La moka italiana

La moka italiana

La moka è la caffettiera più usata in Italia. Essa è composta da tre parti: la base, dove si versa l'acqua da riscaldare, un filtro metallico cilindrico, dove si mette la polvere di caffé ottenuta da una macinazione abbastanza fine, e la parte superiore, approssimativamente a forma di cono tronco rovesciato, dove esce la bevanda pronta. Il filtro è il cuore della caffettiera moka: inferiormente al filtro è fissato un imbuto metallico che pesca molto vicino al fondo del contenitore di base.

La caffettiera moka non offre molto spazio all'inventiva del preparatore. Egli, a differenza di altri metodi di preparazione del caffé, deve seguire la ricetta fissata dai parametri progettuali della caffettiera: bisogna versare acqua nel contenitore di base fino a che essa non superi in altezza la valvola di sicurezza, il filtro deve essere pieno (circa 6 grammi per 50 ml. di acqua).

Il processo di preparazione del caffé con la caffettiera moka è molto interessante. Il caffé macinato viene posto nel filtro e pressato solo moderatamente, nella parte inferiore si mette l'acqua. La moka si chiude avvitando la base e la parte superiore intorno al filtro che copre quindi l'acqua contenuta nella base. La tenuta tra le due metà è assicurata da una guarnizione di gomma. La caffettiera viene posta su di una fiamma debole. Si deve portare fino all'ebollizione l'acqua contenuta nella parte inferiore, cosi la pressione del vapore contenuto nella base sopra la superficie dell'acqua e sotto l'imbuto metallico aumenta rapidamente forzando l'acqua a risalire attraverso il gambo dell'imbuto e quindi attraverso la polvere di caffé contenuta nel filtro. La bevanda sale quindi attraverso un sottile tubo fino a ricadere nella metà superiore. A questo punto il caffé e' pronto e può essere servito in tazzine.

A muovere il processo descritto è certamente il fuoco. All'inizio si riscalda l'acqua fino a portarla all'ebollizione in uno spazio chiuso, dove l'acqua occupa la maggior parte dello spazio a disposizione. L'acqua nella caffettiera raggiunge ben presto la temperatura di ebollizione a 100 °C (al livello del mare). In conseguenza, la pressione del vapore saturo sopra l'acqua raggiunge il valore di 1 atm. Continuando a somministrare calore alla caffettiera, crescono la pressione del vapore saturo e la temperatura dell'acqua.                  

(il grafico mostra l'andamento della pressione del vapore saturo in funzione della temperatura)

La pressione esterna (al di sopra del filtro) rimane uguale alla pressione atmosferica. Il vapore saturo, che si trova ad una temperatura maggiore di 100 °C, agisce come una molla compressa spingendo l'acqua bollente, appena un po' surriscaldata, attraverso la polvere di caffé contenuta nel filtro. In questo modo vengono estratti tutti gli aromi, l'essenza del caffé e altre componenti che trasformano l'acqua in una gustosa bevanda.

Ovviamente il gusto di questa bevanda dipende dalla qualità della polvere di caffé che si trova nel filtro, dalla temperatura dell'acqua e dal tempo impiegato dall'acqua per attraversare il filtro. Il segreto per la preparazione della miscela, la tostatura dei chicchi di caffé, la sua macinatura, sono segreti di ogni produttore, basati sul talento, il lavoro e la lunga esperienza.

Da che cosa dipenda il tempo di transito dell'acqua attraverso il filtro, noi lo possiamo capire senza ricorrere allo spionaggio industriale, basandoci soltanto sulle leggi della fisiche.

Nella metà del diciannovesimo secolo due ingegneri francesi A. Darsì e G. Dupui compirono le prime osservazioni sperimentali del movimento dell'acqua nei tubi riempiti di sabbia. Queste ricerche hanno rappresentato l'inizio dello sviluppo della teoria empirica della filtrazione, che oggi si applica con successo allo studio del moto dei liquidi attraverso i solidi che hanno pori e crepe interconnesse. Fu quindi Darsì a formulare la cosiddetta legge di filtrazione lineare, che oggi porta il suo nome.

Questa legge mette in relazione la massa di fluido che passa in un secondo (Q) attraverso un filtro di spessore L e sezione S, con la differenza di pressione DP alle due estremità del filtro stesso:

Q = K r S DP / h L

In questa formula r ed h rappresentano, rispettivamente, la densità e la viscosità del fluido. La costante K (detta coefficiente di filtrazione) non dipende dalle caratteristiche del liquido ma solo dal mezzo poroso. Nei lavori originali di Darsì si supponeva che la differenza di pressione DP originasse esclusivamente dalla forza peso. In tali condizioni DP = r g DH ove g è l'accelerazione di gravità e DH rappresenta di differenza di quota tra le due estremità del filtro che si suppone disposto verticalmente. Come si può vedere dall'analisi di formula 1) K ha le dimensioni di una superficie, si misura quindi, nel Sistema Internazionale, in m². I valori numerici della costante K sono, di solito molto piccoli. Per esempio in un terreno sabbioso costituito da grani grossi il coefficiente di penetrazione K assume valori dell'ordine 10^-12 - 10^-13 m², in un terreno di sabbia pressata K 10^-14 m².

Cerchiamo di applicare ora la legge di Darsì allo studio della nostra Moka. Per esempio è interessante sapere fino a che temperatura si surriscalda l'acqua bollente nella base della caffettiera. Tale temperatura si può ricavare analizzando la legge di dipendenza della temperatura di ebollizione dalla pressione esterna (guarda fig. 2 ) ed utilizzando la legge di Darsì:

DP = m hL/(Srkt)

L'usuale spessore del filtro, per una moka da tre persone, e': L = ,

S=30 , e la massa del caffè di circa 100 g si prepara in t minuti. Come coefficiente di filtrazione possiamo utilizzare quello di un terreno di sabbia grossa k , .

Con la viscosità è necessario fare molta attenzione poiché essa dipende dalla temperatura. Però nelle tavole delle dimensioni fisiche si può trovare che h(100 °C)=1 Kg m^-1s^--1  , da questo segue che DP 10⁴ Pa. La temperatura di ebollizione dell'acqua, come si vede dal grafico in fig. 2, e' T*=105 °C.

Abbiamo quindi capito la base fisica del processo di preparazione del caffé in una moka italiana. Pero ci sono lati oscuri in questa macchina che si può trasformare in una vera e propria bomba, minacciando il soffitto e le pareti della cucina, per non parlare dell'incolumità di chi si trova nei paraggi.

Perché e come può succedere? E' chiaro che tale esito disastroso si può avere soltanto nel caso in cui la valvola di sicurezza, posta nella base della caffettiera, sia ostruita. Allo stesso tempo è necessario che sia precluso anche il naturale sfogo attraverso il filtro contenete il caffé. Ad esempio, la polvere macinata troppo fine e molto pressata può diventare quasi impenetrabile per l'acqua. Se entrambe le condizioni sono verificate, la pressione nella base può crescere così tanto da spanare la filettatura sulla quale è avvitata la parte superiore della caffettiera.

Cerchiamo ora di spiegare in due parole cosa avviene quando la polvere di caffé viene pressata eccessivamente.

E' necessario ricordare che la legge di Darsì ha una natura fenomenologica. A livello microscopico invece il filtro può essere immaginato come un sistema di capillari di varie sezioni e lunghezze connessi tra di loro.

L'applicabilità della legge di Darsì implica che il flusso del liquido attraverso il filtro avvenga in modo laminare. Nella realtà, eventuali brusche irregolarità nella struttura dei capillari implicano la formazione di vortici ed il conseguente passaggio al moto turbolento. Questi fenomeni dissipativi richiedono, al fine di mantenere il flusso costante attraverso il filtro, un aumento della pressione applicata.

L'altro motivo che stabilisce il limite inferiore per la trasparenza del filtro è legato al fenomeno della tensione superficiale. Infatti è noto che in un capillare ideale di sezione r è necessario applicare una differenza di pressione DP>2s/r. Stimando la sezione dei capillari dell'ordine di 10^-4m, e ricordando che s è circa 0.07 N/m , si ottiene che la soglia per la trasparenza del filtro è 10³ Pa. Questo valore è circa un ordine di grandezza inferiore rispetto al valore stimato per la differenza di pressione applicata al filtro alla temperatura di 105 °C.

In queste condizioni è chiaro che se polveri sottili di caffé vengono eccessivamente pressate nel filtro, il raggio efficace dei capillari può divenire molto minore del valore di 10^-4 m stimato precedentemente. In queste condizioni il filtro può diventare in pratica impenetrabile.

Le caffettiere che si trasformano in bombe possono essere davvero molto pericolose.

Si raggiunge una pressione altissima e anche l'energia in gioco è impressionante, così l'esplosione può proiettare alcune parti della moka con velocità fino a centinaia di metri al secondo. Questo dimostra la forza poderosa che si sviluppa dentro la caffettiera grazie al riscaldamento eccessivo: questa forza basta ed avanza non solo per sporcare tutta la cucina con il caffé ancora non pronto ma anche per procurare altri guai.