وقتی فیزیکدانان قهوه دم می‌کنند!
هزینه دانه‌های خام قهوه عربیکا، جزء اصلی اکثر قهوه‌ها در سال‌های اخیر به‌دلیل فصول متوالی آب و هوای نامساعد افزایش یافته است. تغییرات آب و هوایی دیگر نیز فشار بیشتری را اضافه کرده است و تعادل دمایی ظریف مورد نیاز گیاه Coffea arabica را تهدید می‌کند.
این فشار فزاینده، فیزیکدانان دانشگاه پنسیلوانیا رابرانگیخته تا بپرسند:آیا می‌توانیم قهوه‌ای عالی بادانه‌های کمتردرست کنیم؟
آرنولد ماتیجسن، استادیار دانشکده هنر و علوم می‌گوید: «تحقیقات زیادی در مورد مکانیک سیالات و ذرات قهوه به طور جداگانه وجود دارد اما شاید این یکی از نخستین مطالعات متفاوت در مورد قهوه باشد. »
یافته‌های آنها که در مجله Physics of Fluids منتشر شده است، یک رویکرد علمی برای بهبود راندمان استخراج ارائه می‌کند. بنابراین دانه‌های کمتر قهوه می‌تواند بدون کاهش کیفیت کلی، بهتر از این باشد.
ارنست پارک، محقق فارغالتحصیل در آزمایشگاه ماتیجسن می‌گوید: «سعی کردیم راه‌هایی را پیدا کنیم که بتوانیم کمتر و کمتر قهوه استفاده کنیم و فقط از دینامیک سیال ریختن آب به افزایش استخراج حاصل از دانه‌های قهوه در حالی که از دانه‌های کمتری استفاده می‌کنیم دست‌یابیم. »
چگونگی آزمایش
مارگوت یانگ، محقق فارغالتحصیل در آزمایشگاه ماتیجسن و از نویسندگان این مطالعه توضیح می‌دهد که این آزمایش نیازمند «مرئی کردن نامرئی» بود.
پارک توضیح می‌دهد: «تیرگی و کدری قهوه باعث می‌شود مشاهده مستقیم دینامیک ریختن آب روی قهوه دشوار باشد. بنابراین ما از ذرات شفاف ژل سیلیکا در یک مخروط شیشه‌ای استفاده کردیم. »
یک صفحه لیزری و یک دوربین پرسرعت به آنها اجازه می‌داد جریان‌های آب را که «بهمن‌های کوچکی» از ذرات ایجاد می‌کنند مشاهده کنند و عملکرد داخلی جریان را آشکار سازند. آب ریخته‌شده از ارتفاع، اثر بهمنی ایجاد می‌کند که بستر ذرات را به هم می‌زند و استخراج را بهبود می‌بخشد.
عامل کلیدی در این فرآیند، جریان لمینار (آرام و بدون تلاطم) است که با استفاده از یک کتری گردن‌غازی امکان‌پذیر می‌شود. پارک می‌گوید: «اگر از یک کتری آب معمولی استفاده کنید، کنترل جریان کمی سخت است و اگر جریان به‌اندازه کافی لمینار نباشد، بستر قهوه را نیز حفر نمی‌کند.»
این تیم کشف کردند وقتی آب از ارتفاع ریخته می‌شود، اثر اختلاط قوی‌تری ایجاد می‌کند. یانگ توضیح می‌دهد: «وقتی در حال دم کردن یک فنجان هستید، چیزی که طعم قهوه و همه چیزهای خوب را از دانه‌ها می‌گیرد تماس بین دانه‌ها و آب است. بنابراین، ایده این است که سعی کنیم تماس بین آب و دانه‌های قهوه را در کل فرآیند ریختن افزایش دهیم.» اما آنها دریافتند اگر از ارتفاع خیلی زیاد ریخته شود، جریان آب به قطرات تجزیه می‌شود و هوا را با خود به داخل مخروط قهوه می‌برد که درواقع می‌تواند کارایی استخراج را کاهش دهد.محققان آزمایش‌های بیشتری را با دانه‌های قهوه واقعی برای اندازه‌گیری بازده استخراج کل مواد جامد محلول انجام دادند. نتایج آنها تأیید کرد که استخراج قهوه را می‌توان با طولانی کردن زمان اختلاط با ریزش‌های کندتر اما مؤثرتر که از دینامیک بهمن استفاده می‌کند، تنظیم کرد.
مفاهیم گسترده‌ای که فراتر از آشپزخانه است
این مطالعه، نامه‌ای عاشقانه به قهوه است و همچنین پنجره‌ای به تحقیقات گسترده‌تر تیم پژوهشی. ماتیجسن می‌گوید: «ما این کار را فقط برای سرگرمی انجام نمی‌دادیم. ما ابزار پروژه‌های دیگر را داشتیم و متوجه شدیم قهوه می‌تواند یک سیستم مدل منظم برای کشف اصول فیزیکی عمیق‌تر باشد.»
یانگ خاطرنشان می‌کند که این اصول فراتر از آشپزخانه کاربرد دارد. اومی‌گوید: «این نوع رفتار سیال به ما کمک می‌کند بفهمیم که چگونه آب سنگ‌های زیر آبشارها یا پشت سدها را فرسایش می‌دهد.» ماتیجسن اضافه می‌کند که حتی سیستم‌های تصفیه و فیلتراسیون فاضلاب نیز دینامیک مشابهی دارند.
این پروژه همچنین نشان‌دهنده تحقیقات در حال انجام در این آزمایشگاه است. زیرا پارک در حال کار روی سطوح فعال در مقیاس کوچک است که از میدان‌های مغناطیسی چرخشی برای تمیز کردن بیوفیلم‌ها از دستگاه‌های پزشکی استفاده می‌کند.
در همین حال، یانگ نیز در حال بررسی جریان‌های بیولوژیکی فوق سریع است و از همان تنظیمات تصویربرداری با سرعت بالا استفاده می‌کند تا بررسی کند چگونه گرداب‌های کوچک تولید شده توسط مژک‌های ریه به پاکسازی پاتوژن‌ها کمک می‌کند.
ماتیجسن می‌گوید:«می‌توانید ازچیزی کوچک مثل قهوه شروع ودرنهایت مکانیسم‌هایی راکشف کنیدکه درمقیاس‌های زیست‌محیطی یا صنعتی اهمیت دارند.»
آیسا اسدی - روزنامه‌نگار
آرنولد ماتیجسن، استادیار دانشکده هنر و علوم می‌گوید: «تحقیقات زیادی در مورد مکانیک سیالات و ذرات قهوه به طور جداگانه وجود دارد اما شاید این یکی از نخستین مطالعات متفاوت در مورد قهوه باشد. »
یافته‌های آنها که در مجله Physics of Fluids منتشر شده است، یک رویکرد علمی برای بهبود راندمان استخراج ارائه می‌کند. بنابراین دانه‌های کمتر قهوه می‌تواند بدون کاهش کیفیت کلی، بهتر از این باشد.
ارنست پارک، محقق فارغالتحصیل در آزمایشگاه ماتیجسن می‌گوید: «سعی کردیم راه‌هایی را پیدا کنیم که بتوانیم کمتر و کمتر قهوه استفاده کنیم و فقط از دینامیک سیال ریختن آب به افزایش استخراج حاصل از دانه‌های قهوه در حالی که از دانه‌های کمتری استفاده می‌کنیم دست‌یابیم. »
چگونگی آزمایش
مارگوت یانگ، محقق فارغالتحصیل در آزمایشگاه ماتیجسن و از نویسندگان این مطالعه توضیح می‌دهد که این آزمایش نیازمند «مرئی کردن نامرئی» بود.
پارک توضیح می‌دهد: «تیرگی و کدری قهوه باعث می‌شود مشاهده مستقیم دینامیک ریختن آب روی قهوه دشوار باشد. بنابراین ما از ذرات شفاف ژل سیلیکا در یک مخروط شیشه‌ای استفاده کردیم. »
یک صفحه لیزری و یک دوربین پرسرعت به آنها اجازه می‌داد جریان‌های آب را که «بهمن‌های کوچکی» از ذرات ایجاد می‌کنند مشاهده کنند و عملکرد داخلی جریان را آشکار سازند. آب ریخته‌شده از ارتفاع، اثر بهمنی ایجاد می‌کند که بستر ذرات را به هم می‌زند و استخراج را بهبود می‌بخشد.
عامل کلیدی در این فرآیند، جریان لمینار (آرام و بدون تلاطم) است که با استفاده از یک کتری گردن‌غازی امکان‌پذیر می‌شود. پارک می‌گوید: «اگر از یک کتری آب معمولی استفاده کنید، کنترل جریان کمی سخت است و اگر جریان به‌اندازه کافی لمینار نباشد، بستر قهوه را نیز حفر نمی‌کند.»
این تیم کشف کردند وقتی آب از ارتفاع ریخته می‌شود، اثر اختلاط قوی‌تری ایجاد می‌کند. یانگ توضیح می‌دهد: «وقتی در حال دم کردن یک فنجان هستید، چیزی که طعم قهوه و همه چیزهای خوب را از دانه‌ها می‌گیرد تماس بین دانه‌ها و آب است. بنابراین، ایده این است که سعی کنیم تماس بین آب و دانه‌های قهوه را در کل فرآیند ریختن افزایش دهیم.» اما آنها دریافتند اگر از ارتفاع خیلی زیاد ریخته شود، جریان آب به قطرات تجزیه می‌شود و هوا را با خود به داخل مخروط قهوه می‌برد که درواقع می‌تواند کارایی استخراج را کاهش دهد.محققان آزمایش‌های بیشتری را با دانه‌های قهوه واقعی برای اندازه‌گیری بازده استخراج کل مواد جامد محلول انجام دادند. نتایج آنها تأیید کرد که استخراج قهوه را می‌توان با طولانی کردن زمان اختلاط با ریزش‌های کندتر اما مؤثرتر که از دینامیک بهمن استفاده می‌کند، تنظیم کرد.
مفاهیم گسترده‌ای که فراتر از آشپزخانه است
این مطالعه، نامه‌ای عاشقانه به قهوه است و همچنین پنجره‌ای به تحقیقات گسترده‌تر تیم پژوهشی. ماتیجسن می‌گوید: «ما این کار را فقط برای سرگرمی انجام نمی‌دادیم. ما ابزار پروژه‌های دیگر را داشتیم و متوجه شدیم قهوه می‌تواند یک سیستم مدل منظم برای کشف اصول فیزیکی عمیق‌تر باشد.»
یانگ خاطرنشان می‌کند که این اصول فراتر از آشپزخانه کاربرد دارد. اومی‌گوید: «این نوع رفتار سیال به ما کمک می‌کند بفهمیم که چگونه آب سنگ‌های زیر آبشارها یا پشت سدها را فرسایش می‌دهد.» ماتیجسن اضافه می‌کند که حتی سیستم‌های تصفیه و فیلتراسیون فاضلاب نیز دینامیک مشابهی دارند.
این پروژه همچنین نشان‌دهنده تحقیقات در حال انجام در این آزمایشگاه است. زیرا پارک در حال کار روی سطوح فعال در مقیاس کوچک است که از میدان‌های مغناطیسی چرخشی برای تمیز کردن بیوفیلم‌ها از دستگاه‌های پزشکی استفاده می‌کند.
در همین حال، یانگ نیز در حال بررسی جریان‌های بیولوژیکی فوق سریع است و از همان تنظیمات تصویربرداری با سرعت بالا استفاده می‌کند تا بررسی کند چگونه گرداب‌های کوچک تولید شده توسط مژک‌های ریه به پاکسازی پاتوژن‌ها کمک می‌کند.
ماتیجسن می‌گوید:«می‌توانید ازچیزی کوچک مثل قهوه شروع ودرنهایت مکانیسم‌هایی راکشف کنیدکه درمقیاس‌های زیست‌محیطی یا صنعتی اهمیت دارند.»
آیسا اسدی - روزنامه‌نگار