¿Podría la física ayudarnos a preparar una mejor taza de café con menos granos?

El costo de los granos crudos de arábica, utilizados para elaborar la mayor parte del café, ha aumentado en los últimos años debido a cuatro temporadas de mal tiempo. El cambio climático ha aumentado la presión sobre la agricultura y ha amenazado el equilibrio térmico que necesita la planta Coffea arabica. Esto ha inspirado a físicos de la Universidad de Pensilvania a plantearse la siguiente pregunta: ¿podemos preparar un café excelente con menos granos?

“Hay mucha investigación sobre mecánica de fluidos, y mucha investigación sobre partículas por separado”, dijo Arnold Mathijssen, profesor adjunto de la Facultad de Artes y Ciencias. “Quizás este sea uno de los primeros estudios donde empecemos a integrar estos aspectos”.

"Intentamos encontrar la forma de utilizar menos café [o] la menor cantidad posible y aprovechar la dinámica de fluidos del vertido de una tetera de cuello de cisne para aumentar la extracción que se obtiene de los posos del café, pero utilizando menos posos", explica Ernest Park, coautor e investigador del laboratorio Mathijssen. El experimento requirió hacer visibles algunos elementos. "La opacidad del café dificulta la observación directa de la dinámica del vertido, por lo que sustituimos las partículas de gel de sílice transparente por un cono de cristal", explica Park.

Láser y cámara mirando hacia adentro

Una cámara de alta velocidad y una lámina láser permitieron al equipo observar cómo las corrientes de agua creaban avalanchas de partículas, lo que les permitió comprender cómo funcionaba el flujo. El agua vertida desde cierta altura creó un efecto de avalancha que removió el lecho de partículas y mejoró la extracción.

Un factor clave para el proceso es un flujo suave y sin turbulencias, posible con una tetera de cuello de cisne. "Si se usara una tetera de agua normal, sería un poco difícil controlar el flujo", dice Park. "Y si el flujo no es lo suficientemente laminar, no se desatasca bien el lecho de café".

El equipo descubrió que cuando el agua se vierte desde cierta altura, se crea un efecto de mezcla más fuerte.

“Al preparar una taza, lo que consigue todo el sabor del café y todas las propiedades beneficiosas de los posos es el contacto entre estos y el agua”, dijo Young. “Así que la idea es intentar aumentar el contacto entre el agua y los posos en general durante el vertido”.

Los investigadores descubrieron que cuando se vertía el agua desde una altura demasiado grande, esta se rompía en gotas y arrastraba aire hacia el cono de café, lo que disminuía la eficiencia de la extracción.

Realizaron experimentos adicionales con posos de café para medir el rendimiento de extracción de los sólidos disueltos totales. Los hallazgos confirmaron que la extracción del café puede optimizarse prolongando el tiempo de mezclado mediante vertidos más lentos y efectivos.

Café más fuerte

Cuando el agua tiene un flujo más denso, descubrieron que el café se preparaba con más intensidad, lo que confirma que la agitación aumenta al verter el agua a mayor altura. Al usar un flujo de agua más fino, la extracción se mantuvo alta en diferentes alturas de vertido, lo que podría deberse al mayor tiempo de vertido requerido.

El estudio abre una ventana a otras investigaciones del equipo. "No lo hacíamos solo por diversión", dijo Mathijssen. "Contábamos con las herramientas de otros proyectos y nos dimos cuenta de que el café podía ser un sistema modelo excelente para explorar principios físicos más profundos".

“Este tipo de comportamiento de fluidos nos ayuda a comprender cómo el agua erosiona la roca bajo cascadas o detrás de presas”, afirmó Young. Los sistemas de tratamiento y filtración de aguas residuales también presentan dinámicas similares, añadió Mathijssen. “Se puede empezar con algo pequeño, como con el café, y acabar descubriendo mecanismos relevantes a escala ambiental o industrial”.

Referencia de la noticia:

Pour-over coffee: Mixing by a water jet impinging on a granular bed with avalanche dynamics | Physics of Fluids | AIP Publishing. Park, E., Young, M. and Mathijssen, A.J.T.M. 8th April 2025.