Membran

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Eine Membran (laut Duden seltener Membrane, von mittelhochdeutsch Membrane "Pergament"; von lateinisch membrana "Häutchen" bzw. membrum "Körperglied") ist eine Trennschicht, eine dünne Haut.

Membran eines Subwoofers

Man unterscheidet zwischen Membranen, die zur Trennung von Stoffgemischen verwendet werden (semipermeable Membranen, Filtrationsmembranen, Trennmembranen, permselektive Membranen) und Membranen, die Schwingungen erzeugen oder modifizieren sollen (Schwingungsmembranen, Oszillationsmembranen) aber auch Membranen als Urelemente (Elementarteilchen) des Universums.

Eine Besonderheit der Membrane ist ihre Eigenschaft, unter einer Belastung nur Zugkräfte aufzunehmen und an ihre Ränder weitergeben zu können. Dieser Zustand einer Membran heißt auch Membranspannungszustand. Ein anschauliches Beispiel für diesen Zustand liefert eine Seifenblase.

Sowohl in der Biologie als auch in der Technik treten Membranen in den vielfältigsten Anwendungen und Funktionen auf.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Trennmembranen

Es gibt sie in der

[Bearbeiten] Durchlässigkeit

Hinsichtlich der Diffusionseigenschaften unterscheidet man zwischen:

Ohne semipermeable Membranen ist das Leben in seiner heutigen Form nicht denkbar, denn jede biologische Zelle ist von einer Membran umgeben und muss bestimmten Substanzen die Möglichkeit gewähren, die Membran zu passieren.

Künstliche Membranen für die Trenntechnik bestehen aus Polymeren (Polyethersulfon, Polyacrylnitril, Celluloseacetat oder dünnen Schichten aus Silicon auf einem Polymerträger) oder Keramik und werden durch Gießen dünner Filme hergestellt, als Hohlfasern gesponnen oder als Multikanalelemente extrudiert. Andere Herstellungsverfahren sind die Grenzflächenkondensation (aromatisches Polyamid auf Träger) oder die Kernspurätzung (Beschuss dünner Filme aus Polycarbonat mit schweren Teilchen eines Beschleunigers).

Der Trennvorgang beruht auf dem Transport durch Poren (Siebmechanismus, Ultrafiltration, Filtration), der unterschiedlichen Löslichkeit und Diffusion (Gastrennung, Dialyse, Pervaporation) oder Ladungsunterschieden (Elektrodialyse). Triebkräfte für den Transport sind Unterschiede des Druckes (Filtration), der Konzentration/chemischen Potentials (Dialyse), der Temperatur oder der Ladung.

Wichtige technische Anwendungen sind die Trinkwassergewinnung durch Umkehrosmose (weltweit etwa 7 Mio. Kubikmeter jährlich), Filtrationen in der Lebensmittelindustrie, die Rückgewinnung von organischen Dämpfen, z. B. Benzindampfrückgewinnung und die Elektrolyse zur Chlorgewinnung. Aber auch in der Abwasserreinigung wird die Membrantechnologie immer wichtiger. Mit Hilfe der UF und MF (Ultra-/Mikrofiltration) ist es möglich Partikel, Kolloide und Makromoleküle zu entfernen, so dass Abwasser auf diesem Wege desinfiziert werden kann. Dies ist nötig, falls Abwasser in besonders sensible Vorfluter oder in Badeseen eingeleitet werden soll. Etwa 50 % des Marktes macht jedoch die Anwendung in der Medizin aus: Als künstliche Niere zur Entfernung giftiger Stoffe durch Blutwäsche und als künstliche Lunge durch blasenfreies Zuführen von Sauerstoff in das Blut.

Wichtigste Forschungszentren auf dem Gebiet der Stofftrennung mit Membranen sind in Europa das GKSS-Forschungszentrum Geesthacht, die Universitäten Twente, Enschede und Calabrien und das Institut IEM UMR in Montpellier. Von dort wird auch das European Network of Excellence on Nanoscale-based Membrane Technology gesteuert.

Technische Membranen werden als Filtermembranen z. B. als Osmosemembran in der Hauswasserversorgung oder in der Pervaporation eingesetzt.

[Bearbeiten] Schwingungsmembranen

Zweidimensionale stehende Oberwelle in einem rechteckigen Rahmen
Zweidimensionale stehende Welle in einem rechteckigen Rahmen; größtmögliche Wellenlänge

Jede Membran besitzt mehrere Eigenresonanzen (Partialschwingungen), die aber häufig stark gedämpft sind. In deren Umgebung können die Amplituden besonders hohe Werte erreichen. Die Membran kann in einem festen Rahmen eingespannt sein wie bei einer Trommel, ihr Rand kann aber auch frei schwingen wie bei einem Lautsprecher. Beide Varianten unterscheiden sich sehr deutlich bezüglich möglicher Moden und Frequenzen.

Sie kann zur Erzeugung, Verstärkung, Aufnahme, Dämpfung oder Messung der Schwingung dienen. Die Anregung zu Membranschwingungen setzt voraus, dass eine andauernd einwirkende äußere Kraft vorhanden ist, die durch die Zugspannung durch eine Randeinspannung gegeben ist. Die Schwingungsanregung kann auf sehr unterschiedliche Weise erfolgen, etwa durch Auftreffen von Luftschall, z. B. Trommelfell, durch Aufschlagen mit einem Schlegel, etwa bei Membranophonen, oder auf elektrischem Wege, etwa durch Anregung einer Lautsprechermembran.

Solche schwingenden Membranen spielen in der Akustik auf zahlreichen Gebieten eine außerordentlich wichtige Rolle, so vorwiegend bei den elektroakustischen Wandlern, wo sie zur Umwandlung von mechanischer Schallenergie in elektrische Energie dienen, z. B. beim Mikrofon, oder umgekehrt zur Wandlung von elektrischer Energie in Schallenergie, z. B. beim Lautsprecher oder beim Kopfhörer, beim Hörvorgang, sowie bei bestimmten Musikinstrumenten, z. B. den Membranophonen. Im Bruststück des Stethoskops ist ebenfalls eine Membran eingebaut.

Technische Schwingungsmembranen finden Verwendung auch in Druckmessern, Pumpen, Musikinstrumenten etc.

[Bearbeiten] Beispiele für Membranen

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Weblinks

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Membran“
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