PTB entwickelt Verfahren zur Messung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit kleiner Körper

12.10.2010: Kaffee ist noch vor Bier das beliebteste Getränk in Deutschland. Und nicht nur hier. Weltweit wurden 2007 rund 7,7 Millionen Tonnen Kaffee angebaut, getrocknet, geröstet und gehandelt. Allein zum Trocknen und Rösten wendet die Nahrungsmittelindustrie in Deutschland fast eine Milliarde KWh pro Jahr an Energie auf. Bei den derzeit hohen Energiekosten möchte man möglichst genau wissen, wie lange die Bohnen höchstens trocknen müssen und wann sie frühestens duftend geröstet aus dem Ofen gezogen werden dürfen. Hierzu müssten indes die thermischen Transporteigenschaften von einzelnen Kaffeebohnen bekannt sein: Wie gut und vor allem wie schnell befördern sie die angebotene Wärme in ihr Inneres, wie schnell tritt hierbei die Feuchte aus? Um die Industrie beim sparsamen Umgang mit Energie zu unterstützen, hat sich die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) des Messproblems kleiner Probekörper erfolgreich angenommen. Das neuartige Verfahren bestimmt die beiden Transporteigenschaften Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit auch einer einzelnen Kaffeebohne präzise und schnell.

Eine einzelne Bohne zu messen war bisher unmöglich. Stattdessen wird gepresstes Kaffeemehl untersucht, was leider nur grobe Schätzwerte für die strukturabhängigen Eigenschaften von Bohnen liefern kann. Nicht nur für die Kaffeebohne gilt „zu klein zum Messen“, sondern auch für zahlreiche andere Lebens- und Genussmittel, wie beispielsweise Nüsse.

Das neue Verfahren aus der PTB löst das Problem. Als Sensor genügt ein handelsüblicher Folien-Temperaturfühler, der bei einer Dicke von 50 µm eine Messfläche von lediglich 3,1 mm x 3,0 mm aufweist. Zur Analyse wird er zwischen die beiden Hälften einer Bohne eingelegt, und bereits zwei bis drei Minuten später liegt das Ergebnis vor. Da die Wärmeleitfähigkeit einer Bohne noch wesentlich von ihrer Feuchte abhängt, lässt sich auch diese Eigenschaft ermitteln. Der Fühler verträgt Temperaturen bis zu 180 ºC. Das befähigt ihn, selbst während des Trocknungs- oder Röstvorgangs laufend aktuelle Werte für die genannten Transportgrößen zu messen. Damit stehen die energierelevanten Parameter beider Verarbeitungsschritte jederzeit zur Regelung und Optimierung des gesamten Prozesses zur Verfügung.

Das neue Verfahren ist in der Lage, innerhalb von wenigen Minuten mit einer einzigen Messung auch an einer Probe von nur etwa 100 mm³ Volumen deren Wärmeleitfähigkeit und, falls erforderlich, auch deren Feuchtegehalt zu bestimmen, außerdem die Temperaturleitfähigkeit und volumetrische spezifische Wärme. Bereits ein handelsüblicher Sensor genügt für derartige Messungen, die dann bei Temperaturen zwischen -50 ºC und 180 ºC erfolgen können.

Doch woher weiß man nun, dass die neue Methode richtig misst, wenn es weltweit kein Vergleichsverfahren gibt? Zum einen wurde das PTB-Verfahren an bekannten Referenzmaterialien erfolgreich überprüft, zum anderen gilt folgender Zusammenhang: Der Quotient von Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit ist gleich dem Produkt aus spezifischer Wärmekapazität und Dichte. Im Gegensatz zu den beiden genannten Transportparametern verändert die spezifische Wärme der Bohne auch durch Mahlen nicht ihren Wert. Mithin ist diese Stoffeigenschaft von Messungen an Kaffeemehl zuverlässig bekannt. Für einen direkten Vergleich benötigt man indes noch die Dichte der untersuchten Bohne. Für die Wissenschaftler der PTB war auch diese Analyse kein größeres Problem. Das Archimedische Prinzip nutzend, wurde ein Experiment aufgebaut, das den benötigten Wert mit sehr guter Genauigkeit rasch geliefert hat.