Rebreather

Ein Rebreather ist ein Atemschutzgerät, das das Kohlendioxid des ausgeatmeten Atems eines Benutzers absorbiert, um die Rückatmung (Recycling) des im Wesentlichen unbenutzten Sauerstoffgehalts und des nicht benutzten inerten Gehalts jedes Atems zu ermöglichen. Der Sauerstoff wird hinzugefügt, um die vom Benutzer verstoffwechselte Menge wieder aufzufüllen. Dies unterscheidet sich von einem offenen Kreislauf-Atemschutzgerät, bei dem das ausgeatmete Gas direkt in die Umgebung abgegeben wird.

Rebreather-Technologie kann überall dort eingesetzt werden, wo die Atemgasversorgung eingeschränkt ist, wie z. B. unter Wasser oder im Weltraum, wo die Umgebung giftig oder hypoxisch ist, wie bei der Brandbekämpfung, der Minenrettung und bei Einsätzen in großer Höhe, oder wo das Atemgas speziell angereichert ist oder teure Komponenten enthält, wie z. B. Heliumverdünner oder Anästhesiegase.

Rebreather-Technologie wird in vielen Umgebungen eingesetzt:

Funktionsweise eines Rebreathers

Während der Atmung verbraucht der Körper Sauerstoff und produziert Kohlendioxid. Der Grundstoffwechsel benötigt ca. 0,25 l/min Sauerstoff bei einer Atemfrequenz von ca. 6 l/min, und eine trainierte Person, die hart arbeitet, kann mit einer Geschwindigkeit von 95 l/min lüften, wird aber nur ca. 4 l/min Sauerstoff umwandeln. Der Sauerstoff wird im Allgemeinen bei normalem atmosphärischen Druck auf ca. 4% bis 5% des inspirierten Volumens oder ca. 20% des verfügbaren Sauerstoffs in der Luft auf Meereshöhe umgewandelt. Die Atemluft auf Meereshöhe enthält noch immer etwa 16% Sauerstoff.

Die Situation ist noch verschwendeter an Sauerstoff, wenn der Sauerstoffanteil des Atemgases höher ist, und beim Unterwassertauchen macht die Verdichtung des Atemgases aufgrund der Tiefe die Rückführung des ausgeatmeten Gases umso wünschenswerter, als ein noch größerer Anteil des offenen Kreislaufgases verschwendet wird. Eine weitere erneute Atmung desselben Gases wird den Sauerstoff auf ein Niveau verbrauchen, das das Bewusstsein und schließlich das Leben nicht mehr unterstützt.

Wenn dies jedoch ohne Entfernung des Kohlendioxids geschieht, wird es sich schnell im recycelten Gas anreichern, was fast sofort zu einer leichten Atemnot führt und sich rasch zu weiteren Stadien der Hyperkapnie oder Kohlendioxidtoxizität entwickelt. Eine hohe Belüftungsrate ist in der Regel notwendig, um das Stoffwechselprodukt Kohlendioxid (CO2) zu eliminieren. Der Atemreflex wird durch die CO2-Konzentration im Blut ausgelöst, nicht durch die Sauerstoffkonzentration, daher wird auch eine geringe Anreicherung von CO2 im eingeatmeten Gas schnell unerträglich; wenn eine Person versucht, ihr ausgeatmetes Atemgas direkt wieder zu atmen, wird sie bald ein akutes Erstickungsgefühl verspüren, deshalb müssen Rebreather das CO2 in einer als Kohlendioxidwäscher bezeichneten Komponente chemisch entfernen.

Durch die Zugabe von ausreichend Sauerstoff zur Kompensation des Stoffwechsels, die Entfernung des Kohlendioxids und die Rückatmung des Gases wird ein Großteil des Volumens konserviert.

Obwohl es verschiedene Designvarianten des Tauchrebreathers gibt, haben alle Typen eine gasdichte Schleife, in die der Taucher ein- und ausatmet. Die Schleife besteht aus mehreren miteinander versiegelten Komponenten. Der Taucher atmet durch ein Mundstück oder eine Vollmaske. Dieser wird mit einem oder mehreren Rohren verbunden, die das ein- und ausgeatmete Gas zwischen Taucher und Gegenlunge oder Atembeutel leiten. Das hält Gas zurück, wenn es nicht in der Lunge des Tauchers ist. Die Schleife enthält auch einen Wäscher, der Kohlendioxid absorbierend enthält, um das vom Taucher ausgeatmete Kohlendioxid zu entfernen. An der Schleife ist mindestens ein Ventil angebracht, das die Zugabe von Gasen, wie z. B. Sauerstoff und evtl. ein verdünnendes Gas, aus einem Gasspeicher in den Kreislauf ermöglicht. Es können Ventile vorhanden sein, die das Entlüften des Gases aus dem Kreislauf ermöglichen.

Konfiguration der Atemgasdurchführung

Es gibt zwei Grundgasdurchlasskonfigurationen: Die Schleife und das Pendel.

Die Schlaufenkonfiguration verwendet eine gerichtete Zirkulation des Atemgases, das beim Ausatmen das Mundstück verlässt, durch ein Rückschlagventil in den Ausatemschlauch und dann durch die Gegenlunge und den Wäscher gelangt, um durch den Einatemschlauch und ein weiteres Rückschlagventil zum Mundstück zurückzukehren, wenn der Taucher einatmet.

Die Pendelanordnung arbeitet mit einer Zwei-Richtungs-Strömung. Das ausgeatmete Gas strömt vom Mundstück durch einen einzelnen Schlauch zum Wäscher, in die Gegenlunge, und beim Einatmen wird das Gas durch den Wäscher und denselben Schlauch zurück zum Mundstück gezogen. Das Pendelsystem ist strukturell einfacher aufgebaut, enthält aber inhärent einen größeren Totraum von ungeschrubbtem Gas im kombinierten Ausatem- und Inhalationsschlauch, der wieder eingeatmet wird. Es gibt widersprüchliche Anforderungen an die Minimierung des Totraumvolumens bei gleichzeitiger Minimierung des Strömungswiderstandes der Atemwege.

Mundstück

Der Taucher atmet vom Kreislauf des Kreislaufgerätes durch ein Biss-Griff-Mundstück oder eine Mund-Nasen-Maske, die Teil einer Vollmaske oder eines Tauchhelms sein kann. Das Mundstück wird durch Atemschläuche mit dem Rest des Rebreathers verbunden. Das Mundstück eines Tauchrebreathers enthält normalerweise ein Absperrventil und kann ein Tauch-/Oberflächenventil oder ein Bailout-Ventil oder beides enthalten. Bei schlaufenförmigen Rebreathern ist das Mundstück in der Regel der Ort, an dem die Rückschlagventile für die Schlaufe angebracht sind.

Gegenlunge

Die Gegenlunge ist ein Teil der Schleife, der dazu bestimmt ist, die Lautstärke um den gleichen Betrag zu verändern wie das Tidalvolumen des Benutzers beim Atmen. Dadurch kann sich die Schleife ausdehnen und zusammenziehen, wenn der Benutzer atmet, so dass das Gesamtgasvolumen in der Lunge und die Schleife während des gesamten Atmungszyklus konstant bleibt. Das Volumen der Gegenlungen sollte das maximal wahrscheinliche Atemvolumen eines Benutzers berücksichtigen, muss aber in der Regel nicht der Vitalkapazität aller möglichen Benutzer entsprechen.

Unter Wasser wirkt sich die Lage des Gegenlungen - auf der Brust, über den Schultern oder auf dem Rücken - auf die hydrostatische Atmungsarbeit aus. Dies ist auf den Druckunterschied zwischen dem Konterlungen und der Taucherlunge zurückzuführen, der durch den vertikalen Abstand zwischen den beiden entsteht.

Freizeit- und Berufstaucher, technische Taucher und viele professionelle Taucher verbringen die meiste Zeit unter Wasser und schwimmen mit dem Gesicht nach unten und liegend getrimmt. Die Gegenlunge sollte bei geringer Atmungsarbeit in dieser Position gut funktionieren und der Taucher aufrecht stehen.

Kohlendioxidwäscher

Die ausgeatmeten Gase werden durch den chemischen Wäscher geleitet, ein Kanister voll eines geeigneten Kohlendioxidabsorptionsmittels wie z. B. einer Form von Sodakalk, der das Kohlendioxid aus dem Gasgemisch entfernt und den Sauerstoff und andere Gase zur Wiederbeatmung zurücklässt.

Einige der absorbierenden Chemikalien werden in Granulatform für Tauchanwendungen wie Sofnolime, Dragersorb oder Sodasorb produziert. Andere Systeme verwenden eine vorverpackte Reactive Plastic Curtain (RPC) basierende Kartusche: Der Begriff Reactive Plastic Curtain wurde ursprünglich verwendet, um die absorbierenden Vorhänge von Micropore für den Einsatz auf U-Booten bei der US Navy zu beschreiben, und in jüngster Zeit wurde RPC für ihre Reactive Plastic Cartridges verwendet.

Das Kohlendioxid, das durch das Absorptionsmittel des Wäschers strömt, wird entfernt, wenn es mit dem Absorptionsmittel im Kanister reagiert; diese chemische Reaktion ist exotherm. Diese Reaktion findet entlang einer "Front" statt, die eine Region über den Gasstrom durch den Soda-Kalk im Kanister ist. Diese Front bewegt sich durch den Wäscherkanister, von der Gaseintrittsseite bis zur Gasaustrittsseite, während die Reaktion die Wirkstoffe verbraucht. Diese Front wäre eine Zone mit einer Dicke in Abhängigkeit von der Korngröße, Reaktivität und Gasgeschwindigkeit, weil das Kohlendioxid im Gas durch den Kanister braucht Zeit, um die Oberfläche eines Kornes von absorbierenden, und dann Zeit, um in die Mitte von jedem Korn von absorbierenden als die außerhalb des Korns wird erschöpft. Schließlich wird Gas mit dem verbleibenden Kohlendioxid das Ende des Kanisters erreichen und ein "Durchbruch" eintreten. Danach steigt der Kohlendioxid-Gehalt des Waschgases tendenziell mit abnehmender Wirksamkeit des Wäschers, bis er für den Anwender spürbar wird und dann nicht mehr atmungsfähig ist.

Bei größeren Anlagen, wie z. B. Rekompressionskammern, wird ein Ventilator verwendet, um das Gas durch den Kanister zu leiten.

Gefahren beim Tauchen mit Rebreathern

Hypoxie

Hypoxie kann in jedem Rebreather auftreten, der genügend Inertgas enthält, um die Atmung zu ermöglichen, ohne dass eine automatische Gaszugabe ausgelöst wird.

In einem Sauerstoff-Rebreather kann dies auftreten, wenn der Kreislauf zu Beginn des Gebrauchs nicht ausreichend gespült wird. Die Spülung sollte während des Ausatmens erfolgen, damit das Inertgas in der Lunge des Benutzers ebenfalls aus dem System entfernt wird.

Kohlendioxidanreicherung

Kohlendioxidanreicherung tritt auf, wenn das Waschmedium fehlt, schlecht verpackt, unzureichend oder erschöpft ist. Der normale menschliche Körper ist ziemlich empfindlich auf Kohlendioxid-Partialdruck, und eine Anhäufung wird vom Benutzer bemerkt werden. Es kann jedoch oft nicht viel getan werden, um das Problem zu beheben, außer auf eine andere Atemgaszufuhr umzusteigen, bis der Wäscher wieder eingepackt werden kann. Die weitere Verwendung eines Rebreathers mit einem ineffektiven Wäscher ist nicht sehr lange möglich, da die Ebenen giftig werden und der Benutzer extreme Atemnot erleidet, gefolgt von Bewusstlosigkeit und Tod. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Probleme entwickeln, hängt von der Lautstärke des Kreislaufs und der Stoffwechselrate des Benutzers ab.

Verunreinigung der Luft

Industrielle Rebreather werden häufig dort eingesetzt, wo die Umgebungsluft verunreinigt ist und toxisch sein kann. Teile des Kreislaufs sind während des Einatmens etwas niedriger als der externe Umgebungsdruck, und wenn der Kreislauf nicht luftdicht ist, können externe Gase eindringen. Dies ist ein besonderes Problem am Rand einer Vollmaske, wo der Gummimaskenrock gegen das Gesicht des Benutzers abdichten muss.

Feuergefahr

Hohe Partialdrücke von Sauerstoff erhöhen die Brandgefahr erheblich, und viele Stoffe, die in der Umgebungsluft selbstverlöschend sind, verbrennen kontinuierlich in hoher Sauerstoffkonzentration.