Die Physik des Bieres

Die Sankore Schriften

Der Sommer ist die Zeit der Biergärten. Für manche Menschen gibt es nichts Schöneres, als bei Sonnenschein mit Freunden oder Familie an der frischen Luft ein kühles Bier zu genießen. Fritz Maytag, ein amerikanischer Braumeister sagte einmal:

„Ein Bier entsteht nicht einfach so von alleine. Dazu gehören auch ein Quäntchen Zauberei und gewisse Dinge, die niemand so recht versteht“.

Kölsch
Abb.: Kölsch, ein Bier aus Köln

Über diese gewissen Dinge möchte ich heute schreiben. Sie betreffen die Schaumkrone des Bieres. Ein Bier ist goldgelb bis braun. Dann sollte der Schaum doch eigentlich auch eine ähnliche Farbe haben. Warum ist die Schaumkrone weiß? Warum fällt die Schaumkrone nicht sofort zusammen wie bei einer Cola oder anderen „Blubbergetränken“?

Warum ist die Schaumkrone weiß?

Bier ist ein sogenanntes heterogenes Gas/Flüssigkeitsgemisch. Das Gas Kohlendioxid (umgangssprachlich ungenau Kohlensäure genannt) kann sich nicht vollständig im Lösungsmittel Wasser lösen und bildet deshalb kleine Blasen. Beim Einschenken des Bieres wird Kohlendioxid freigesetzt. Dieses reißt Bierflüssigkeit mit an die Oberfläche und bildet so den Schaum, der mehr oder weniger aus kleinen Bläschen besteht. Die Hülle der Blasen ist so dünn, dass sie eigentlich durchsichtig ist. Im Inneren der Blasen befindet das durchsichtige Kohlendioxid. Eigentlich müsste der Schaum also unsichtbar sein, aber hier kommen die Gesetze der Lichtbrechung ins Spiel.

Der Übergang vom dichteren Medium (Bierflüssigkeit) zum weniger dichten Medium (das Gas Kohlendioxid) und umgekehrt erzeugt eine starke Lichtbrechung. Ab einem bestimmten Winkel des Lichteinfalls wird das Licht dabei sogar reflektiert. Je kleiner die Bierschaumbläschen sind, desto öfter wird das Licht gebrochen, bis es die Schaumkrone durchwandert hat und umso weißer erscheint der Schaum, denn dann wird auch besonders viel von dem einfallenden Licht reflektiert. Wird kein Licht absorbiert, verlässt alles einstrahlende Licht auch wieder den Schaum – und das Auge nimmt ein helles Weiß wahr. Die Farbe des Schaums richtet sich also allein nach der Farbe des einfallenden Lichts.

Was ist die Ursache der Lichtbrechung?

Die Lichtbrechung ist eine Folge der unterschiedlichen optischen Dichten von Stoffen. Ein Medium wird dann als optisch dicht bezeichnet, wenn in ihm die Lichtgeschwindigkeit stark verlangsamt wird. Die optische Dichte muss nicht unbedingt mit der mechanischen Dichte des Stoffes übereinstimmen. Während die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum rund 300 000 km/s beträgt, ist das Licht im Wasser nur noch 225 000 km/s schnell. In einem Diamanten verlangsamt sich die Lichtgeschwindigkeit sogar auf 124 000 km/s.

Warum fällt die Schaumkrone nicht sofort, wie bei der Cola, zusammen?

In der frisch eingeschenkten Cola ist es im Prinzip genauso wie beim Bier, jedoch ist der Schaum nicht strahlend weiß sondern hat eine bräunliche Tönung. Außerdem bewirkt die enorme Oberflächenspannung des Wassers, dass die Blasen an der Oberfläche sofort platzen.

Was ist die Oberflächenspannung des Wassers?

Zwischen den im Wasser befindlichen Molekülen wirken Anziehungskräfte aus allen Richtungen. Sie addieren sich insgesamt zu null. An der Wasseroberfläche sind diese Kräfte nicht ausgeglichen, weil keine Anziehungskräfte nach oben wirksam werden können: Es entsteht also eine gerichtete Kraft ins Flüssigkeitsinnere hinein.

Oberflächenspannung
Abb.: Oberflächenspannung in Flüssigkeiten

In den kleinsten Bläschen herrscht der höchste Gasdruck. Daher platzen sie zuerst. Ein Teil des frei werdenden Gases dringt in benachbarte Bläschen ein, wodurch deren Gasdruck wiederum ansteigt. Sie werden größer und platzen schließlich auch. So kommt eine Kettenreaktion in Gang, wobei die Blasen immer größer und labiler werden und natürlich zahlenmäßig abnehmen. Also nimmt auch die Schaummenge stetig ab. Dieser Vorgang beschleunigt sich, weil die Flüssigkeit zwischen den wachsenden Blasen immer besser abfließen kann.

Im Bier ist die Oberflächenspannung geringer als in der Cola. Die in der Cola gelösten Stoffe (Zucker, Phosphorsäure, Coffein usw..) bestehen alle aus ziemlich kleinen Molekülen, die auf die Oberflächenspannung kaum Einfluss haben. Bei Bier ist das anders: Beim Brauen verbleiben relativ langkettige Proteine, die sich mit den Hopfen-Geschmacksstoffen im Schaum zu elastischen Häutchen zusammentun und so die Oberflächenspannung verringern.

Um die Oberflächenspannung herab zu setzen, benötigt man lediglich Spülmittel. Spülmittel bewirkt, dass die Oberflächenspannung zerstört wird. Die Moleküle des Spülmittels ersetzen die Wassermoleküle an der Oberfläche, so dass die hohe Oberflächenspannung verloren geht. Eine weiße stabile Schaumkrone ist also der Beweis dafür, dass das Glas zuvor gründlich gespült wurde. Die Oberflächenspannung ist temperaturabhängig und nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. 

Die Oberflächenspannung ist der Grund dafür, dass Wasser bestrebt ist, seine Oberfläche möglichst gering zu halten. So nehmen z.B. Regentropfen Kugelform an. Die Oberflächenspannung trägt dazu bei, dass manche Insekten, zum Beispiel die Wasserläufer, auf der Wasseroberfläche laufen können. Sollte das Insekt jedoch die Oberfläche durchstoßen, kann es evtl. untergehen.

Wasserläufer
Abb.: Wasserläufer bei der Paarung

Weiterführende Links

Gesetze der Lichtbrechung

Oberflächenspannung

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Proteom von Bier kartiert

 

 

Bildnachweis

Bild „Kölsch, ein Bier aus Köln“

Trexer

Kölsch (Bier)

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Quelle: Wikimedia Commons

Bild „Oberflächenspannung in Flüssigkeiten“

Booyabazooka

Wasser in Tropfen und an der Phasengrenze

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Quelle: Wikimedia Commons

Bild “Wasserläufer bei der Paarung”

Markus Gayda

Wasserläufer bei der Paarung, Köln – wahrscheinlich Gerris najas

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Quelle: Wikimedia Commons

Joe Dramiga

Veröffentlicht von

Joe Dramiga ist Neurogenetiker und hat Biologie an der Universität Köln und am King’s College London studiert. In seiner Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Genexpression in einem Mausmodell für die Frontotemporale Demenz. Die Frontotemporale Demenz ist eine Erkrankung des Gehirns, die sowohl Ähnlichkeit mit Alzheimer als auch mit Parkinson hat. Kontakt: jdramiga [at] googlemail [dot] com

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