Der Gegenstromaustausch ist ein hocheffizientes, natürlich auftretendes Phänomen des thermischen oder chemischen Transfers zwischen Fluidkörpern. Dieser Vorgang erfolgt bei Wärme durch eine leitfähige Oberfläche oder bei chemischem Austausch durch eine teildurchlässige Membran. Im Gegenstrom fließen Donor- und Rezipientenflüssigkeit immer in entgegengesetzte Richtungen, eine Eigenschaft, die dem Verfahren seine Effizienz und seinen Namen verleiht. Gegenstromaustausch findet sich in vielen biologischen Systemen wie Säugetiernieren, Vogellungen und Fischkiemen und ist ein häufig verwendetes industrielles chemisches und thermisches Transfersystem. Ein ähnliches System ist der gleichzeitige Austauschprozess, der weniger effektiv ist und Transfers zwischen Fluiden aufweist, die in die gleiche Richtung fließen.
Der Austausch von Wärmeenergie oder Schwebstoffen zwischen strömenden Fluiden ist sowohl in der Natur als auch in der Industrie ein weit verbreitetes Phänomen. Diese Stromflussaustausche können in zwei Gruppen eingeteilt werden: gleichzeitig und gegenläufig. Beide beinhalten den Austausch von Wärme oder suspendierten Chemikalien zwischen Fluiden, die in benachbarten Gefäßen fließen, entweder über leitfähige Oberflächen bzw. semipermeable Membranen. Wenn die Flüssigkeiten über ihre gemeinsamen Bereiche fließen, fließen Wärme und Chemikalien auf natürliche Weise von Bereichen mit hoher zu niedriger Konzentration, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Es ist diese Eigenschaft des Elementartransfers, die das Gegenstrom-Austauschverfahren zum effektivsten der beiden macht.
Der Prozess der Sauerstoffübertragung in den Kiemen eines Fisches ist ein gutes Beispiel für die Vorteile des Gegenstromaustauschs. Wenn sauerstoffarmes Blut auf einen entgegengesetzten Fluss von sauerstoffreichem Wasser trifft, beginnt der Sauerstoff, aus dem Wasser in den Blutkreislauf zu diffundieren. Dadurch sinkt die Sauerstoffkonzentration im Wasser und die im Blut steigt. Aufgrund der entgegengesetzten Strömungsrichtungen fließt das Blut immer über Wasser mit einer höheren Sauerstoffkonzentration und der Austausch wird so lange fortgesetzt, bis die Strömungen divergieren. Bei gleichzeitigen Strömungen strömen die beiden Flüssigkeiten jedoch in die gleiche Richtung und das Konzentrationsverhältnis erreicht schnell ein Gleichgewicht, wodurch der Austausch effektiv gestoppt wird.
Dies bedeutet, dass Gegenstromaustauschsysteme im Gegensatz zur Concurrent-Variante das relevante Element weiterhin über die gesamte Austauschfläche übertragen, um eine höhere Effizienz zu erzielen. Diese Effizienz ermöglicht normalerweise Transferwerte von 100 %, wobei der Empfängerstrom das System mit der gleichen Wärme- oder Chemikalienkonzentration wie der Spenderstrom verlässt. Gleiches gilt jedoch nicht für den gleichzeitigen Austausch mit durchschnittlichen Transferwerten im Bereich von 50 %. Dies macht das Gegenstrom-Austauschverfahren für industrielle Prozesse wie den regenerativen Wärmeaustausch und biologische Transferverfahren einschließlich Nieren- und Lungenfunktionen geeignet.