Cervesa explosiva: un volcà embotellat8 min de lectura

per Mikel Ocio Moliner

Vesprada amb amics, aneu al bar, demaneu unes birres i algun graciós li pega a la boca de la teua botella. En un segon, s’ha convertit en espuma i te l’has de veure de seguida, i acabes xopat i traent cervesa pel nas. A part de per a replantejar-nos les nostres amistats, aquesta broma també ens pot servir per a aprendre sobre la física que regeix el comportament de les bombolles de CO₂, siga en begudes carbonatades o en llacs volcànics.

Explota Explota’m Explo’

Un equip de la Universitat Complutense de Madrid (clarament posseïts per l’esperit de la Raffaella Carrà) va estudiar aquest fenomen l’any 2013. De fet, els líquids sobresaturats, és a dir, els que contenen més gas dissolt del que poden assimilar, no són nous en el món de la física. Un any abans, investigadors irlandesos van explicar per què les bombolles de la cervesa Guinness s’afonen en lloc de surar. Però més enllà de la recerca bàsica, en la indústria els refrescos i del cava existeix interès per potenciar sabors i aromes a través de les bombolletes que esclaten en arribar a la superfície.

Per a entendre quin era l’origen i com es propagava aquesta espumosa explosió, aquests investigadors van utilitzar una càmera d’alta velocitat i un hidròfon, un aparell per enregistrar l’evolució de la pressió en el fluid. D’aquesta manera, van observar que l’erupció consta de tres fases. Cadascuna d’aquestes correspon a un procés físic diferent amb una escala temporal particular: 

1. Després de l’impacte al coll de la botella, una ona de compressió viatja fins al cul d’aquesta. 
2. Un cop arriba al final, part de l’ona és reflectida i transmesa al líquid, per on es propaga una ona d’expansió cap a la superfície. 
3. Altra volta, una part torna a rebotar i comença de nou aquest cicle fins a atenuar-se per complet. 

Aquest tren d’ones en direccions oposades es comporta com una molla esmorteïda, i depèn del medi en què es propaga. Per exemple, si el recipient és de vidre, la transmissió de l’impacte serà més efectiva. Per al cas clàssic (quinto o mitjana), açò ocorre en 0,2 mil·lisegons fins que l’ona s’esvaeix. En eixe temps, les bombolles ja existents a la cervesa es fragmenten a causa d’aquestes oscil·lacions en la pressió (divide et impera). Aquesta fase de col·lapse es coneix com a cavitació induïda per xoc. La cavitació és un canvi d’estat líquid a estat gasós que es dona per una baixada sobtada de la pressió (no confondre amb l’ebullició, que on la transició és conseqüència d’un augment de la temperatura).

En la segona fase, totes aquestes petites bombolles acabades de formar comencen a créixer a un ritme constant a causa de la difusió, cap a elles, del gas dissolt al líquid. Açò ocorre perquè, en formar-se bombolles petites (entorn un milió) on abans n’hi havia una de gran, augmenta l’àrea superficial de les bombolles respecte al volum. L’increment d’aquesta ràtio porta a un estat de major energia i, per tal de reduir-la (ja que la natura també és gandula i prefereix els estats de mínima energia), el gas entra dins de les bombolles.

Al cap d’un mil·lisegon de l’impacte, el CO₂ en el veïnat d‘aquestes noves bombolles s’esgotarà i en frtenarà el ritme de creixement, però als deu mil·lisegons començarà l’última fase i la més efectiva en termes d’explotabilitat: l’erupció, causada per l’empenta. Com resa el principi d’Arquimedes, “tot cos submergit en un fluid experimenta una empenta vertical i cap amunt igual al pes de fluid desallotjat.” Com que el gas és menys dens que el líquid, experimentarà aquesta força d’empenta, fent que les bombolles pugen cap a la superfície. 

Aquest ràpid ascens du a la formació de remolins, que per arrossegament es mesclen amb el fluid provocant que més CO₂ entre a les bombolles. Aquesta retroalimentació és semblant a la que ocorre en explosions de supernoves. Aquest efecte de reacció en cadena també es veu reflectit en la forma, ja que s’observa la forma de fong característica de les bombes nuclears.

Perill invisible

Més enllà d’explicar aquest efecte quotidià, que té lloc en tan sols un segon, la cavitació induïda per xoc també es dona a majors escales, sent les erupcions límniques el principal exponent. Les erupcions límniques són un fenomen en què s’allibera sobtadament diòxid de carboni de les profunditats de llacs situats en zones volcàniques. . A causa de les filtracions de gasos procedents del volcà, estan prop d’arribar al punt de saturació amb gasos com el CO₂, és a dir, al límit de la màxima concentració de gas que poden assimilar. A més, perquè un llac siga candidat a patir aquesta erupció, ha d’estar estratificat (és a dir, organitzat en capes). En aquest tipus de llacs, anomenats meromíctics, les capes superficials i abissals no es mesclen, per la qual cosa l’aigua saturada de CO₂, més densa, roman al fons del llac.

Igual que en el cas de la cervesa, quan un esdeveniment sobtat trenca aquest equilibri inestable, es “destapa la botella” i s’allibera el gas a l’atmosfera. En zones d’activitat tectònica, el responsable pot ser una erupció o un terratrèmol, però fins i tot es pot donar per fenòmens menys extraordinaris, com despreniments de terra o tempestes amb fortes pluges. Com apunta l’estudi de la Complutense, la dinàmica d’aquesta explosió és independent del mecanisme que la inicia: es pot desencadenar per diferents i variats estímuls.

Al llarg de la història, només s’han enregistrat dues erupcions límniques, un fet que es pot deure, en part, a la invisibilitat de la causa subjacent. L’any 1984, el llac Monoun, a Camerun, matava 37 persones. Dos anys més tard, al llac Nyos, al mateix país, l’erupció va posar fi a la vida de 1700 habitants d’una vall propera. Si bé és cert que l’explosió pot generar un tsunami, el perill no resideix en la virulència d’aquesta, sinó més aviar en el gas que s’allibera. Aquest gas és més dens que l’atmosfera i desplaça l’aire, i, per tant, provoca l’asfíxia dels qui el respiren.

Una amenaça latent

Tot i l’estranyesa d’aquest fenomen, actualment hi ha més zones en les quals es podria donar una catàstrofe semblant. El llac Kivu està situat entre la República Democràtica del Congo (RDC) i Ruanda, és unes 1700 vegades major que el llac Nyos i alberga una major densitat de població a la seua costa. Aquest llac s’ubica als peus del volcà Nyiragongo, que va entrar en erupció l’any 2021, i conté 300 kilòmetres cúbics de CO₂, entorn un 5% del global de les emissions de gasos d’efecte hivernacle (o uns 250000 parcs del Retiro, en unitats del Sistema Internacional)

El problema en aquest cas és, però, el metà, un gas menys soluble i que està més prop del punt de saturació. Com a mesura per a desgasar el llac, el metà es bombeja cap a la superfície i s’utilitza per a generar electricitat mitjançant la seua combustió. Aquesta delicada operació, duta a terme principalment per l’empresa KivuWatt des de l’any 2016, també involucra el retorn de l’aigua parcialment desgasada a la profunditat correcta, ja que prop de la superfície és un potencial perill per a la flora i la fauna, però també pot desencadenar una explosió si s’allibera massa prop del fons.

Aquesta reserva de metà també és vista, per tant, com un altre valuós recurs natural a explotar en un país condemnat per la riquesa que s’amaga a les seues entranyes. Goma (RDC), la principal ciutat situada al llac Kivu, està sota el control de milícies ruandeses. L’any 2020, un any abans de l’erupció, l’observatori volcànic de la ciutat va plegar per falta de finançament

Ja per acabar

Una possible resposta a la publicació de l’estudi sobre la cervesa pot ser criticar que es financen aquest tipus d’investigacions, ja que a priori poden semblar poc més que un divertiment extravagant. No obstant això, hem vist un exemple d’una experiència quotidiana que amaga un bon grapat de fenòmens: cavitació, difusió i empenta. Més enllà del saber per saber, té un impacte real en el món: bé en aplicacions de caràcter més comercial, amb les quals de vegades sembla que s’ha de justificar la recerca bàsica, o bé en una millor comprensió del dia a dia.

Així que la pròxima vegada que algú vos faça aquesta broma, expliqueu-li tota la història que amaga (i no vos la tornarà a fer per no sentir-vos, resultats contrastats).

Per saber-ne més

La Ciencia de la Mula Francis – Por qué las burbujas de una Guinness descienden por la pared interna de la pinta 

Viquipèdia – Erupció límnica

Ciència Oberta – Per què els icebergs floten i el gel del whisky no?

Sobre l’autor: Mikel Ocio Moliner

Nascut i criat al sud del Sénia, vaig estudiar Física a la UV, més per no complicar-me triant carrera científica que per vocació. M’interessen els fenòmens complexos en què convergeixen diferents disciplines, raó per la qual vaig acabar en el món de la biofísica. Espero apropar-vos la ciència que hi ha darrere d’històries quotidianes.

Referències

Rodríguez-Rodríguez, J., Casado-Chacón, A., & Fuster, D. (2014). Physics of beer tapping. Physical review letters, 113(21), 214501.

Jones, N. (2021). How dangerous is Africa’s explosive Lake Kivu?. Nature, 597(7877), 466-469.

Imatge de portada extreta de Marco Verch, CC BY 2.0 DEED

Imatge 3 extreta de Javier Rodríguez-Rodríguez

Imatge 4 dreta extreta de jbdodane, CC BY-NC 2.0 DEED Imatge 5 extreta de Steve Evans, CC BY-NC 2.0 DEED