Le coût des haricots arabica crus, la composante centrale de la plupart des café, a augmenté ces dernières années en raison de quatre saisons consécutives de temps défavorable. Le changement climatique a ajouté une pression supplémentaire, menaçant l'équilibre de température délicat requis par la plante Coffea Arabica. Cette pression croissante a inspiré les physiciens de l'Université de Pennsylvanie à demander: Pouvons-nous faire un excellent café avec moins de grains?
« Il y a beaucoup de recherches sur la mécanique des fluides, et il y a beaucoup de recherches sur les particules séparément », explique Arnold Mathijssen, professeur adjoint à la School of Arts & Sciences. « Peut-être que c'est l'une des premières études où nous commençons à rassembler ces choses. »
Leurs résultats, publiés dans la revue Physique des liquidesfournir une approche scientifique pour améliorer l'efficacité d'extraction afin que moins de terrains de café puissent aller plus loin sans diminuer la qualité globale.
« Nous avons essayé de trouver des moyens où nous pourrions utiliser moins (ou) le moins de café possible et profiter simplement de la dynamique des fluides de la coulée à partir d'une bouilloire de col de cygne pour augmenter l'extraction que vous obtenez du terrain de café, tout en utilisant moins de terrain », explique le co-auteur Ernest Park, un chercheur diplômé du Mathijssen Lab.
L'expérience a dû être visible à rendre l'invisible, explique le co-auteur Margot Young, chercheur diplômé du laboratoire Mathijssen.
« L'opacité du café rend difficile d'observer directement la dynamique de versement, nous avons donc échangé dans des particules de gel de silice transparentes dans un cône de verre », explique Park.
Une feuille laser et une caméra à grande vitesse leur ont permis de regarder les cours d'eau d'eau créer des « avalanches miniatures » de particules – révolutionnant le fonctionnement interne du flux. L'eau versée d'une hauteur produit l'effet d'avalanche qui suscite le lit de particules et améliore l'extraction.
Un facteur clé dans ce processus est la laminaire, ou le flux lisse et non perturbé – maîtrisé par une bouilloire de col en cygne, même avec un flux de versement doux. « Si vous deviez utiliser une bouilloire régulière, il est un peu difficile de contrôler où va le débit », explique Park. « Et si le débit n'est pas assez laminaire, il ne déterre pas le lit de café également. »
L'équipe a découvert que lorsque l'eau est versée d'une hauteur, elle crée un effet de mélange plus fort.
« Lorsque vous préparez une tasse, ce qui donne tout ce goût de café et que toutes les bonnes choses du parc est un contact entre le terrain et l'eau », explique Young. « Ainsi, l'idée est d'essayer d'augmenter le contact entre l'eau et le terrain dans l'ensemble dans le versement. »
Ils ont constaté que s'ils étaient versés d'une hauteur trop grande, le flux d'eau se sépare en gouttelettes, transportant de l'air avec elle dans le cône de café, ce qui peut réellement réduire l'efficacité d'extraction.
Les chercheurs ont mené des expériences supplémentaires avec de véritables terrains de café pour mesurer le rendement d'extraction de solides dissous totaux. Leurs résultats ont confirmé que l'extraction du café peut être réglée en prolongeant le temps de mélange avec des versements plus lents mais plus efficaces qui utilisent la dynamique de l'avalanche.
Pour un débit d'eau plus épais, ils ont constaté que des versements plus élevés entraînaient un café plus fort, confirmant leurs observations sur une agitation accrue avec des hauteurs de versement plus élevées. Lorsque vous utilisez un jet d'eau plus mince, l'extraction est restée régulièrement élevée sur différentes hauteurs de coulées, peut-être en raison du temps de versement plus long nécessaire pour atteindre le volume cible.
De grandes implications qui s'étendent au-delà de la cuisine
L'étude est une lettre d'amour au café – et c'est aussi une fenêtre sur la recherche plus large de l'équipe. « Nous ne faisions pas cela pour le plaisir », explique Mathijssen. « Nous avions les outils d'autres projets et que le café réalisé pourrait être un système de modèle soigné pour explorer des principes physiques plus profonds. »
Ces principes s'étendent bien au-delà de la cuisine, note jeune. « Ce type de comportement fluide nous aide à comprendre comment l'eau érode la roche sous des cascades ou derrière les barrages », dit-elle. Même les systèmes de traitement et de filtration des eaux usées impliquent une dynamique similaire, ajoute Mathijssen.
Le projet reflète également des recherches en cours dans le laboratoire, car Park travaille sur des surfaces actives à microscope qui utilisent des champs magnétiques rotatifs pour nettoyer les biofilms des dispositifs médicaux.
Young, quant à lui, étudie les flux biologiques ultra-rapides, en utilisant la même configuration d'imagerie à grande vitesse pour étudier comment les petits tourbillons générés par les cils pulmonaires aident à effacer les agents pathogènes.
« Vous pouvez commencer petit, comme avec du café », explique Mathijssen. « Et finissent par découvrir des mécanismes qui comptent à des échelles environnementales ou industrielles. »
