Was ist Gegenstromaustausch?
Der Gegenstromaustausch ist ein hocheffizientes, natürlich vorkommendes Phänomen der thermischen oder chemischen Übertragung zwischen Fluidkörpern. Dieser Vorgang erfolgt bei Wärme über eine leitende Oberfläche oder bei chemischem Austausch über eine teilweise durchlässige Membran. Beim Austausch im Gegenstrom fließen die Spender- und die Empfängerflüssigkeit immer in entgegengesetzte Richtungen. Diese Eigenschaft verleiht dem Prozess sowohl seine Effizienz als auch seinen Namen. Gegenstromaustausch findet sich in vielen biologischen Systemen wie Säugetierenieren, Vogellungen und Fischkiemen und ist ein häufig verwendetes industrielles chemisches und thermisches Übertragungssystem. Ein ähnliches System ist der gleichzeitige Austauschprozess, der weniger effektiv ist und Übertragungen zwischen in die gleiche Richtung fließenden Flüssigkeiten aufweist.
Der Austausch von Wärmeenergie oder Schwebstoffen zwischen fließenden Flüssigkeiten ist sowohl in der Natur als auch in der Industrie ein verbreitetes Phänomen. Diese Stromflussaustausche können in zwei Gruppen unterteilt werden: gleichzeitig und gegenläufig. Beide beinhalten den Austausch von Wärme oder suspendierten Chemikalien zwischen Flüssigkeiten, die in benachbarten Behältern entweder über leitende Oberflächen oder semipermeable Membranen fließen. Während die Flüssigkeiten über ihre gemeinsamen Bereiche fließen, fließen Wärme und Chemikalien auf natürliche Weise von Bereichen mit hoher zu niedriger Konzentration, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Es ist diese Eigenschaft der Elementübertragung, die die Gegenstromaustauschmethode effektiver macht.
Der Sauerstoffübergang in den Kiemen eines Fisches ist ein gutes Beispiel für die Vorteile des Gegenstromaustauschs. Wenn sauerstoffarmes Blut auf einen entgegengesetzten Strom sauerstoffreichen Wassers trifft, beginnt der Sauerstoff aus dem Wasser in den Blutstrom zu diffundieren. Dadurch sinkt die Sauerstoffkonzentration im Wasser und die im Blut steigt an. Aufgrund der Tatsache, dass die Flussrichtungen entgegengesetzt sind, fließt das Blut immer über Wasser mit einer höheren Sauerstoffkonzentration und der Austausch wird fortgesetzt, bis die Flüsse auseinander laufen. Bei gleichzeitigen Strömungen fließen die beiden Flüssigkeiten jedoch in die gleiche Richtung, und die Beziehung zwischen den Konzentrationen erreicht schnell ein Gleichgewicht, wodurch der Austausch effektiv gestoppt wird.
Dies bedeutet, dass Gegenstromaustauschsysteme im Gegensatz zur gleichzeitigen Variante weiterhin das relevante Element über den gesamten Austauschbereich übertragen, um eine höhere Effizienz zu erzielen. Diese Effizienz ermöglicht normalerweise einen Transfer von 100%, wenn der Empfängerstrom das System mit der gleichen Konzentration an Wärme oder Chemikalien verlässt wie der Geberstrom. Gleiches gilt jedoch nicht für den gleichzeitigen Austausch mit durchschnittlichen Übertragungswerten in der Größenordnung von 50%. Dies macht die Gegenstromaustauschmethode für industrielle Prozesse wie den regenerativen Wärmeaustausch und biologische Transfermethoden einschließlich Nieren- und Lungenfunktionen geeignet.