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Wissenschaft im Alltag: Hydrodynamik im Kaffeeglas

Genießern mit Hang zur Physik empfiehlt der Küchenchef heute: Latte macchiato auf hydrodynamische Art.
Latte Macchiato
Milch aufschäumen und in ein großes Glas geben, dann vorsichtig frisch gebrühten Espresso eingießen. Auch optisch ist das Trendgetränk Latte macchiato ein Genuss, sofern der "Barista" hinter dem Tresen sein Handwerk versteht. Die wörtliche Übersetzung des Namens als "befleckte Milch" wird dem Latte macchiato kaum gerecht. Zumal er auch ein intellektuelles Vergnügen bereiten kann, denn was da im Glas geschieht, ist pure Physik. Da Espresso eine geringere Dichte als Milch besitzt, sammelt er sich zunächst im oberen Bereich des Glases. Doch in der Grenzschicht vermischen sich die beiden Flüssigkeiten. Wer genau hinschaut, kann hier sogar Wirbel beobachten.

Perfekte Latte: Schichtung durch Konvektion
Perfekte Latte: Schichtung durch Konvektion | Die Schichtung eines gut gemachten Latte macchiato entsteht durch Konvektionszellen an der Glaswand.
So einfach dieses Geschehen wirkt, genau versteht man diese Vorgänge bislang nicht. Dabei wurde die nach den Physikern Claude Louis Marie Henri Navier (1785–1836) und Sir George Gabriel Stokes (1819–1903) benannte Navier-Stokes-Gleichung, eine der Grundgleichungen hydrodynamischer Prozesse, bereits vor über 150 Jahren aufgestellt. Doch sie ist von so komplexer Struktur, dass bis heute keine mathematisch exakte Lösung der Gleichung bekannt ist. Das Interesse daran ist so groß, dass das Clay Mathematics Institute in Cambridge (Massachusetts) eine Million Dollar für die Entdeckung einer solchen Lösung ausgelobt hat. Natürlich geht es den Forschern dabei nicht um den Latte macchiato. Die Hydrodynamik spielt in vielen Naturwissenschaften eine wichtige Rolle. Ihre Gesetze beschreiben so unterschiedliche Phänomene wie die Explosion massereicher Sterne, die Dynamik von Lavaflüssen oder die Strömungen in den Ozeanen.

Aber eben auch die Vorgänge im Übergangsbereich zwischen Espresso und Milch im Latte macchiato. Denn dort kann man bereits kurz nach dem Eingießen beobachten, wie eine Abfolge von mehreren Schichten entsteht, die sich deutlich voneinander abheben. Dieser Effekt wird in der Hydrodynamik Layering genannt. Er tritt dann auf, wenn neben einem Temperaturunterschied auch ein Konzentrationsgefälle eines oder mehrerer gelöster Inhaltsstoffe existiert. Denn Temperatur und Konzentration bestimmen die Dichte der Flüssigkeit.

Auf den ersten Blick ist nicht verständlich, warum der nach dem Eingießen vorliegende Zustand in Bewegung gerät. Sofern der Barista sauber gearbeitet hat, ist der Espresso etwas wärmer als die etwa siebzig Grad Celsius heiße Milch. Da bei diesen Temperaturverhältnissen Letztere dichter ist als der darüberliegende Kaffee, sollte der Zustand stabil sein. Dass dem nicht so ist, beruht auf der Temperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit im Glas und der Luft des umgebenden Raums. Sowohl Espresso als auch Milch kühlen an der Glaswand ab und sinken nach unten. Damit kommt eine Kreisbewegung, eine so genannte Konvektion, in Gang: Von der Mitte des Glases strömt warme Flüssigkeit zum Rand, die sich abkühlt, nach unten sinkt und so weiter. Der zusätzliche Einfluss der Konzentration auf die Dichte sorgt dafür, dass die Flüssigkeit nicht bis zum Boden des Glases absinkt, sondern dass sich eine vertikale Abfolge von Konvektionszonen ausbildet. Deren genaue Anzahl ist von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit abhängig. Die Konzentration von Espresso in den Schichten nimmt dabei von oben nach unten ab. Dadurch ergibt sich, von der Seite betrachtet, das charakteristische Bild. Da die Bewegung von zwei Faktoren, nämlich Temperatur- und Konzentrationsgefälle, angetrieben wird, spricht man auch von Doppeldiffusion oder doppeldiffusiver Konvektion.

Interessanterweise tritt derselbe Effekt auch im Ozean in der Nähe von Eisbergen auf. Durch das Schmelzen des Eises, das aus Süßwasser besteht, bildet sich in der Umgebung ein Gefälle in der Salzkonzentration aus: Wasser mit niedrigem Salzgehalt ist über solches mit höherem geschichtet. Da das umgebende Wasser wärmer ist als der Eisberg, kühlt es sich an der Eiswand ab und sinkt nach unten. Es kommt zum gleichen Effekt wie beim Latte macchiato – was sich allerdings im Kaffeeglas leichter beobachten lässt. Zumindest ein Weilchen. Am Ende aller Konvektion und Doppeldiffusion bleibt ein physikalisch eher uninteressanter Milchkaffee, der zweifelsohne aber noch geschmacklich seine Reize hat.


Wussten Sie schon?

  • Ursprünglich stammt Kaffee vermutlich aus dem Hochland des heutigen Äthiopiens. Verlässliche historische Quellen existieren jedoch erst ab dem frühen 16. Jahrhundert, als das Getränk in der arabischen Welt schon weit verbreitet war. Durch die Expansion des Osmanischen Reichs gelangte es nach Kleinasien, Syrien, Ägypten und schließlich auch nach Südeuropa. Dort öffnete das erste Kaffeehaus 1645 am Markusplatz in Venedig seine Pforten. 1673 hatte Bremen als erste deutsche Stadt ein Café.

  • Pro Jahr trinkt der Deutsche im Durchschnitt 144 Liter Kaffee, Das entspricht einem Verbrauch von 6,1 Kilogramm Kaffeepulver. Insgesamt wurden im vergangenen Jahr in deutschen Röstereien 502 930 Tonnen rohe Kaffeebohnen zu 16 500 Tonnen löslichem Kaffee und 386 500 Tonnen Röstkaffee veredelt. Bei Letzterem entscheidet vor allem die Stärke der Röstung über die spätere Verwendung als Espresso (dunkle Röstung) oder Filterkaffee (helle Röstung).

  • Zur Frage nach den gesundheitlichen Auswirkungen des Kaffeekonsums haben verschiedene wissenschaftliche Studien in den vergangenen Jahren den Ruf des Getränks weit gehend rehabilitiert. Während ältere Untersuchungen vor allem die Auswirkungen einzelner Inhaltsstoffe, zum Beispiel des anregenden Koffeins, ins Auge fassten, kann dem Kaffee als Ganzem bei maßvollem Verbrauch keine gesundheitsschädliche Wirkung mehr nachgewiesen werden. Er gilt sogar als Quelle für Antioxidantien, die unter anderem Krebserkrankungen vorbeugen können. Insbesondere bei Magen- oder Herzproblemen sollte man dennoch Vorsicht walten lassen.
  • 10.02.2007

    Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 10.02.2007

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