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Montag, 05.12.2016
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Physik des Popcorns enträtselt

Warum der Mais beim Erhitzen platzt, springt und "Pop" macht

Überraschung im Kino-Snack: Es platzt, springt und gibt dabei ein lautes "Pop" von sich – wenn Mais zu Popcorn wird, herrscht Highlife im Topf. Aber was steckt physikalisch dahinter? Das haben nun französische Forscher mit Mikrophon und Highspeed-Kamera untersucht. Dabei entdeckten sie Überraschendes – darunter Katapultbeine aus Stärke und eine echte Wasserdampf-Explosion.
Popcorn - gepuffter Mais

Popcorn - gepuffter Mais

Egal ob süß oder salzig – der gepuffte Mais erfreut sich großer Beliebtheit. Und die Herstellung des Popcorns ist denkbar einfach: einfach die Maiskörner in einen geben Topf und erhitzen. Was dabei im Groben passiert, ist bekannt: Durch die Hitze verdampft im Maiskorn enthaltene Wasser und der Druck im Inneren steigt an, bis die feste Kornhülle platzt. Das Popcorn gibt dann ein lautes "Pop"-Geräusch von sich und springt im Topf in die Höhe. Gleichzeitig dehnt sich die Maisstärke aus und bildet die schaumstoffartige Masse des fertigen Popcorns.

Es beginnt bei 180°C


"Aber die physikalischen Ursachen dieser Phänomene wurden unseres Wissens nach bisher nicht näher beschrieben", erklären Emmanuel Virot von der Ècole Polytechnique in Palaiseau und Alexandre Ponomarenko von der Universität Grenoble. Sie haben dies nun nachgeholt, indem sie Popcorn auf einer heißen Platten "poppten" und dabei unter anderem mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera filmten.

Dabei zeigte sich, warum die Maiskörner meist alle gleichzeitig "poppen": Dies geschieht nur in einem sehr schmalen Temperaturbereich von knapp 180°C – und das sehr schnell. Der Grund dafür liegt im Verhalten des Wassers, wie die Forscher herausfanden: Von den 20 Milligramm Wasser, die ein durchschnittliches Maiskorn enthält, ist selbst kurz vor dem Platzen der größte Teil noch flüssig. Das ändert sich erst bei Erreichen der Schwellentemperatur schlagartig und sorgt für einen enormen Dampfdruck – das Korn wird davon förmlich aufgesprengt. Dabei vergrößert es sein Volumen um das Doppelte und verringert gleichzeitig seine Dichte um das Achtfachte.


Nach 13,8 Millisekunden entstteht ein Stärkebein, das das Korn in die Höhe katapultiert.

Nach 13,8 Millisekunden entstteht ein Stärkebein, das das Korn in die Höhe katapultiert.

Der Sprung: Ein Bein aus Stärke


Warum aber springt das Popcorn beim Platzen in die Höhe? Bisher nahm man an, dass dies vor allem durch den ausschießenden Dampf geschieht. Doch die Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen von Virot und Ponomarenko enthüllen einen anderen Mechanismus: "Nach dem Aufreißen der Hülle und dem Beginn der Stärke-Expansion beobachten wir die Bildung eines 'Beins' ", berichten die Forscher.

Dieser Stärke-Vorsprung seitlich an der Unterseite des Korns wird anfangs vom Gewicht des Korns zusammengedrückt. Sekundenbruchteile später aber gewinnt der Druck im Bein plötzlich überhand und es katapultiert das gesamte Korn in die Höhe. "Das Popcorn hat bei seinem Erhitzen thermische und elastische Energie in seinem Inneren gespeichert, die nun teilweise in der kinetischen Energie dieses 'Beins' frei wird. Immerhin beschleunigt dieser Prozess das Maiskorn auf rund 200 Meter pro Sekunden, wie die Messungen ergaben.

Das "Pop": Eine Wasserdampf-Explosion im Minimaßstab


Bisher unklar war auch, woher das Pop-Geräusch des Popcorns verursacht wird. Um das herauszufinden, zeichneten sie die Geräuschkulisse beim Popcorn-Machen mit einem sensiblen Spezialmikrophon auf. Anhand dieser Tonspur glichen sie den Zeitpunkt des "Pop" mit dem in den Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen sichtbaren Geschehen ab.

Das Ergebnis: Das Pop-Geräusch kommt weder vom Platzen der Hülle, wie oft angenommen, noch wird es vom Abstoßen des Korns vom Topfboden verursacht. Stattdessen löst die explosionsartige Freisetzung von Wasserdampf aus dem Maiskorn dieses Geräusch aus: "Genauer gesagt regt der plötzliche Druckabfall im Korn die dortigen Hohlräume an wie bei einem akustischen Resonator", so Virot und Ponomarenko. Ein ähnlicher Effekt sei auch bei Vulkanausbrüchen oder dem Knallen eines Champagnerkorkens zu beobachten. (Journal of the Royal Society Interface, 2015; doi: 10.1098/rsif.2014.1247)
(Royal Society, 11.02.2015 - NPO)
 
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