Teil 5 | Kavitation – wenn Physik auf Mikroorganismen trifft

Kontrollierte Kavitation nutzt physikalische Kräfte, um Mikroorganismen im Wasser gezielt zu beeinflussen.

Kavitation besitzt in der Technik einen eher schlechten Ruf. Sie kann Schiffsschrauben beschädigen, den Verschleiß von Pumpen beschleunigen und erhebliche Schäden an Turbinen verursachen. Ingenieure versuchen deshalb seit Jahrzehnten, dieses physikalische Phänomen möglichst zu vermeiden.

Doch die dabei entstehenden Kräfte können nicht nur Schäden verursachen. Werden sie kontrolliert erzeugt, lassen sie sich auch gezielt für technische Prozesse nutzen.

In der Wassertechnik gewinnt die kontrollierte Kavitation zunehmend an Bedeutung. Sie eröffnet die Möglichkeit, Mikroorganismen mithilfe physikalischer Kräfte zu beeinflussen, ohne dem Wasser chemische Zusätze zuzuführen.

Was ist Kavitation?

Kavitation entsteht, wenn der Druck einer Flüssigkeit für kurze Zeit unter ihren Dampfdruck fällt. Dadurch bilden sich im Wasser winzige Dampfblasen oder Hohlräume.

Steigt der Druck unmittelbar danach wieder an, brechen diese Blasen innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde zusammen. Bei dieser sogenannten Implosion wird auf kleinstem Raum eine große Menge Energie freigesetzt.

Dabei können lokal hohe Drücke, starke Scherkräfte und kurzzeitige Temperaturspitzen entstehen. Diese Effekte bleiben jedoch auf mikroskopisch kleine Bereiche begrenzt und führen nicht dazu, dass sich das Wasser insgesamt entsprechend erwärmt.

Gerade diese konzentrierten physikalischen Kräfte machen Kavitation für unterschiedliche technische und industrielle Anwendungen interessant.

Ein seit Jahrzehnten bekanntes Phänomen

Kavitation ist keine neue Entdeckung. Das Phänomen wird bereits seit vielen Jahrzehnten untersucht und in unterschiedlichen Bereichen technisch genutzt.

Neben der Wassertechnik kommt Kavitation beispielsweise bei der Ultraschallreinigung, in der Medizintechnik, bei industriellen Reinigungsprozessen und in verschiedenen verfahrenstechnischen Anwendungen zum Einsatz.

Die grundlegenden physikalischen Mechanismen sind daher gut erforscht. Neu ist vielmehr die Frage, wie sich diese Effekte gezielt und kontrolliert für hygienische Anwendungen in Trinkwasserinstallationen einsetzen lassen.

Was passiert mit Mikroorganismen?

Mikroorganismen besitzen empfindliche Zellstrukturen. Werden sie den starken Druckänderungen und Scherkräften einer kontrollierten Kavitation ausgesetzt, können ihre Zellmembranen mechanisch beeinflusst oder beschädigt werden.

Im Gegensatz zu chemischen Verfahren beruht dieser Effekt nicht auf einer chemischen Reaktion mit dem Wasser. Die Wirkung entsteht ausschließlich durch physikalische Vorgänge.

Dem Wasser müssen dafür keine zusätzlichen Wirkstoffe zugeführt werden. Stattdessen werden die im Wasser erzeugten Druck- und Strömungsverhältnisse gezielt genutzt, um die gewünschten physikalischen Effekte hervorzurufen.

Physikalische Verfahren als Ergänzung

Die Trinkwasserhygiene wurde über viele Jahrzehnte vor allem durch thermische und chemische Verfahren geprägt. Inzwischen rücken auch physikalische Verfahren stärker in den Fokus.

Dabei geht es nicht grundsätzlich darum, bewährte Maßnahmen vollständig zu ersetzen. Vielmehr können physikalische Technologien je nach Anwendungsfall eine ergänzende oder alternative Möglichkeit darstellen.

Ein Vorteil besteht darin, dass dem Wasser keine Desinfektionschemikalien zugesetzt werden müssen. Dadurch entstehen auch keine Desinfektionsnebenprodukte, die unmittelbar auf den Einsatz entsprechender Chemikalien zurückzuführen sind. Ebenso entfallen deren Lagerung und Dosierung.

Welche Technologie für eine konkrete Anlage geeignet ist, lässt sich jedoch nicht pauschal beantworten. Entscheidend sind immer die technischen Gegebenheiten, die Betriebsweise und die jeweiligen hygienischen Anforderungen.

Die kontrollierte Erzeugung ist entscheidend

Damit die physikalischen Kräfte der Kavitation gezielt genutzt werden können, müssen Druckverhältnisse, Strömungsgeschwindigkeit und Geometrie des Systems sorgfältig aufeinander abgestimmt sein.

Bereits kleine Veränderungen können beeinflussen, wo Kavitation entsteht, wie intensiv sie ausfällt und welche Wirkung sie innerhalb des Systems entfaltet. Technische Lösungen zur kontrollierten Kavitation können sich deshalb in ihrer Konstruktion und Funktionsweise deutlich voneinander unterscheiden.

Nicht jede sichtbare Blasenbildung ist automatisch Kavitation. Ebenso erzeugt nicht jede Form der Kavitation dieselben physikalischen Kräfte oder eine vergleichbare Wirkung.

Für eine gezielte Anwendung kommt es daher darauf an, den Prozess unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen zu erzeugen.

Ein wachsendes Forschungsfeld

Mit dem steigenden Interesse an nachhaltigen und ressourcenschonenden Verfahren wächst auch die Forschung im Bereich der physikalischen Wasserbehandlung.

Kavitation zählt zu den Technologien, deren Potenzial derzeit für unterschiedliche Anwendungen untersucht wird. Im Mittelpunkt stehen dabei unter anderem die mikrobiologische Wirksamkeit, die Energieeffizienz und die technische Integration in bestehende Anlagen.

Auch die Frage, wie sich kontrollierte Kavitation zuverlässig in reale Betriebsbedingungen übertragen lässt, spielt eine wichtige Rolle.

Die bisherigen Entwicklungen zeigen, dass physikalische Verfahren künftig eine größere Bedeutung innerhalb moderner Konzepte zur Wasseraufbereitung und Wasserhygiene erhalten könnten.

Fazit

Kavitation ist kein neues physikalisches Phänomen. Neu ist vor allem die gezielte Nutzung der dabei entstehenden Kräfte für hygienische Anwendungen in der Wassertechnik.

Durch die kontrollierte Bildung und den anschließenden Zusammenbruch mikroskopisch kleiner Dampfblasen entstehen lokal starke Druckänderungen und Scherkräfte. Diese können auf Mikroorganismen und deren Zellstrukturen einwirken, ohne dass dem Wasser dafür chemische Wirkstoffe zugesetzt werden müssen.

Damit stellt die kontrollierte Kavitation einen interessanten Ansatz für moderne Wasserhygienekonzepte dar. Sie zeigt, wie sich ein in vielen technischen Bereichen unerwünschtes Phänomen unter kontrollierten Bedingungen gezielt nutzbar machen lässt.