• Scuba
    Scuba
  • Oxygen Rebreather
    Oxygen Rebreather
  • Semi Closed Rebreather
    Semi Closed Rebreather
  • Closed Circut Rebreather
    Closed Circut Rebreather

Teoria CCR/SCR

Co to jest Rebreather ?

Aby zrozumieć jak działa rebreather, trzeba wiedzieć jak działa zwykły zestaw SCUBA. Prawie wszystkie dostępne na rynku urządzenia nurkowe kwalifikują się jako obiegi otwarte. To rozwiązanie wprowadzone na rynek po raz pierwszy przez Cousteau wykorzystuje sprężony gaz oraz automat podający na żądanie z którego nurek oddycha. Wydychany gaz w formie bąbli jest wydalany do otoczenia za każdym oddechem, stąd nazwa obieg otwarty. Obiegi otwarte z założenia są niewydajne: ponieważ bardzo mała część każdego oddechu jest wykorzystywana przez nurka w procesie metabolizmu, przy każdym oddechu duża ilość tlenu (O2) jest tracona. Co więcej, ilość traconego w ten sposób tlenu rośnie wraz z przyrostem głębokości.

Rebreather jest z założenia innym urządzeniem. Są trzy główne typy rebreatherów używane w nurkowaniu: rebreathery tlenowe, rebreathery pół-zamknięte (SCR), oraz obiegi zamknięte (CCR).Każdy z tych typów ma zalety i wady i zostaną one wstępnie omówione poniżej. Wszystkie typy rebreatherów mają pewne elementy i cechy wspólne. Wszystkie posiadają pętle oddechową, wyposażoną w ustnik przez który nurek oddycha. Gdyby cała konstrukcja pętli oddechowej była sztywna, nurek nie był by wstanie oddychać, ponieważ gaz wydychany nie mógł by się nigdzie wydostawać, ani nie było by skąd wziąć wdechu (to tak jak próbować oddychać z plastikowej butelki). Potrzebny jest zatem rodzaj worka podłączonego do pętli oddechowej, który napełniał by się z każdym wydechem i opróżniał przy wdechu. Taki worek nazywa się przeciwpłucem. Jeżeli nurek kontynuował by oddychanie z takiej pętli,dwutlenek węgla (CO2) zawarty w wydychanym powietrzu szybko by się uzbierał w ilościach niebezpiecznych dla człowieka. Z tego powodu pętla oddechowa musi być wyposażona w kanister wypełniony chemicznym pochłaniaczem CO2 (absorbentem)l (e.g., HP Sodasorb, Sofnolime®) Pochłaniacz zabiera dwutlenek węgla zawarty w wydychanym gazie. Samo dodanie pochłaniacza do pętli nie pozwoli nurkowi oddychać z niej w nieskończoność; tlen w pętli oddechowej zostanie w końcu metabolizowany przez nurka. W takim razie musi być jakiś sposób dodawania tlenu do pętli aby utrzymywać w niej wystarczającą do podtrzymania życia ilość tlenu. Ponad to, aby nurek nie wdychał tego gazu który właśnie wypuścił wraz z wydechem, rebreather musi być tak zaprojektowany aby możliwa była cyrkulacja gazów tylko w jedną stronę w okół pętli oddechowej. To zazwyczaj udaje się uzyskać dzięki tzw. zaworom motylkowym (kierunkowym) zamontowanym po obu stronach ustnika, pozwalają one aby podczas wdechu gaz mógł zostać wciągnięty przez nurka tylko z jednej strony pętli oddechowej a następnie wraz z wydechem, wydostać się w przeciwną stronę.
Inną wspólną dla wszystkich rebreatherów częścią jest rodzaj zaworu odcinającego umieszczony w ustniku, który chroni pętle oddechową przed zalaniem wodą jeżeli miał by on być wyjęty z ust nurka pod wodą.

Podstawowe różnice pomiędzy trzema rodzajami rebreatherów, to w jaki sposób dodawany jest gaz do pętli oddechowej, oraz w jaki sposób kontrolowany jest poziom tlenu w pętli.

Rebreather tlenowy

Zaczniemy od najprostszego obiegu zamkniętego jakim jest rebreather tlenowy zanim przejdziemy do bardziej złożonych konstrukcji. Rebreather tlenowy składa się ze wszystkich elementów wymienionych powyżej, z butlą zawierającą tlen aby uzupełnić ten zużyty przez nurka. Niektóre rebreathery dodają tlen do pętli w stałych takich samych dawkach, dobranych tak aby odzwierciedlać tempo metabolizmu nurka. Prędkość metabolizmu tlenu w organizmie nurka może się zmieniać wraz z ilością pracy którą ten musi wykonać. Dlatego też taki system aktywnego dodawania tlenu często dodaje go za dużo podczas spoczynku, powoduje wypuszczanie a co za tym idzie to marnowanie nadmiaru gazu, oraz niedobory tlenu w warunkach wzmożonej pracy nurka, zmuszając go do ręcznego dodawania tlenu. Wiele rebreatherów tlenowych zawiera rodzaj pasywnego mechanizmu związanego z dodawaniem tlenu do pętli w ilości zgodnej z metabolizmem nurka. Najprostszą metodą osiągnięcia tego jest zawór mechaniczny który uruchamia się gdy przeciwpłuco całkowicie się zapadnie. Ciało nurka zamienia tlen w dwutlenek węgla, a dwutlenek węgla pochłaniany jest przez absorbent, tak więc objętość gazu w pętli oddechowej maleje. W końcu pełny wdech wykonany przez nurka spowoduje zassanie się przeciwpłuca (całkowite zapadnięcie), to z kolei uruchomi zawór mechaniczny aby dodać więcej tlenu do pętli. Potencjalne ryzyko związane z tego typu rozwiązaniem wiąże się z koniecznością dokładnego przepłukania pętli oddechowej. Jeżeli odpowiednio duża ilość innych gazów zebrała by się w pętli oddechowej, nurkowi groziła by hipoxia (niedobór tlenu) zanim przeciw płuco zapadło by się wystarczająco aby uruchomić mechaniczny zawór dodający tlen. Z punktu widzenia projektowania rebreathery tlenowe są dosyć proste ponieważ nie wymagają skomplikowanej kontroli poziomu zawartości tlenu w pętli oddechowej. Z drugiej strony ich przydatność jest bardzo ograniczona z powodu ryzyka wystąpienia CNS (zatrucie zbyt dużą ilością tlenu), nie pozwala to na skuteczne używanie tego typu rebreatherów na głębokościach większych niż 6m. Aby móc bezpiecznie zanurzać się na większe głębokości,gaz zawarty w pętli musi zawierać inne gazy obojętne niż sam tlen (np. azot, hel). Takie rebreathery służące do nurkowania na mieszankach gazowych występują w w dwu postaciach, obiegów zamkniętych (CCR) i pół-zamkniętych (SCR).

Obieg Pół-zamknięty (SCR)

Rebreather o obiegu pół-zamkniętym są rebreatherami które pozwalają nurkować na mieszaninach gazowych, co oznacza że można w nich stosować inne mieszaniny niż tylko czysty tlen. Są dwa podstawowe rodzaje SCR; pasywne i aktywne. Tych o aktywnym systemie dodawania tlenu jest o wiele więcej. W konstrukcji są one bardzo zbliżone do aktywnych rebreatherów tlenowych, z tą różnicą że dodawany gaz nie jest czystym tlenem a mieszaniną gazów. Gaz zazwyczaj jest dodawany do pętli w stałej ilości za każdym razem. Innymi słowy, niezależnie od głębokości, stała ilość gazu jest dodawana do pętli w danym czasie. Częstotliwość dodawania tlenu w takim rozwiązaniu musi być dostosowana do frakcji tlenu w mieszaninie, w taki sposób aby pokrywała lub przekraczała zapotrzebowanie na tlenu zużywany z pętli przez nurka.
Zaletą takiego rozwiązania w porównaniu do RB tlenowych jest to, że pozwala on na zanurkowanie na dużo większe głębokości, bez zwiększania ryzyka toksyczności tlenowej. Podstawową wadą tej konstrukcji jest że część gazu która nie jest tlenem a innym gazem obojętnym (najczęściej Hel lub Azot) również dodawana jest z tą samą częstotliwością do pętli. Ponieważ ciało nurka nie zużywa tych gazów, ich ilość przyrasta w pętli oddechowej. Aby uniknąć oczywistych konsekwencji, nadmiar gazu musi, co jakiś czas być wypuszczony z pętli oddechowej. W idealnej sytuacji, tylko gaz który nie jest tlenem był by wypuszczany na zewnątrz, zachowując cenny tlen dla nurka. Ponieważ gaz w pętli jest mniej lub bardziej homogeniczny i częścią wentylowanego gazu zawsze jest tlen.

Inny problem z aktywnymi obiegami pół-zamkniętymi jest związany ze zmiennym poziomu tlenu w pętli oddechowej. Po pierwsze frakcja tlenu w pętli oddechowej jest nieco mniejsza w stosunku do frakcji tlenu w gazie w butli. Jest to spowodowane tym że ciało nurka szybciej metabolizuje tlen z gazu z pętli oddechowej niż z gazu w butli. Dodatkowo, tlen jest dodawany do pętli ze stałą częstotliwością, natomiast tempo, z jakim ciało nurka zużywa tlen jest zmienne i zależy od pracy wykonywanej przez nurka. Dodatkowo metabolizm nurka może się zmieniać w zależności od warunków od 6 krotnego to 10 krotnego przy ekstremalnym obciążeniu. Te zmiany powodują różnice po między frakcją gazu w pętli oddechowej, a gazem w zbiorniku. Aby zminimalizować ryzyko hipoksji, koncentracja tlenu w gazie oraz częstotliwość z jaką jest on dodawany do pętli oddechowej musi być na tyle wysoka aby zaspokoić ewentualne potrzeby związane z ciężkim wysiłkiem. Czym wyższa frakcja tlenu tym większe restrykcje związane z głębokością, szczególnie w przypadku wykonywania pracy. Co więcej, czym częściej gaz jest dodawany do pętli, tym na mniej go wystarczy, co oznacza mniej optymalne jego wykorzystanie. Jest to spowodowane (zazwyczaj nie przewidywalnym) zmiennym zapotrzebowaniem nurka na tlen podczas nurkowania, oraz nie możliwym tego zaplanowaniem, rebreathery o obiegu pół-zamkniętym i aktywnym sposobie dodawania tlenu są konstrukcyjnie skazane na gorszą wydajność niż inne typy rebreatherów.

Nieco inne podejście do RB o obiegach pół-zamkniętych prezentuje rodzina SCR o pasywnym systemie dodawania tlenu do pętli. Konstrukcja pasywna próbuje dopasować częstotliwość z jaką dodawany jest tlen do pętli oddechowej, tak aby była ona zgodna z zapotrzebowaniem i metabolizmem nurka. Naj prosztrzym, sposobem aby to osiągnąć w czasie rzeczywistym było by zrozumienie i zapisanie schematu zapotrzebowania nurka na tlen. W większości przypadków częstotliwość oddechowa lub RMV (Respiratory Minue Volume) czyli zużycie będzie wprost proporcjonalne do metabolizowanego przez organizm tlenu. Tak więc większość pasywnych SCRów będzie dodawało więcej gazu gdy RMV wzrośnie oraz mniej gdy jest niższe. To rozwiązanie zmniejsza problem zmiennej zawartości tlenu w pętli, nie rozwiązuje to jednak problemu, potrzeby okresowego wentylowania pętli, co znacznie obniża wydajność urządzenia.

Obiegi zamknięte (CCR)

Pomimo że nazwy CCR lub "closed-circuit rebreather" często używa się do określania wszystkich rebreatherów, to w tym znaczeniu oznaczać to będzie w pełni zamknięty obieg obsługujący mieszaniny gazów. CCR podobnie jak obiegi pół-zamknięte są systemami gazów mieszanych, pozwalające na dużo głębsze nurkowania niż rebreathery tlenowe.Istnieje jednak kilka bardzo ważnych różnic pomiędzy SCR a CCR.
Pierwsza ważna różnica polega na sposobie dodawania tlenu do pętli oddechowej. W obiegach pół-otwartych tlen jest dodawany do pętli wraz z innymi gazami, systemy typu CCR generalnie składają się z dwóch niezależnych układów różnych gazów. Pierwszy z nich zawiera czysty tlen, który jest dodawany do pętli oddechowej aby rekompensować tlen metabolizowany podczas nurkowania przez nurka. Drugi, system nazywany diluentem, zawiera zazwyczaj sprężone powietrze lub inne mieszaniny gazów, takie jak nitrox (tlen+azot), heliox (hel+tlen) lub trimix (tlen+hel+azot). Mieszanina gazów która jest diluentem zazwyczaj zawiera wystarczającą ilość tlenu, aby można było z niej oddychać bezpośrednio z butli za pomocą obiegu otwartego na operacyjnej głębokości nurkowania. Ten system służy uzupełnianiu objętości gazów w pętli podczas zwiększania się głębokości gdy gaz w pętli oddechowej zostaje sprężony. W niektórych rebreatherach, diluent może być również używany jako gaz ucieczkowy (bailout) w sytuacjach całkowitej awarii i nie sprawności rebreathera.

Jakie są zalety rebreatherów

Generalnie rebreathery a w szczególności CCR dają trzy podstawowe zalety i przewagi nad obiegami otwartymi: większa wydajność gazów, z optymalizowana dekompresja, oraz prawie bezgłośne nurkowaine.

Wydajność Gazu

Prawdopodobnie największą zaletą CCR (oraz w mniejszym stopniu SCR) jest dużo większa wydajność gazów. W normalnych warunkach, nurek zużywa tylko mały procent wydalanego tlenu; większość gazu opuszcza płuca, gdy nurek robi wydech. Używając obiegu otwartego, tlen oraz inne gazy, są marnowane w postaci bąbli wydalanych do otoczenia. Wraz ze wzrostem głębokości, wydajność obiegu otwartego nawet maleje ze względu na wyższe ciśnienie na większych głębokościach, więcej cząsteczek jest wydalanych z każdym wydechem. Rebreather z kolei zatrzymuje prawie cały gaz wewnątrz pętli, oczyszcza go oraz wzbogaca a następnie zwraca do nurka. W przypadku obiegów typu CCR, gdzie właściwie nie występuje wydalanie gazu na zewnątrz, nie następuje wzrost zużycia gazu wraz ze wzrostem głębokości. Dzięki temu czym głębsze nurkowanie tym większa wydajność rebreathera (ze względu na oszczędność gazu). Na przykład, standardowa butla, zawiera wystarczającą ilość gazu aby można było nim oddychać przez około 1,5 godziny na powierzchni. Ta sama butla wystarczy na ok 45 minut na 30 metrach i na nie wiele więcej niż 10 minut na 90 metrach. Ale jeżeli ta sama butla została by wypełniona tlenem i podłączona do CCR, to nurek teoretycznie mógł by pozostać pod wodą przez 2 dni -- niezależnie od głębokości !

Optymalizacja Dekompresji

Druga podstawowa zaleta wiąże się z optymalizacją dekompresji. Ta zaleta odnosi się tylko do CCR a nie dotyczy układów typu SCR czy rebreatherów tlenowych. Te ostatnie służą do nurkowania na małych głębokościach gdzie nie występuje kwestia dekompresji.
Powód dla którego dotyczy to tylko zamkniętych układów a nie pół-zamkniętych, związany jest z różnicami w dynamice gazów tych dwóch rebreatherów. Jak wspomniano wcześniej rebreathery pół-zamknięte utrzymują mniej więcej stałą frakcję tlenu w pętli podczas nurkowania, gdzie obiegi o pełnym zamkniętym obiegu utrzymują stałe ciśnienie parcjalne tlenu w gazie oddechowym. Obieg zamknięty utrzymuje ciśnienie parcjalne tlenu na maksymalnym najwyższym bezpiecznym poziomie przez całe nurkowanie. Oznacza to, że część gazu która nie jest tlenem (odpowiedzialna za ograniczenia związane z dekompresją), jest utrzymywana na poziomie minimum. To pozwala nurkowi pozostawać dłużej na większych głębokościach bez ryzyka wpadania w ograniczenia dekompresyjne, oraz przyśpiesza to proces dekompresji gdy ta już się pojawi.

Cisza

Z każdym wydychanym oddechem, nurek używający obiegu otwartego uwalnia duże ilości głośnych bąbli. Efekt takiego postępowania na życiu morskim może być przeróżny, ale w większości przypadków ryby zachowują się bardzo ostrożnie i są niechętne zbliżyć się do nurka. Obiegi pół-zamknięte zmniejszają ilość wydychanych bąbli, a obiegi w pełni zamknięte właściwie eliminują bąble całkowicie. Nurkowie wyposażeni z rebreathery są wstanie zbliżyć się do form życia wodnego dużo bardziej, nie niepokojąc ich zbytnio. Jest to wyjątkowo ważne dla badaczy gatunków czy fotografów.

Wady Rebreatherów

Nurkowanie na Rebreatherach ma pewnie wymagania a co za tym idzie niesie ze sobą pewne ryzyko, te ryzyka są określane jako podstawowe wady rebreatherów.

Dyscyplina i Szkolenie

Wszystkie rodzaje rebreatherów, mają pewną specyficzną złożoność, która wprowadza pewne formy ryzyk nie znanych nurkom obiegów otwartych. Podstawowa różnica pomiędzy obiegiem zamkniętym a otwartym jest taka że, jeśli nurek może oddychać i nie jest poza ustalonymi limitami głębokości, gaz którym oddycha będzie gazem utrzymującym życie (zakładając że butla była właściwie napełniona), jeżeli występuje jakiś problem z obiegiem otwartym, problem ten zazwyczaj jest oczywisty dla nurka, tak że jest on przynajmniej świadomy problemu i może przed się wziąć środki aby go rozwiązać. W przypadku rebreatherów gaz którym oddycha nurek może zmieniać się dynamicznie a przez to ilość tlenu w pętli oddechowej może wyjść poza zasięg w którym gaz ten jest gazem podtrzymującym życie w czasie jednego nurkowania. W przypadku rebreatherów tlenowych, jeżeli pętla oddechowa nie jest odpowiednio przepłukana przed rozpoczęciem nurkowania, frakcja azotu w gazie może być wysoka. W rebreatherach tlenowych o pasywnym sposobie dodawania tlenu jest możliwe że nurek zużyje cały tlen z pętli oddechowej zanim zawór dodawczy tlenu się włączy, pozostawiając w pętli tylko azot.
W przypadku obiegów pół zamkniętych ilość tlenu zależy od pracy nurka. W pewnych warunkach szczególnie w czasie dużego wysiłku i/lub podczas wynurzania, ilość tlenu w pętli może spaść dramatycznie do niebezpiecznie niskiego poziomu.
Wbudowana słabość obiegów w pełni zamkniętych to poleganie na elektronice mierzącej zawartość tlenu w pętli oddechowej. Jak każdy fotograf wie, elektronika i woda (w szczególności słona woda) nie mieszają się. Rzeczywiście, CCR wyrobiły sobie reputację nie wiarygodnych, głównie przez awarie elektronicznego sterowania zawartością tlenu, prowadząc do zbyt małej lub zbyt wysokiej zawartości tlenu w pętli oddechowej.
Te problemy mogą w większości być ominięte, jeżeli rebreathery tlenowe zostaną odpowiednio przepłukane tlenem przed użyciem, jeżeli tempo dodawania gazu w SCR jest dobrze i dokładnie dopasowane a pętla jest przepłukana gazem przed rozpoczęciem wynurzania, oraz gdy wszystkie niezależne czujniki tlenu i kontroli tlenu są wbudowane w obieg zamknięty. Niestety symptomy hipoxi oraz toksyczności tlenowej nie mogą być uważane za wiarygodne oznaki ostrzegające przed utratą przytomności. Dlatego też, bardzo dużo zależy od nurka, aby powziął szczególne kroki zapewniające ciągłość mieszaniny gazu podtrzymującej życie w pętli oddechowej przez cały czas. Taka konieczność wymaga dyscypliny i szkolenia. Nurek rebreatherowy musi więcej uwagi poświęcić na utrzymanie swojego sprzętu niż jest to wymagane od nurków obiegu otwartego. Co więcej rebreathery są zazwyczaj bardziej złożone niż obiegi otwarte co również wymaga więcej czasu na szkolenie. .

Bibliografia



Ten artykuł jest tłumaczeniem artykułu nieznanego autora, w wersji oryginalnej do pobrania w bibliotece.

Ambrose, G. 1996. Breathe Deep: Isle divers test new gear that recycles air, allowing them to probe deeper and stay longer. Honolulu Star Bulletin April 3, 1996: A-1; A-8; (Related articles: Ambrose, Greg. 1996. ‘Twilight Zone’ yields to crystal clear waters. Honolulu Star Bulletin April 3, 1996: A-8).

Caloyianis, N. 1993. A new perspective: Rebreathers. Discover Diving, 1993(January-February): 92- 96.

Collette, B. and S. A. Earle (eds.). 1972. Results of the Tektite Project: ecology of coral reef fishes. Science Bulletin 14, Nat. Hist. Mus. L.A. County.

Comper, W. and W. Remley. 1996. Rebreather roundtable: DeepTech and seven industry experts take a hard look at rebreather safety issues and training standards. DeepTech 5:48-56.

Earle, S.A. 1976. Living and working in undersea laboratories. In: Proceedings, Fourth World Congress of Underwater Activities, Vol. II, Sec. 1: Manned Underwater Systems. pp. 601-613.

Earle, S.A. and A. Giddings. 1980. Exploring the Deep Frontier: The Adventure of Man in the Sea. National Geographic Society, Washington, D.C., 296 pp.

Hall, H. 1990. The sound of silence. Ocean Realm. Fall, 1990: 12-13

Halstead, B. 1996. Hi-Tek Adventure. Scuba Diver, September/October 1996: 61-64, 6 figs.

Hamilton, R.W. 1990. Technology inspired: The closed circuit rebreather. aquaCorps no. 2: 10-14.

Hanlon, R.T., R.F. Hixon, J.P. Hendrix, Jr., J.W. Forsythe, T.E. Sutton, M.R. Cross, R. Dawson, and L. Booth. 1982. The application of closed circuit scuba for biological observations. In: Proceedings of the Sixth International Scientific Symposium of CMAS, Proceedings of the Diving Science Symposium. (J. Blanchard, J. Mair and I. Morrison, eds.) National Environmental Research Council, London. pp. 43-52.

Montres Rolex S.A. 1996. Richard Pyle, United States. Project: Investigate biodiversity in the undersea Twilight Zone (Exploration and Discovery). P. 146-147. In: Spirit of Enterprise: The 1996 Rolex Awards. Secretariat of the Rolex Awards for Enterprise, Geneva, Switzerland.191 pp.

Nordstrom, R. 1993. Chapter 20. Looking ahead: Closed circuit underwater breathing apparatus (CCUBA). In: Mixed Gas Diving: The Ultimate Challange for Technical Divers. (T. Mount and B. Gilliam, eds) Watersports Publishing, Inc., San Dieago, California. pp. 341-360.

Pyle, R.L. 1996. How much coral reef biodiversity are we missing? Global biodiversity, 6(1):3-7 (Published in both English and French versions).

Pyle, R.L. 1996. Adapting to Rebreather Diving. Immersed Advanced Diving Journal 1(2):12-21.

Pyle, R.L. 1996. The Twilight Zone. Natural History, 105(11):59-62.

Skiles, W. 1991. The rebreather revolution. Rodale's Scuba Diving 1991(July/August): 91-100.

Somers, L.H. 1992. Chapter 18. Looking Ahead: Mixed Gas in Scientific Diving. In: Mount, T. and B. Gilliam (Eds.). Mixed Gas Diving: The Ultimate Challenge for Technical Diving. Watersport Publishing, Inc., San Diego. 392 pp.

Stanton, G. 1991. The future of special gas mixtures in scientific diving at Florida State University. Prog. Underwater Sci. 16: 123-137.

Stone, W.C. 1989b. Life support research. In: The Wakulla Springs Project (W.C. Stone, ed.), U.S. Deep Caving Team, Derwood, Maryland. pp. 95-111.

Stone, W.C. 1990. Exploring underwater with a failsafe diving rebreather. Sea Tech. 1990(12): 17-23.

Tzimoulis, P. 1970. 300 feet on computerized scuba. Skin Diver 19(9): 28-33.

Walsh, J. 1991. Depth defiers of Huautla: Cavers explore an abyss that rivals the dark side of the moon. Time. 1991(April 15): 56.