Αξιοποιώντας την επιστήμη του ηφαιστείου της μπύρας
Εάν έχετε πέσει ποτέ θύμα του «κτυπήματος της μπύρας», τότε θα ξέρετε πόσο ενοχλητικό και διασκεδαστικό ταυτόχρονα μπορεί να είναι το κόλπο για το πάρτι. Ο φίλος σας χρησιμοποιεί το μπουκάλι μπύρας του για να χτυπήσει πάνω στο δικό σας. Λίγη ώρα αργότερα, η μπύρα σας αφρίζει και ρέει έξω από το μπουκάλι, αφήνοντάς σας μουσκεμένο και διψασμένο. Τώρα, μια ομάδα μηχανικών ρευστών εξήγησε πώς αναδύεται αυτό το ηφαίστειο από αφρισμό. Η ανάλυση θα μπορούσε να εξηγήσει την περίεργη έκλυση CO2 από λίμνες και ακόμη και ηχήστε μια προειδοποιητική σημείωση σχετικά με τα σχέδια άντλησης CO2 από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής στο έδαφος.
«Είναι όμορφη δουλειά», λέει ο Devaraj van der Meer, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Twente στο Enschede της Ολλανδίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Η εξήγηση είναι πολύ, πολύ πειστική."
Η μελέτη ξεκίνησε όπως θα περίμενες. «Την πρώτη φορά που αρχίσαμε να σκεφτόμαστε αυτό το πρόβλημα ήμασταν σε ένα μπαρ», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Javier Rodríguez-Rodríguez του Πανεπιστημίου Carlos III της Μαδρίτης. Πώς το χτύπημα στο μπουκάλι προκαλεί τον αφρό της μπύρας; Η απάντηση φαίνεται προφανής. Η μπύρα είναι κυρίως υπερκορεσμένη σε νερό με CO2 . Δηλαδή, υπάρχει περισσότερο αέριο διαλυμένο στο υγρό από αυτό που θα έμενε κανονικά σε διάλυμα σε θερμοκρασία δωματίου και ατμοσφαιρική πίεση. Έτσι, η βρύση προκαλεί το CO2 βιασύνη να βγει από το διάλυμα μέσα σε αφθονία φυσαλίδων.
Αλλά αυτό δεν μπορεί να είναι όλη η ιστορία. Ο σχηματισμός νέων φυσαλίδων, ή σπηλαίωσης, συμβαίνει σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, όπως και η διάχυση αερίου έξω από το υγρό και μέσα στις φυσαλίδες. Έτσι, αν αυτό είναι το μόνο που συμβαίνει, τότε η μπύρα θα πρέπει να βγει από το μπουκάλι σε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου, λέει ο Rodríguez-Rodríguez. Αντίθετα, η μπύρα βγαίνει από το μπουκάλι σε λίγα δευτερόλεπτα, οπότε κάτι άλλο πρέπει να συμβαίνει. Για να μάθετε τι είναι, Rodríguez-Rodríguez. Almudena Casado-Chacón, φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο Carlos III. και ο Daniel Fuster, ένας μηχανικός ρευστών στο Πανεπιστήμιο Pierre and Marie Curie στο Παρίσι, εκπαίδευσαν μια κάμερα υψηλής ταχύτητας σε μπύρες με πατητή.
Η έκρηξη έχει τρία στάδια, αναφέρουν οι ερευνητές σε ένα άρθρο που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters . Πρώτον, σε δύο δέκατα του χιλιοστού του δευτερολέπτου, οι φυσαλίδες πολλαπλασιάζονται άγρια. Η βρύση στέλνει ένα κύμα συμπίεσης προς τα κάτω μέσα από το γυαλί του μπουκαλιού. Αυτό το κύμα αντανακλάται από το κάτω μέρος του μπουκαλιού και επανέρχεται μέσω του υγρού ως κύμα διαστολής, διευρύνοντας τις φυσαλίδες στην μπύρα - οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την ισπανική μάρκα Mahou. Στη συνέχεια, το κύμα ανακλάται από την επιφάνεια της μπύρας και ταξιδεύει πίσω μέσα από το υγρό, αυτή τη φορά ως κύμα συμπίεσης. Αυτή η ξαφνική συμπίεση σπάει κάθε μεγεθυσμένη φούσκα σε πολλές μικρότερες—έως και ένα εκατομμύριο, υπολογίζουν οι ερευνητές.
Στο δεύτερο στάδιο, οι μικροσκοπικές φυσαλίδες μεγαλώνουν γρήγορα. Κάθε σύννεφο ενός εκατομμυρίου μίνι φυσαλίδων έχει τεράστια συνολική επιφάνεια σε σύγκριση με μια μεμονωμένη φυσαλίδα που περιέχει την ίδια ποσότητα αερίου. Αυτή η επιφάνεια επιτρέπει το CO2 διαχέεται έξω από το υγρό πολύ γρήγορα και σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου το σύννεφο φυσαλίδων εκτείνεται σε περίπου 10 φορές την αρχική του διάμετρο - όπως μελέτησαν οι ερευνητές χρησιμοποιώντας έναν παλμό φωτός λέιζερ για να σχηματίσουν ένα σύννεφο φυσαλίδων με πιο ελεγχόμενο τρόπο. Σε εκείνο το σημείο, η ανάπτυξη του νέφους επιβραδύνεται, καθώς οι φυσαλίδες έχουν απορροφήσει το μεγαλύτερο μέρος της περίσσειας CO2 στο περιβάλλον υγρό.
Τελικά, μετά από αυτή τη σύντομη παύση, ξεκινά η τρίτη φάση της διαδικασίας. Μετά από περίπου 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου, τα πλευστά σύννεφα φυσαλίδων αρχίζουν να ανεβαίνουν μέσα από το υγρό. Στη συνέχεια αρχίζουν να στροβιλίζονται για να σχηματίσουν «δακτυλίους δίνης» που μοιάζουν με δακτυλίους καπνού. Αυτός ο στροβιλισμός αντλεί περισσότερο υγρό που είναι υπερφορτωμένο με CO2 , σε μια διαδικασία που ονομάζεται συναγωγή. Έτσι οι φυσαλίδες στο σύννεφο αρχίζουν να αναπτύσσονται ακόμη πιο γρήγορα από πριν σε μια αυτοενισχυόμενη «αυτοκαταλυτική» διαδικασία. Μέχρι να περάσει ένα δευτερόλεπτο, ένα πλήρες σιντριβάνι μπύρας αναβοσβήνει.
«Εκτιμούσαν πραγματικά ότι υπάρχουν διαφορετικά στάδια και τα εξήγησαν με απλή φυσική», λέει ο José Manuel Gordillo Arias de Saavedra, μηχανολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Σεβίλλης στην Ισπανία. Άλλοι ερευνητές μπορεί να είχαν αντιμετωπίσει το πρόβλημα απλώς προσομοιώνοντας το όλο θέμα σε έναν υπολογιστή, λέει. "Μελέτες όπως αυτή δείχνουν ότι μερικές φορές είναι καλύτερο να σκεφτόμαστε βαθιά ένα πρόβλημα", λέει ο Gordillo.
Η εργασία μπορεί επίσης να έχει ευρύτερες επιπτώσεις για τα γεωφυσικά φαινόμενα, λέει ο Gordillo. Για παράδειγμα, στις 21 Αυγούστου 1986, η λίμνη Nyos, μια λίμνη στην πλευρά ενός ανενεργού ηφαιστείου στο Καμερούν, απελευθέρωσε ένα τεράστιο σύννεφο διοξειδίου του άνθρακα που έπνιξε 1700 ανθρώπους. Αυτή η καταστροφική απελευθέρωση αερίου μπορεί να προήλθε από κατολίσθηση εντός της λίμνης. Θα μπορούσε να περιλάμβανε την αυτοκαταλυτική διαδικασία στην μπύρα, λέει ο Gordillo.
Η φυσική που προσδιορίζεται στην αφρισμένη μπύρα μπορεί επίσης να επηρεάσει τα σχέδια για απόκρυψη ή "δέσμευση" CO2 από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που καίνε άνθρακα και φυσικό αέριο βαθιά υπόγεια για να βοηθήσουν στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής, λέει ο Rodríguez-Rodríguez. Η μελέτη της μπύρας αυξάνει την πιθανότητα ότι ένα ξαφνικό «παροδικό» φαινόμενο θα μπορούσε να αναστατώσει μια τέτοια υπόγεια δεξαμενή και να προκαλέσει μαζική απελευθέρωση αερίου, λέει ο Rodríguez-Rodríguez. Τονίζει ότι δεν ξέρει αν μπορεί να συμβεί κάτι τέτοιο, αλλά θέλει να μελετήσει το θέμα. "Μία από τις συνεισφορές που θα μπορούσε να έχει η εφημερίδα είναι απλώς να κάνει τους ανθρώπους να δουν τι θα μπορούσε να συμβεί όταν υπάρχουν παροδικά", λέει.
Από ένα πείραμα για την μπύρα, αναβλύζουν πολλές ιδέες. Ίσως αξίζει ένα τοστ.
(Πιστοποίηση βίντεο:Almudena Casado-Chacón/Carlos III University of Madrid)
