Von Sinuswellen, Wägezellen und Batteriespeichern: Ein Gespräch mit dem Entwicklungsleiter der neuen ZURIGA T2

Du überprüfst gerade die ersten frisch montierten ZURIGA T2. Wie geht’s dir?

Puh, willst du die ehrliche Antwort oder diejenige für die Presse?

Die Antwort für die Presse natürlich!

Gut, dann wäre meine Antwort wohl: Wir sind unglaublich stolz. Vor uns steht das Resultat von über 5 Jahren Entwicklungsarbeit. Die ersten Ideen keimten bereits im Jahr 2020, die Styropor-Volumen-Modelle habe ich kürzlich im Archiv gesehen, sie haben eine Schicht Staub angesetzt. Wir haben in diesen 5 Jahren dreimal komplett von vorne begonnen.

Stolz also…?

…ja Stolz oder so etwas wie Genugtuung, vielleicht auch Glück. Fast wie wenn man von einer sehr langen Bergtour in der Hütte ankommt - erschöpft aber voller Erlebnisse und sehr glücklich.

Was wäre denn die ehrliche Antwort gewesen?

Das war schon auch die ehrliche Antwort. Sie ist nur noch nicht vollständig. Die vollständige Antwort ist, dass wir natürlich noch nicht wirklich “in der Hütte angekommen sind”. Das Gerät läuft zuverlässig, der Kaffee ist grossartig, die gemessenen Labor-Werte sind wirklich top. Aber wie immer liegt der Teufel noch in den Details. Wir sind beispielsweise noch nicht zufrieden mit den Montageabläufen, da müssen wir noch besser werden. Das Gerät wie es hier steht, ist tadellos. Der Weg bis hierhin, die Prozesse bis hierhin, die müssen wir noch verbessern. Wir können die Berg-Schuhe also noch nicht ausziehen. Es gibt nochmal eine kleine Extra-Runde. Bis wir die Füsse dann wirklich hochlagern können.

Lass uns eintauchen ins Thema, in die Technik. Was steht da vor uns?

Das ist die ZURIGA T2. Damals beim Start vor 5 Jahren ist das Produkt-Team auf uns als Engineering-Team herangetreten mit einer Idee. “Lass uns eine Maschine entwickeln, die neue Massstäbe setzt. Neue Massstäbe in punkto Leistung und Präzision.”

Das klingt jetzt fast ein bisschen nach Marketing-Schrei….

…ja, aber es war tatsächlich so gemeint. Und es hat die Aufgabe für uns nicht unbedingt einfacher gemacht. “Maximale Performance” ist schnell gesagt, aber es steht zum Beispiel im Zielkonflikt mit hoher Energieeffizienz. Und die war ja ebenso wichtig.

Gut, jetzt bitte mehr Konkretes. Wie genau ist Hydraulik und Thermodynamik aufgebaut?

Die ZURIGA T2 hat vier unabhängig angesteuerte Erhitzeraggregate. Erstens: den Kaffee-Weg. Zweitens: den Dampfboiler für Dampf und Heisswasser. Drittens: die Brühgruppe. Viertens: die separat zuschaltbare Tassenheizung oben auf der Maschine.

Lass uns mit dem Kaffee beginnen. Wie wird das Wasser erhitzt?

Der Erhitzer in der ZURIGA T2 basiert auf dem mittlerweile tausendfach erprobten Erhitzeraggregat aus der ZURIGA E2. Wir haben das Aggregat mit weiteren Sensoren ergänzt - aber dazu kommen wir vermutlich nachher, wenn es um das hydraulische System geht.

Ihr habt also eins-zu-eins das Aggregat aus der ZURIGA E2 übernommen? Gab es trotzdem neue Herausforderungen?

Ja allerdings! Mit der ZURIGA T2 bewegen wir uns nämlich in einem hochdynamischen System, bei dem sich die Zielwerte einzelner Parameter nicht nur von Shot zu Shot, sondern auch während des Shots verändern. Ganz im Unterschied zur ZURIGA E2. Hier sind die Randbedingungen fix. Die ZURIGA E2 hat einen fixen Maximaldruck und die Temperaturregelung orientiert sich an einem Ziel-Durchfluss von 2 ml/s (resp. 1 ml/s für einen Single). Auf diese Zielwerte optimieren wir die Regelparameter, so dass die Extraktionstemperatur von jeweils 93° konstant gehalten wird.

Bei der ZURIGA T2 muss die Brühtemperatur doch auch konstant gehalten werden?

Ja genau. Nur: Bei der ZURIGA T2 kannst du für jedes Profil eine andere Extraktionstemperatur einstellen. Einen Specialty aus Uganda möchtest du versuchsweise bei hohen 95° extrahieren. Den napoletanischen Ristretto aber bei 92° oder 89°. Zudem sind die Durchflussraten grundsätzlich für jeden Shot individuell. Das klingt zwar erstmal nicht wirklich kompliziert, aber leider mussten die Regelparameter der Temperatursteuerung für die ZURIGA T2 komplett neu eingemessen werden, das war ein enormer Aufwand.

Du hast kürzlich erwähnt, dass die ZURIGA T2 schneller aufgeheizt sei als die ZURIGA E2? Wie geht das? Die Systeme sind doch identisch?

Ja tatsächlich, wir konnten die Aufheizzeit der ZURIGA E2 nochmal unterbieten. Wir nutzen hier den Vorteil der deutlich komplexeren Wasserwege. Das Heizaggregat für den Kaffee ist über ein 2/2-Wege-Ventil hydraulisch verbunden mit dem Dampfboiler. Wenn wir nun die Maschine im “no flow”-Zustand von kalt auf Betriebstemperatur bringen, dann können während dieser Aufheizphase kleine Wasserpakete durch den FTH (Flow Through Heater) leiten. Diese Wasserpakete leiten wir danach in den Boiler - von aussen ist davon nichts sicht- oder hörbar. Der Vorteil? Die Wasserpakete führen zu einer homogeneren Temperaturverteilung im FTH und im Dickfilmheizer. Zudem können wir die Wasserpakete beim Austritt aus dem FTH messen und verbessern damit unser Wissen über den aktuellen Systemzustand. Und weil wir besser wissen wo, die Temperaturen gerade stehen, können wir den Regler aggressiver parametrieren. Wir können mehr Leistung anlegen, ohne das Risiko einer Überhitzung einzugehen. Und weil wir mehr Leistung anlegen können, ist der FTH schneller aufgeheizt.

Und warum machen wir das bei der E2 nicht genau gleich?

Die E2 hat keinen Boiler, die Wasserpakete müssten wir hier also über die Brühgruppe oder in die Abtropfwanne ableiten. Das wiederum birgt das Risiko einer Verbrühung und das lassen wir auf keinen Fall zu.

Warum verwendet ihr mit dem FTH überhaupt ein so filigranes System?

Das “System FTH” ist überhaupt nicht filigran, die Komponenten sind robust gebaut, das Material ist auf Langlebigkeit optimiert. Wir haben aber enorme Leistungen auf kleinstem Raum, kombiniert mit einer sehr geringen thermischen Masse. Wenn wir beim Aufheizen die volle Leistung anlegen würden, dann wäre das vorhandene Wasser bereits nach 5 Sekunden im gasförmigen Zustand, das Gerät wäre überhitzt und die Temperatursicherungen würden auslösen. Das zeigt recht eindrücklich in welchen Grenzbereichen wir uns hier bewegen. Wir fahren ein Auto, das fast kein Gewicht hat, aber massiv motorisiert ist. Deshalb haben wir auch so viel Zeit - und Nerven - in die Energy-Management-Engine gesteckt.

Die Energy-Management-Engine? Was ist denn das?

Das ist derjenige Teil des Codes, der entscheidet, welcher Verbraucher der Maschine wieviel Leistung bekommt. Abhängig vom Systemzustand, also ob wir uns in der Aufheizphase befinden oder ob gerade Dampf bezogen wird, abhängig von den Sensorwerten, Brühprofilen und ob der Eco-Mode aktiviert ist: Die Energy-Management-Engine verteilt die verfügbare elektrische Energie auf die verschiedenen Komponenten.

Kannst du ein konkretes Beispiel geben?

Also offiziell kommunizieren wir ja, dass zuerst der Kaffee-Teil der Maschine erhitzt wird und danach der Dampfboiler aufheizt. Das ist die offizielle, vereinfachte Version. Tatsächlich erhält der Boiler aber bereits nach wenigen Sekunden erste Wellenpakete und beginnt sich damit zu erwärmen…

…Moment, was sind “Wellenpakete”?

Dazu muss ich kurz ausholen und es wird ziemlich technisch. Soll ich?

Ziemlich technisch? Sehr gerne!

Also, bei der Ansteuerung der Heizaggregate verwenden wir eine sogenannte Wellenpaketsteuerung.

Wellen-Paket-Steuerung? Bitte einmal ganz von vorne!

Gerne, dazu müssen wir uns den Verlauf der Netz-Spannung anschauen, die wir zuhause an der Steckdose haben. Die Spannung bei Wechselstrom verläuft in Wellen, sie schwankt hier in Zentraleuropa sinusförmig jeweils 50 mal pro Sekunde. Alle 20 Millisekunden steht die Spannung auf 230V, alle 10 Millisekunden steht sie bei Null, das ist der sogenannte Nulldurchgang.

Wird dieser Spannungsverlauf permanent überwacht?

Ja, unsere Steuerung überwacht die Spannung und erkennt die Wellenbewegungen. Jeweils im Nulldurchgang schaltet sie einzelne Verbraucher - hier jetzt den Boiler oder den Dickfilmheizer - ein oder aus. Obwohl unser 1800 Watt FTH also nur wenige diskrete Leistungsstufen hat, können wir den FTH mit 50% respektive 900 W aufheizen, indem wir ihn bei jeder zweiten Welle ein- und wieder ausschalten.

Das klingt nervös…

…ja und ist es auch. Deshalb werden nicht einzelne Wellen geschaltet, sondern die Wellen werden in Paketen zusammengefasst. Daher der Begriff Wellenpaketsteuerung. Diese Wellenpakete werden dann an die Verbraucher durchgeschaltet. Tatsächlich schalten wir also nicht 50 pro Sekunde an und aus sondern leiten die ersten 25 Pakete durch und unterbrechen dann während der nächsten 25 Pakete. Und ganz ehrlich: wenn man ins Detail geht, sehen diese Pakete noch viel komplexer aus - aber das behalten wir für uns.

Was ist der Vorteil dieser Pakete?

Das hat wiederum mit den Eigenheiten unserer Stromnetzes zu tun. Würden wir wirklich 50 mal pro Sekunde schalten, so würde beim Aufheizen der Kaffeemaschine das Licht in der Küche flackern. Der Gesetzgeber schreibt darum sehr genau vor, wie gross die akzeptierbaren Störungen bei Elektrogeräten sind. Das wird alles genau gemessen in sehr grossen - und leider auch sehr teuren - Labors. Ich kann dir sagen: die Tage bevor wir mit der ZURIGA T2 im Labor waren, das waren intensive Tage, die Nacht davor hab ich kein Auge zubekommen….

...aber ihr habts geschafft.

Ja, die Maschine hat alle Tests erfolgreich bestanden. Aber wir waren nicht nur einmal dort und die Rechnung, die war saftig. Aber am Schluss sind wir ziemlich stolz auf das Erreichte. Sogar die Experten im Labor waren überrascht über die enormen Leistungen, die wir schalten können ohne dass wir die Flicker-Normen verletzen.

Flicker? Lass uns zurückkehren zur Wellenpaketsteuerung. Ihr könnt damit jetzt also die verschiedenen Verbraucher sehr präzise ansteuern.

Ja genau, mit diesem Konzept lassen sich elektrische Verbraucher sehr präzise und eben dynamisch ansteuern. Während der FTH also vorsichtig mit 20% oder 50% aufgeheizt wird, kann die restliche Leistung bereits jetzt auf den Dampf-Boiler und die anderen Verbraucher geleitet werden. Nur dank dieser Steuerung erreichen wir diese enorm schnellen Aufheizzeiten. In den traditionellen Espressomaschinen ist die Aufteilung der Leistung fix eingestellt. Der Boiler erhält einen fixen Anteil, genauso die Pumpe und die Tassenheizung. Man kann sich recht einfach vorstellen, dass das sehr viel länger dauert.

Wenn ihr so gut umgehen könnt mit der Leistung, warum verbauen wir dann immer noch einen Boiler?

Das ist eine sehr gute Frage. Und ehrlich gesagt hat sie uns lange umgetrieben und tut es noch heute. Tatsächlich stossen wir hier ein stückweit an die Grenzen der Physik. Die Dampfleistung, also die thermische Leistung, die beim Milchaufschäumen von der Maschine auf die Milch übertragen wird, entspricht mehr als 3’000 Watt. Diese Leistungsspitzen sind nötig, damit du auch bei grösseren Milchmengen und grossen Pitchern gut ziehen und rollen kannst. Das Problem: wir dürfen hier in der Schweiz von Gesetzes wegen nur 2’300 W elektrische Energie beziehen und wir wollen ja gleichzeitig Kaffee und Dampf beziehen. Der Kaffee selber absorbiert aber bereits 1’800 Watt. Für den Dampf wird aber nochmal 3’000 W benötigt. Die Rechnung geht also nicht auf.

Wie löst man dieses Problem? Eine normale Espressomaschine gibt also mehr Wärmeeneergie ab als sie elektrisch aufnimmt?

Ja, kurzfristig ist das bei einem Boiler-Gerät der Fall. Das ist der Vorteil eines Dampfboilers, er wird kontinuierlich geladen und speichert die thermische Energie in Form von Wasser und sogenanntem Sattdampf. Diese Energie kann er dann in sehr kurzer Zeit und deshalb mit sehr hoher Leistung wieder abgeben.

Gibt es gar keine Alternativen zur Dampferzeugung mit Boiler? Zum Beispiel mit einem FTH?

Doch, die gibt es schon. Wegen des kurzfristigen Leistungsbedarfs braucht der FTH aber einen elektrischen Speicher. Wir haben das im Laufe des Projekts sogar innerhalb eines separaten internen Innovationsprojekts untersucht. Dabei ginge es aber vielmehr um die Antwort auf eine grundsätzliche Frage. Nämlich, ob eine eingebaute Batterie oder ein Super-Capacitor den Dampfboiler ersetzen kann.

Batterie anstatt Dampfboiler…? Und was ist ein Super-Capacitor?

Uns haben damals die Sportwagen der Formel E inspiriert. Auf der Rennstrecke unterscheidet sich der Leistungsbedarf ebenfalls stark zwischen Einbremsen und Beschleunigen. Die Ingenieurinnen in der Formel E haben sogenannte Supercaps eingesetzt, die für kurze Zeit Leistungsspitzen zur Verfügung stellen können. Das ist eigentlich ziemlich analog zur Situation bei einer Espressomaschine, wo für den Dampf kurzfristig hohe Leistungsspitzen nötig sind.

Wie seid ihr vorgegangen?

Wir haben eine Expertengruppe, die sich auf Batteriemanagement spezialisiert hat mit einer Auslegeordnung beauftragt: Gibt es ein Potential für Batteriespeicher in stationären Espressomaschinen? Was wären die Vor- und Nachteile? Und gibt es möglicherweise Alternativen etwa in Form von Supercaps?

Und was war das Resultat?

Tatsächlich könnte man theoretisch mit einer Batterie im Zusammenspiel mit einem FTH kurzzeitig ähnliche Dampfleistungen erbringen. Das Konzept ist aber aus verschiedenen Gründen nicht zukunftsträchtig. Der wichtigste Grund: die Batterie würde in einer durchschnittlichen ZURIGA viel zu wenig genutzt werden. Der Ressourceneinsatz und damit auch der Klimaeinschlag für die Herstellung und Wartung der Batterie wäre zu gross.

Ihr habt dieses Projekt beerdigt?

Ja, allerdings war das noch nicht wirklich ein Projekt. Mit diesen ausführlichen grundlegenden Überlegungen haben wir nun eine qualifizierte Antwort auf die Batterie-Frage, die immer wieder aufkommt im Alltag.

Lass uns von der Thermodynamik jetzt zum hydraulischen System wechseln. Ihr habt eine Rotationspumpe verbaut?

Ja genau. Eine Rotationspumpe zusammen mit einem Proportionalventil.

Die Pumpe läuft also nicht drehzahlgeregelt?

Ja genau, aus akustischen Gründen. Zu Beginn haben wir eine recht breite Benchmark-Analyse durchgeführt. Dabei sind uns einzelne Maschinen negativ aufgefallen. Nämlich alle Maschinen mit einer dynamischen Hydraulik - also variierende Druck oder Flow-Profile während des Shots - hatten eine wirklich unangenehme Akustik.

Zu laut?

Nein, nicht die Lautstärke war das Problem, sondern die ändernden Frequenzen. Während der Präinfusion noch leise, wurden einzelne Maschinen beim Hochfahren des Drucks plötzlich laut, nur um danach in einer anderen Frequenz wieder leiser zu werden. Wir haben das intern recht intensiv diskutiert. Und von Produkt und Design kam der starke Wunsch, dass eine ZURIGA in dieser Leistungsklasse eine gewisse Souveränität ausstrahlen muss. Dazu gehört ein gleichmässiges, sonores Schnurren der Pumpe - ganz egal ob im Innern gerade Schwerstarbeit geleistet wird oder einfach nur der Puck angefeuchtet wird.

Die Pumpe läuft konstant. Wie regelt ihr dann den Druck respektive den Durchfluss?

Druckseitig nach der Pumpe haben wir einen Bypass inklusive Entlastungsventil verbaut. Über ein Proportionalventil wird der Druck und der Durchfluss geregelt, der dann wiederum über mehrere Ventile auf den Boiler oder auf den Kaffee-Weg geleitet wird.

Bleiben wir beim Proportionalventil. Wie muss ich mir das vorstellen?

Das ist dieses Ventil hier. Vereinfacht kann man sich das als 2-2-Wege-Ventil vorstellen. Mit der speziellen Eigenschaft, dass wir die Durchlassöffnung respektive den Spalt sehr genau einstellen können.

Wie steuert ihr dieses Ventil an?

Wie bei einem handelsüblichen Ventil drückt eine Feder den Stössel auf den Durchlass - ein typisches normally-closed Ventil. Bei einem normalen Ventil wird der magnetische Stössel mit einer Spule gehoben, das Wasser fliesst durch den Durchlass. Beim Proportionalventil kann der Hub dieses Stössels moduliert werden. Abhängig von der angelegten Spannung hebt und senkt sich das Ventil, es lässt mehr oder weniger Wasser durch. Wir steuern damit letztendlich die ganze Hydraulik bei der Kaffeeextraktion.

Und die Spannung, die regelt ihr wiederum mit diesen Wellenpaketen?

Ja, so ungefähr. Wir verwenden hier eine sogenannte Pulsweitenmodulation PWM und können damit die angelegt Spannung und damit die Position des Ventilstössels steuern. Aber darauf möchte ich vorerst nicht weiter eingehen. Ich glaube, wir haben da ein paar wirklich coole Dinge erfunden, die ich hier jetzt nicht einfach teilen mag (schmunzelt)…

Schade. Dann lass uns jetzt noch konzeptionell verstehen, wie ihr die Hydraulik aufgebaut habt. Wie messt und regelt ihr das System?

In der ZURIGA T2 haben wir insgesamt 9 Sensoren verbaut, das sind Druck-, Fluss-, Gewichts- und auch Temperatursensoren. Damit man ein grundlegendes Verständnis für die Hydraulik bekommt, fokussieren wir hier am besten auf 3 Sensoren: 1. Der Flow-Sensor gleich nach dem Proportionalventil, er misst den Fluss im System, 2. Der Drucksensor in der Brühgruppe. 3. Die Wägezelle, die das Gewicht der Tasse misst.

Lass uns auf die Wägezelle und die Brew-By-Weight Technologie später noch eingehen. Kannst du mir zuerst erklären, wie beispielsweise ein Constant-Flow-Shot eingeregelt wird?

Nehmen wir mal an, du hast zuerst eine Präinfusion von 5ml/s eingestellt, dann eine 5 sec Pause und dann eine volumengesteuerte Extraktion bei 2 ml/s bis zu einem Zielgewicht von 50 g?

Gut, ich habe also gemahlen, sauber getampt, den Siebträger eingespannt und das richtige Profil ausgewählt. Jetzt drück ich die Tastes…

…jetzt startet die Pumpe. Das Proportionalventil öffnet so weit, dass genau 5 ml/s auf das trockene Kaffeemehl treffen und es gleichmässig befeuchten. Weil das Kaffeemehl anfänglich trocken ist bietet es wenig Widerstand. Das Proportionalventil öffnet also nur einen sehr kleinen Spalt. Je feuchter der Kaffeepuck wird, desto mehr Widerstand bietet er. Der Flowsensor detektiert den geringeren Durchfluss und regelt das Proportionalventil so, dass sich der Spalt vergrössert, damit weiterhin genau 5 ml/s auf den Puck treffen.

Wie erkennt die Maschine, wann die Präinfusion respektive die Puck Saturation beendet ist? Woher weiss sie, wann der erste Tropfen auf die Tasse trifft?

Mit genau dieser Frage habe ich etwa 2 Monate verbracht. Die Herausforderung besteht ja darin, dass wir den Wasserzufluss möglichst spät stoppen möchten. Gleichzeitig darf noch kein Tropfen aus dem Siebträger ausgetreten sein.

Und wie erkennt ihr nun diesen Zeitpunkt?

Nachdem wir weit über 1’000 Bezüge hier im Labor untersucht haben, können wir mittlerweile den Druckaufbau im sich sättigenden Puck recht gut simulieren. Konkret verfolgen wir die sich verändernde Steilheit der Druckkurve und können damit präzise vorhersagen, wann der erste Tropfen aus dem Sieb austritt. Kurz vorher stoppen wir den Zufluss und unterbrechen fürs “Blooming” - in unserem Fall jetzt 5 Sekunden.

Kann ich dieses Abbruchkriterium für die Präinfusion auch selber festlegen?

Ja klar, das kannst du. Du kannst eine fixe Menge oder eine fixe Zeit einstellen. Du wirst damit aber nie so genau sein wie unser Algorithmus. Was uns wichtig war: Bei der ZURIGA T2 soll man die volle Kontrolle ausüben, wenn man die Kontrolle will. Und zugleich kann man auch immer an die Maschine delegieren, was man nicht selber einstellen oder kontrollieren möchte.

Wir sind also zwischen Präinfusion und Extraktion. Und machen gerade die 5 Sekunden “Blooming”…

In dieser Zeit läuft die Pumpe weiter. Das Proportionalventil ist mittlerweile aber komplett geschlossen. Das geförderte Wasser läuft also kurzzeitig über den Bypass zurück auf die Saugseite der Pumpe. Dann, nach den 5 Sekunden öffnet das Proportionalventil und regelt den Spalt so, dass genau 2 ml/s in den Kaffeepuck bzw. durch den Puck via Siebträger in die Tasse strömen.

Der Druck ist dann bei 9 bar?

Das hängt ganz von der Bohne, von der Korngrössenverteilung des Kaffeemehls und von deiner Puck Preparation ab. Wenn wir jetzt mal von einem durchschnittlichen mittelhell gerösteten Blend und einer korrekten Vermahlung und Puck Preparation ausgehen, dann wird der Druck wohl circa 9 bar betragen. Anfänglich hat der Puck einen grösseren Strömungswiderstand. Während der Extraktion sinkt dieser Widersand, weil die Kaffeeöle und Feinpartikel während der Extraktion gelöst respektive ausgeschwemmt werden.

Wie reagiert die Maschine darauf?

Anfänglich wird der Spalt beim Proportionalventil relativ gross sein. Der Druck, mit dem der Puck beaufschlagt werden muss, damit die erforderten 2 ml/s erreicht werden können, liegt vermutlich eher bei 10 bar. Mit fortschreitender Extraktion wird der Flowmeter einen leicht erhöhten Durchfluss registrieren. Sobald diese Erhöhung registriert wird, wird sofort das Proportionalventil nachgestellt - das passiert so schnell, dass wir es auf dem Graphen hier nicht feststellen können. Der Spalt des Proportionalventils wird kleiner, damit weiterhin 2 ml/s durch den Puck strömen.

Über die ganze Extraktion haben wir also einen konstanten Fluss…

...der Druck sinkt von anfänglich 10 bar auf bis zu 2 bar ganz am Ende der Extraktion. Und der anfänglich grosse Spalt des Proportionalventil wird über die Extraktion sukzessive kleiner - bis am Schluss das Ventil ganz schliesst und der überschüssige Druck komplett entlastet wird. Die Pumpe stoppt.

Und wie funktioniert das, wenn das Profil auf “Druck halten” eingestellt ist?

Constant-pressure ist einfach “dasselbe in Grün”. Der neue Zielwert ist nicht mehr ein Fluss, sondern ein bestimmter Druck. In der ZURIGA E2 ist dieser Druck fix eingestellt und wird über ein Überdruckventil bei 9 bar gekappt. Bei der ZURIGA T2 kannst du den Druck frei einstellen. Er wird dann über die ganze Extraktion gemessen und das Proportionalventil wird entsprechend angesteuert.

Genug von Thermodynamik und Hydraulik: lass uns über die Brew-by-weight Technologie sprechen. Die habt ihr zum ersten mal bei ZURIGA überhaupt eingebaut?

Ja, das hat Spass gemacht. Aber mir ist es bis heute ein Rätsel, warum man das überhaupt braucht als Barista…

Damit man ganz genau weiss, wieviel Kaffee in der Tasse ist!

Naja, das weisst du auch ohne Brew-by-weight auf wenige Gramm oder Milliliter genau. Der eingebaute Flowmeter misst sehr präzise, aus meiner Sicht: präzise genug.

Wir hätten Brew-by-Weight (BBW) weglassen sollen?

Nein, auf keinen Fall. Die BBW-Technologie - und vor allem, wie(!) wir die Technologie nahtlos ins Design und in den Chassis-Aufbau integriert haben - die Technologie war zwar ein harter Brocken. Aber als Ingenieur war das mein Highlight in diesem Projekt. Und es ist vermutlich ziemlich genau der Kern von ZURIGA. Wir machen sehr komplizierte Sachen und verstecken sie danach so gut, dass man eigentlich nichts mehr davon mitbekommt.

Du hättest dir mehr Prominenz für BBW gewünscht?

Quatsch, ich bin natürlich glücklich, wie das technisch jetzt alles aufgegangen ist am Schluss. Und ich bin glücklich darüber, wie zuverlässig die BBW-Technologie funktioniert. Das hätte ich nicht erwartet.

Was war denn so kompliziert bei dieser Technologie?

Das Teilprojekt Brew-By-Weight war aus mehreren Gründen kompliziert. Zum einen wegen der Mechanik. Auf die Tassenablage wirken zwischenzeitlich recht grosse Kräfte. Gut möglich, dass ein Barista - versehentlich - mit dem Siebträger und voller Wucht auf diese Fläche schlägt. Vor diesen Einwirkungen müssen wir die sensible Wägezelle schützen. Und gleichzeitig muss diese Wägezelle kleinste Gewichtsänderungen im Miligramm-Bereich feststellen. Hier war das mechanical engineering stark herausgefordert, quasi eine “mechanischen Schutzzone” zu bauen, innerhalb derer die Wägezelle dann sehr genau messen kann. Am anspruchsvollsten war aber die Entstörung des Messsignals.

Entstörung?

Ja, die Wägezelle kann man sich vereinfacht als ein verformbares Metallstück mit einem aufgeklebten Dehnungsmessstreifen vorstellen. Wenn dieser Messstreifen gespannt oder gestaucht wird, dann verändert sich der elektrische Widerstand. Das elektrische Signal ist schwach, muss verstärkt werden und ist dann voller Störungen, die wir zuerst einmal rausfiltern müssen. Und aus diesem bereinigten Messsignal lässt sich dann über Kalibrierungsreihen das gemessene Gewicht ableiten.

Du hattest kürzlich von “nervösem Fingertippeln” gesprochen…

…ja genau. Wenn du während der Extraktion vorfreudig-nervös auf die Maschine klopfst, dann sehen wir diese Ausschläge im Messsignal. Das sieht dann fast aus wie bei einem Seismographen bei einem Erdbeben. Die Kunst besteht nun darin, das Signal so weit zu filtern, dämpfen, kompensieren und teilweise auch korrigieren, dass wir trotzdem die einzelnen Tropfen in der Tasse erkennen. Bei der Optimierung der Parameter arbeiten wir auch mit KI-basierten Algorithmen. Aber es bleibt sehr viel Knochenarbeit, weil es für eine saubere Entstörung lange Messreihen braucht.

Und dann hast du kürzlich noch meinen neuen Lieblings-Show-Off-Begriff erwähnt: Die sogenannte “Sensorfusion”.

Herrliches Wort, oder? Vereinfacht gesagt, versucht man mit zwei unabhängigen Sensoren ein genaueres Bild davon zu bekommen, was gerade tatsächlich passiert. In unserem Fall sind es der Durchflusssensor und die Wägezelle.

Beide messen die Menge Kaffee in der Tasse?

Hm, korrekterweise messen sie eben nicht die Menge Kaffee, sondern sie helfen uns, dem tatsächlichen Wert anzunähern.

Kannst du uns das etwas bildhafter erklären?

Wenn du den Bezug startest, dann ruft die Elektronik eine Prognose des Shots ab. Sie trifft also eine Annahme, wie der Druck ansteigen wird und wann sie die Pre-Infusion beenden muss, sie trifft eine Annahme für den ersten Tropfen in der Tasse und für den Moment, wo sie das Proportionalventil schliessen muss, damit die eingestellte Menge möglichst genau erreicht wird

Das weiss die Maschine schon am Anfang? Für was braucht es denn all die Sensoren?

Am Anfang steht lediglich eine erste Annahme, also ein grobes Bild, wie die Extraktion verlaufen wird. Dann aber nach wenigen Millisekunden treffen ersten Messsignal ein. Der Drucksensor zeigt beispielsweise an, dass der Druck während der Präinfusion deutlich schneller ansteigt, als wir das anfangs erwartet hätten. Die Elektronik korrigiert ihr Prognose-Bild. Der Puck sättigt sich offenbar schneller, entsprechend wird die Präinfusion früher beendet. Das ganze Prognose-Bild wird aktualisiert.

Warum muss dieser Zeitpunkt so genau stimmen?

Das ist wichtig! Bei der Präinfusion wollen wir ja einen komplett angenetzten Puck, das reduziert später die Wahrscheinlichkeit von Channeling. Der Puck soll also komplett angenetzt sein - aber es darf noch kein Kaffee aus dem Filter ausgetreten sein.

Und wo kommt jetzt diese Sensorfusion ins Spiel?

Sie wird vor allem in der zweiten Hälfte der Extraktion sehr wichtig. Sobald die erste Tropfen in die Tassen strömen, haben wir zwei Signale, die eigentlich dasselbe abbilden: Der Druchflusssensor und die Waage.

Mich selber interessiert vorerst mal nur die Menge in der Tasse…

…gut, dann lass uns darüber sprechen. Bis zum ersten Tropfen hat die Wägezelle noch kein Signal erhalten. Der Flowsensor hingegen hat seit dem Start des Bezugs bereits eine Menge Wasser gemessen. Der Flowsensor weiss aber nicht, ob von diesem Wasser bereits etwas als Kaffee in der Tasse angekommen ist. Er hat dazu lediglich die Annahme aus dem Prognose-Bild.

Das Signal der Wägezelle übersteuert dann also das Signal aus dem Flowsensor?

Genau, das zumindest wäre die einfachste Art des Sensorfusion: “Nimm im ersten Teil den ersten Sensor und nimm im zweiten Sensor die zweiten Sensor.” Tatsächlich werden aber den verschiedenen Sensorwerten sogenannte Konfidenzwerte und Gewichtungen zugeordnet. Wir definieren also, in welchen Bereichen wir den gemessenen Werten wie stark vertrauen. Und dann bekommen die Werte eine Gewichtung, wie stark sie in die Berechnung einfliessen. Um das ganze noch etwas komplizierter zu machen, verändern sich diese Werte, also die Gewichtung auch noch dynamisch über den Bezug.

Puh, wenn ich also 18g sehe, dann ist das eigentlich nur eine statistische Annäherung oder eben eine Schätzung des tatsächlichen Werts?

Ja, das kann man so sagen. Aber es ist immer noch die beste und genauste Schätzung…

Warum braucht es denn das Brew-By-Weight überhaupt? Würde der Durchflusssensor nicht reichen?

Das liegt im Auge des Betrachters. Aus technischer Sicht erhöhen wir die Wahrscheinlichkeit, dass wir präzise sind. Wir können die Extraktion besser kontrollieren, wir treffen die Zielmenge genauer.

Die Menge habt ihr aber auch ohne BBW recht genau getroffen!

Ja, insbesondere dann, wenn wir immer wieder den gleichen Shot ziehen. Dann treffen wir die Zielmenge auf ±1-2 Gramm.

Warum?

Weil wir einen sehr eleganten und eben robusten Weg gefunden haben, “den Moment des ersten Tropfens” abzuschätzen. Es gibt ein charakteristichen Verlauf von Druck und Temperatur - aber die Details behalten wir für uns.

Gut. Nun, wann ist dann die BBW ein echter Vorteil?

Immer dann, wenn du oft den Kaffee wechselst. Oder verschiedenen Mengen, Mahlgrade und Extraktionsprofile testest. Dann ist die Gewichtsmessung ein klarer Gewinn. Die Extraktion kann präziser gesteuert werden, der Menge stimmt gleich beim ersten Bezug. Aber wir sprechen hier über Abweichungen von wenigen Gramm oder Milliliter. Das merkt doch kein Mensch!

Gut - wir sind eigentlich durch mit der Zeit - gibt es andere Themen, über die wir jetzt nicht gesprochen haben?

Ja, da gibt es schon noch ein paar Themen. Über den Aufheizprozess beim den Boiler hätte ich gerne mit dir gesprochen. Man könnte ja meinen, dass wir hier auf eine alte Technologie zurückgreifen. Aber wie wir ihn so schnell aufheizen und wie elegant er entkalkt wird. Das ist neu und haben wir bisher bei keiner Maschine so gesehen.

Gut, dann lass uns noch über den Boiler sprechen. Wie schafft ihr diese enorm kurze Aufheizzeit?

Das war eine zufällige Erfindung, über die wir uns aber umso mehr gefreut haben. Also: Jeder Dampfboiler braucht ein Vakuumventil. Es verhindert Unterdruck beim Abkühlen, indem es Umgebungsluft einströmen lässt. Dieses Ventil haben wir so eingestellt, dass es beim Aufheizen auch in die Gegenrichtung noch leicht durchlässig ist.

Das klingt gefährlich…

...ist es aber überhaupt nicht. Die Öffnung ist nur wenige Quadratmillimeter gross und wird in die Abtropfwanne geleitet. Es gibt aber einen glücklichen Nebeneffekt.

Einen glücklichen Nebeneffekt?

Ja, beim Aufheizen führt das dazu, dass das Wasser entlang der Heizaggregate kleine Dampfblasen bildet. Diese Dampfblasen steigen im Boiler auf und führen zu einer Verwirbelung. Und diese Verwirbelung wiederum verhindert die sonst übliche Einschichtung des Wassers. Kaltes Wasser fliesst kontinuierlich zu den Heizaggregaten und wird dort aufgeheizt. Das Resultat? Der Boiler ist in weniger als 3 Minuten homogen aufgeheizt.

Und was ist mit dem Ventil, dort strömt jetzt wacker Dampf aus?

Nein, das funktioniert nur bei kleinen Volumenströmen. Sobald die Siedetemperatur im ganzen Boiler erreicht wird, steigt auch der Druck im System und das Ventil wird geschlossen. Da strömt also überhaupt nichts mehr aus.

Magst du noch kurz was zum Entkalken sagen?

Die meisten Hersteller von vergleichbaren Espressomaschinen verlangen in den Bedienungsanleitungen ausdrücklich, dass die Geräte von qualifizierten Fachpersonen geöffnet und entkalkt werden. Das wird vorsätzlich so gemacht, die nötigen Ventile werden gar nicht verbaut. Zudem müssen aggressiven Entkalkungsmittel eingesetzt werden, die einzelne Bauteilen korrosiv beschädigen könnten. Das wollten wir bei der ZURIGA T2 besser lösen.

Und wie habt ihr die Entkalkung gelöst?

Wir haben mit einem spezialisierten Unternehmen ein verhältnismässig niedrig konzentriertes Entkalkungsmittel entwickelt. Dieses ist genau abgestimmt auf unsere Komponenten und schont die Oberflächen.

“Niedrig konzentriert” klingt nicht nach sehr wirksam…?

Ja, dem ist grundsätzlich schon so. Allerdings ist nicht die Konzentration des Entkalkungsmittels in der Flasche entscheidend, sondern die Konzentration der Säure im Boiler direkt bei der Kalkablagerung. Und hier kommt jetzt unser ausgeklügelter Entkalkungsablauf zum Zuge.

Was ist daran speziell, an diesem Entkalkungsprozess?

Normalerweise flutet man einen Boiler und lässt die Säure dann im stehenden Wasser wirken. In der ZURIGA T2 hingegen pulsen wir während der Entkalkung alle 30 Sekunden eine kleine Menge frischen Entkalker ein. Damit transportieren wir zwar tiefere Entkalker-Konzentrationen in den Boiler - aber beim Kalk selber ist die Wirkstoffkonzentration trotzdem höher. Der Entkalker wird also effizienter genutzt, wir verbrauchen weniger Chemie, der Entkalkungsvorgang dauert weniger lange und die Oberflächen der Bauteile werden geschont.

Das alles kann man ja auch über die App steuern - magst du dazu noch etwas sagen?

Ich soll etwas zur App sagen?

Ja gerne, warum habt ihr euch dafür entschieden, eine App zu entwickeln?

Dazu gehst du am besten auf das Design- und Produkt-Team zu, sie können dir das genau erläutern. Im Entwicklungsprojekt hatten wir zwischenzeitlich ja sogar einen Touch-Display in der T2 eingebaut gehabt. Aber das war augenscheinlich falsch.

Warum, Touch Displays sieht man doch jetzt überall?

Ja allerdings. Aber vermutlich wird die Technologie bereits in 2-3 Jahren weiter fortgeschritten sein - und dann werden diese Maschinen plötzlich alt und “von gestern” wirken. Das wollten wir unbedingt verhindern. Darum haben wir am Schluss einen simplen Dot-Display eingebaut. Der sieht schon heute alt aus. Aber auf eine reduzierte, klare und zurückhaltende Art.

Stefan, wenn du heute zurückschaust, was hättest du anders gemacht? Auf was bist du stolz? Und auch: Was bleibt nach diesem riesigen Projekt?

Oh, ich hätte gerne vieles anders gemacht. Im Laufe des Projekts haben wir einige unnötige Runden gedreht - aber vermutlich hat es diese Runden gebraucht, damit wir jetzt an diesem Punkt sind. Am Schluss bin ich vor allem stolz, dass wir dieses Projekt, dass wir diese Maschine “auf den Boden gebracht” haben. Wenn man von aussen auf die ZURIGA T2 schaut, dann sieht sie nach einem kompromisslosen Design-Piece aus. Dabei haben hier mehr als 100 Leute mitgewirkt -und es waren so unendlich viele Kompromisse nötig. Es ist schon erstaunlich, wie man das am Schluss einfach vergisst.

Und dann ist da noch deine Erkenntnis die Kunst der Kaffeezubereitung…

…ja, das ist bei der Diskussion oben über die Sensoren, Aktoren, Pumpen und Ventile ganz vergessen gegangen. Was mich beim Kaffee immer noch fasziniert, ist, wie wenig wir über die eigentlichen Extraktionsprozesse erst wissen.

Kaffee als Naturprodukt?

Ja, Kaffee ist zum Glück immer noch ein Naturprodukt. Die Bohnen unterscheiden sich in Varietät, Anbaugebiet, Trocknung, Jahreszeit, Röstung und Lagerung. Wir können mit unserer Maschine den allerletzten Teil dieser Kette zwar beeinflussen. Wir können Channelling verhindern und auf eine sinkende Permeabilität reagieren. Aber letztendlich reagiert jede Bohne anders - und oft wissen wir nicht warum. Das Kaffeebrühen bleibt also ein Geheimnis. Und das ist doch gut so.