z Uniwersytetu Warszawskiego w komunikacie prasowym Amerykańskiego Instytutu Fizycznego (American Institute of Physics, AIP). Zespół opracował model pokazujący, jak oddziałują na siebie ciśnienie, sprężystość kawy i przestrzeń między ziarnami.

Badania prowadzili naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Fizyki PAN we współpracy z Uniwersytetem Poczdamskim oraz Instytutem Maxa Plancka Dynamiki i Samoorganizacji w Getyndze w Niemczech. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Physics of Fluids” (https://doi.org/10.1063/5.0319611). Projekt korzystał też z doświadczenia warszawskich baristów i specjalistów od ekspresów.

Wynik pokazuje coś ważnego dla producentów ekspresów i baristów: ciśnienie nie jest zwykłym pokrętłem regulującym prędkość. Zmienia sam materiał, przez który ma przepchnąć wodę. Być może bardziej powtarzalne espresso powstanie więc nie dzięki mocniejszej pompie, lecz dzięki inteligentnemu sterowaniu jej pracą. Kiedy jutro rano naciśniemy przycisk, w niewielkim sitku znów rozpocznie się eksperyment z ciśnieniem, przepływem i sprężystością – taki sam, jakim zajęli się polscy fizycy.