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Atmen unter Wasser

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Warum können Fische unter Wasser atmen, Landsäugetiere jedoch nicht? Wie können Fische Sauerstoff direkt aus Wasser gewinnen, Menschen aber nicht?


Ich nehme diese Frage für bare Münze. Ja, Fische haben Kiemen, aber wir haben auch eine Atemfläche in unserer Lunge, warum also könnten wir nicht Wasser „atmen“ und den Sauerstoff extrahieren (da die Extraktion einfach eine Sache der Diffusion vom Lungeninhalt ins Blut ist).

Anscheinend verwenden wir 550 L reines O2 pro Tag. Dies entspricht etwa 400 g.

Die Löslichkeit von O2 in Süßwasser etwa 10 mg L-1. Unter der Annahme einer hypothetischen Situation, in der wir Wasser atmen und das gesamte O . extrahieren könnten2 Von jeder Lunge voll bedeutet dies, dass wir 28 Liter Wasser pro Minute atmen müssten, im Vergleich zu den 8 Litern Luft, die wir atmen.

Nun hat Wasser natürlich eine viel höhere Dichte als Luft, so dass viel Energie aufgewendet werden würde, um so viel Wasser in die Lunge hinein und aus ihr heraus zu bewegen (was wiederum einen höheren Sauerstoffverbrauch erfordern würde). Verbinden Sie dies mit der Tatsache, dass wir realistischerweise nur einen Bruchteil der O2 in jeder Lunge voll aufgelöst und Sie können beginnen zu sehen, warum dies ein Nicht-Starter ist.

Kiemen ermöglichen eine weitgehende Umgehung dieses Problems durch eine Einwegströmung des Wassers über die Atemfläche, die bei Fischen oft zumindest teilweise durch Bewegung durch das Wasser erreicht wird.


Blau im Gesicht: Unterwasser atmen

Haben Sie jemals davon geträumt, auf dem Meeresboden zu leben? Es gibt nur ein kleines Problem, Sie können unter Wasser nicht atmen. Für Fische ist es einfach, aber wie funktionieren Kiemen? Wasser hat nicht viel Sauerstoff zur Verfügung. Tatsächlich nimmt es nur etwa 1% des Volumens ein!

Die Wissenschaft hinter Kiemen ist voll von Chemie, Biologie und sogar ein bisschen Physik. Tauchen Sie ein in die erstaunliche Anpassung, mit der diese Tiere in einer Welt leben, die nicht allzu weit von unserer entfernt ist. Es wird alles in zwei Schlägen mit dem Schwanz eines Fisches Sinn machen.


Atmen unter Wasser: Beweise für mikroskopisches Leben in der ozeanischen Kruste

Obwohl lange Zeit als menschenleer galt, ist heute bekannt, dass der Boden der Tiefsee ganze Ökosysteme beherbergt, die von Mikroben nur so wimmeln. Wissenschaftler haben kürzlich dokumentiert, dass Sauerstoff aus dem durch die tiefe ozeanische Kruste zirkulierenden Meerwasser verschwindet, ein wichtiger erster Schritt zum Verständnis der Art und Weise, wie das Leben in der "tiefen Biosphäre" unter dem Meeresboden überleben und gedeihen kann. Die neuen Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation am 27. September 2013 und tragen dazu bei, unsere Vorstellungen von den Grenzen des Lebens auf unserem Planeten neu zu definieren.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Beth Orcutt vom Bigelow Laboratory for Ocean Sciences nutzte die JOIDES Resolution, ein hochentwickeltes 470 Fuß langes wissenschaftliches Bohrschiff, das vom internationalen Integrated Ocean Drilling Program (IODP) betrieben wird, um die schlammigen und sandigen Sedimente zu beproben, die Bedecken Sie die Felsen auf dem Meeresboden und bohren Sie in die harten Krustengesteine ​​selbst - die von vielen als das größte Reservoir für Leben auf der Erde angesehen werden - um zu verstehen, wie Mikroben "atmen" und die zum Leben notwendige Energie erhalten können in dieser abgelegenen Umgebung.

Das Team maß die Sauerstoffkonzentrationen in Sedimentkernen, die über der felsigen ozeanischen Kruste, fast fünf Kilometer unter der Meeresoberfläche, am westlichen Rand des abgelegenen Mittelatlantischen Rückens gesammelt wurden. Diese Messungen ermöglichten es den Forschern dann, die Sauerstoffkonzentration im Meerwasser zu bestimmen, das in den Gesteinen der ozeanischen Kruste selbst zirkuliert.

"Unsere Computermodelle zeigten, dass die Sauerstoffkonzentrationen in der Kruste in der Region höchstwahrscheinlich auf mikrobielle Lebensformen zurückzuführen sind, die Sauerstoff in der Kruste aufnehmen, während sich Meerwasser durch Brüche und Risse tief im Gestein bewegt", sagte Orcutt. "Unter den kalten Bedingungen der Kruste in diesem Gebiet ist der rein chemische Sauerstoffverbrauch minimal, was darauf hindeutet, dass Mikroben in der ozeanischen Kruste dafür verantwortlich sind, den Sauerstoff dort unten zu nutzen."

"Wir wissen, dass es in der Meereskruste ein riesiges Reservoir an Leben gibt, aber wenn wir nicht Schritte unternehmen, um seinen Stoffwechsel zu quantifizieren, werden wir nie wissen, wie groß es ist", sagte Co-Autor Dr. Sam Hulme von Moss Landing Marine Laboratories.

Ein weiterer Co-Autor des Artikels, Dr. Geoff Wheat von der University of Alaska Fairbanks, wies darauf hin, dass die chemische Zusammensetzung von Meerwasser in den Porenräumen zwischen Sedimentkörnern wichtige Informationen darüber liefert, welche Reaktionen dort ablaufen und wie schnell sie ablaufen. „Dieses Ergebnis bereitet die Bühne für gezieltere Experimente, um zu verstehen, wie Mikroben den Sauerstoff für das Wachstum an einem Ort mit wenig Nahrung verwenden“, sagte Wheat.

"Eines der größten Ziele der internationalen wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft für Meeresbohrungen ist es zu verstehen, wie das Leben in der riesigen 'tiefen Biosphäre' funktioniert, die lebendig unter dem Meeresboden vergraben ist, aber es ist sehr schwierig, auf die harten Gesteine ​​zuzugreifen und sie zu erforschen, die die Basis von bilden Meeresboden", fügte Orcutt hinzu. „Unsere Ergebnisse sind die ersten, die die Entfernung von Sauerstoff in der felsigen Krustenumgebung dokumentieren – etwas, das erwartet, aber bisher nicht gezeigt wurde. Mit diesen Informationen können wir beginnen, das komplexe Mysterium des Lebens unter dem Meeresboden zu enträtseln.“

„Das Aufspüren von Leben durch Messung von Sauerstoff in unterirdischen Umgebungen mit starkem Meerwasserfluss ist keine leichte Aufgabe“, stimmte Dr. Wolfgang Bach, Wissenschaftler an der Universität Bremen in Deutschland und ein weiterer Mitautor der Studie, zu. „Stellen Sie sich eine außerirdische Task Force zur Erkennung von Leben vor, die mit Sauerstoffsonden als einzigem Werkzeug zur Erkennung von Leben auf der Erde landet. Wenn sie in einem gut belüfteten Besprechungsraum voller Delegierter landen würden, würden sie aus den Messungen schlussfolgern, die sie machen würden dass die Atmung minimal war, daher ist das Leben langsam, wenn nicht gar nicht vorhanden. Diese Messungen in einer Umgebung durchzuführen, in der wir glauben, die Strömungsrichtung des Meerwassers zu kennen und einen Sauerstoffgradienten zu erkennen, macht den entscheidenden Unterschied, um Rückschlüsse auf das Leben unter dem Meeresboden zu ziehen."

„Kleines mikrobielles Leben auf der Erde ist für große Aufgaben wie den globalen chemischen Kreislauf verantwortlich. Um zu verstehen, wie sich wichtige Elemente wie Sauerstoff – den wir alle zum Atmen brauchen – um die Erde bewegen, müssen wir verstehen, wie schnell er in der Erde verbraucht wird größte Grundwasserleiter der Erde, ozeanische Kruste", sagte Orcutt.


UHR: Erste Aufnahmen einer unter Wasser atmenden Eidechse

Aufnahmen eines Flusses Anole, die kürzlich in Costa Rica gefilmt wurden, zeigten, dass die Art – Anolis oxylophus — besitzt eine höchst ungewöhnliche Fähigkeit. Die Anolis atmen unter Wasser gespeicherten Sauerstoff ein, was bei Eidechsen noch nie zuvor gesehen oder dokumentiert wurde.

Die Biologen und Filmemacher Neil Losin und Nate Dappen haben dieses bemerkenswerte Verhalten beim Dreh des anolezentrierten Dokumentarfilms "Laws of the Lizard" für den Smithsonian Channel festgestellt. Es war bekannt, dass die costaricanischen Flussanole minutenlang unter Wasser verschwanden, aber Wissenschaftler dachten, dass die schwer fassbaren Reptilien einfach sehr gut darin waren, den Atem anzuhalten. Die Wahrheit stellte sich jedoch als weitaus seltsamer heraus, als Losin und Dappen ein bisher unbekanntes Verhalten in der Gruppe fanden. [Bilder: Exotische Eidechsen tauchen in Florida aus dem Boden]

Mehr als ein Jahr lang reisten die Filmemacher an Orte auf der ganzen Welt, um "Laws of the Lizard" zu drehen, das die überraschend komplexe Geschichte der Anoles erzählt, einer Eidechsengruppe, die in den amerikanischen Tropen gefunden wurde. Anolis sind klein und farbenfroh und sie sind gleichermaßen in einer Vielzahl von Lebensräumen zu Hause, von Regenwäldern bis hin zu Vorstädten.

Obwohl diese Echsen gewöhnlich und uninteressant erscheinen mögen, sind Wissenschaftler von den Kreaturen fasziniert und haben in den letzten 50 Jahren Tausende von Studien über Anolis veröffentlicht, sagte Losin gegenüber Live Science. Und weil Anolen so gut erforscht sind, bieten sie Wissenschaftlern die Möglichkeit, sehr differenzierte Fragen zu Evolution, Biologie und Verhalten von Anolen zu stellen, erklärte Dappen.

Eine dieser Tieftauchfragen betraf den tauchenden costaricanischen Fluss Anole und was genau passierte, nachdem sie ins Wasser gesprungen waren und dort bis zu 15 Minuten blieben. Der Herpetologe Luke Mahler, Assistenzprofessor für Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of Toronto, forderte die Filmemacher auf, sich ihre Unterwasseraufnahmen beim Filmen der Anolis genau anzusehen, um zu sehen, ob sie irgendwelche Hinweise finden könnten, die erklären könnten, was die Fluss-Anolis waren tun.

Während Dappen und Losin bei der ersten Überprüfung des Videos nichts Außergewöhnliches sahen, sahen sie es sich nach ihrer Rückkehr in die Vereinigten Staaten genauer an. Da bemerkten sie etwas Bemerkenswertes.

„Wir haben dieses erneute Atemverhalten gesehen, das zuvor nicht dokumentiert oder beschrieben wurde“, sagte Losin.

Was sie beobachteten, war erstaunlich. Als eine untergetauchte weibliche Anole fast 10 Minuten lang auf dem Flussgrund kauerte, breitete sich eine winzige Blase wiederholt aus und zog sich an ihrem Kopf zusammen. Die Eidechse schien ihre Luft zu recyceln, ähnlich wie ein menschlicher Taucher Sauerstoff aus einem Tank schöpfen würde.

Vermutlich würde das Wiedereinatmen der gespeicherten Luft es den Flussanolis ermöglichen, lange genug unter Wasser zu bleiben, um Bedrohungen an Land zu überstehen, erklärte Dappen. Es ist bekannt, dass bei einigen Wirbellosen wie Tauchglockenspinnen und Tauchkäfern das Ziehen von Luft-Caches vorkommt, aber dies könnte das einzige Beispiel für die Rückatmung bei Landtieren sein, die Rückgrat haben, sagte Losin.

Wie die Flussanolen dieses Kunststück vollbringen, ist noch ungewiss, aber Mahler und seine Kollegen untersuchen derzeit die Mechanismen des Verhaltens, sagte Losin gegenüber Live Science.

"Es zeigt eines der Dinge, die Biologen oft finden, nämlich dass wir so viel über die Natur nicht wissen", sagte Dappen.

Durch die Präsentation dieser Anole-Art – und ihrer zahlreichen Cousins ​​​​in ganz Amerika – kann "Laws of the Lizards" den Zuschauern helfen, endlich zu verstehen, warum Wissenschaftler diese Eidechsen für so besonders halten.

„Ich würde es lieben, wenn die Leute den Film verlassen und sehen, dass selbst die scheinbar banalsten Kreaturen in ihren Hinterhöfen Quellen wissenschaftlicher Erkenntnisse sein können – wenn sich jemand nur die Zeit nimmt, hinzuschauen“, sagte Losin.


4 Antworten 4

Sie brauchen keine gentechnisch veränderten Menschen, normale Menschen reichen aus.

Druck ist für den Menschen abgesehen von der Lunge kein Problem, da unser Körper mit Flüssigkeiten gefüllt ist, die nur sehr wenig komprimierbar sind und der Druck die Funktionsfähigkeit nicht beeinflusst. Unsere Knochen sind solide, aber da der Druck von allen Seiten kommt, brechen sie auch nicht oder werden beeinträchtigt.

Füllen Sie also die Lunge mit einer atmungsaktiven Flüssigkeit und der Mensch kann extremen Drücken standhalten.

Während der Film Der Abgrund die Idee porträtiert, halten viele Leute es für Science-Fiction. Ist es nicht, atmungsaktive Flüssigkeiten wie Perfluorcarbon sind vorhanden und können wirklich für diesen Zweck verwendet werden.

Was Sie also brauchen, ist ein Tieftauchgerät.

Der Mensch richtet die Ausrüstung ein. Er atmet oder bekommt eine Spritze, die ihn bewusstlos macht (Sie könnten dies bewusst tun, aber es wäre eine Folter). Dann füllt die Ausrüstung langsam die Lunge mit einer atmungsaktiven Flüssigkeit und die Ausrüstung führt faltbare Schläuche in die Luftröhre/Lunge ein.

Diese Röhren dienen als Verstärker für die Atmung. Das Problem ist, dass ein Mensch nicht tief genug atmen kann, um die Flüssigkeit zu zirkulieren, daher registriert die Ausrüstung Ihre Atmung und die Schläuche verstärken die Atmung, um die Flüssigkeit entsprechend zu mischen und mit Sauerstoff aufzufüllen. Die Atmung wird daher nur durch die Sauerstoffmenge eingeschränkt. Mit einer Atombatterie und damit essentieller grenzenloser Energie könnte der notwendige Sauerstoff aus Meerwasser hergestellt werden und ermöglicht einen uneingeschränkten Zugang.

Nach dem Tauchen wird der Mensch wieder bewusstlos, er wird mit dem Kopf nach unten auf eine Bahre gelegt, um die Flüssigkeit abzupumpen, das Zahnrad pumpt die Flüssigkeit nach außen, kollabiert und zieht sich zurück und kann herausgenommen werden. Aufgabe beendet.

Einige Anmerkungen zur Kritik von Arno Germond: Alle diese Punkte mit Ausnahme des High Pressure Nervous Syndrome (HPNS) haben nichts mit Flüssigkeitsatmung zu tun, sondern nur mit der normalen Gasatmung und sind daher im wahrsten Sinne des Wortes sinnlos. Um das Atmen zu ermöglichen, müssen die Gase den gleichen Druck wie das äußere Wasser haben und da Sauerstoff bei zu hohem Partialdruck giftig wird, muss der einzige notwendige Bestandteil Sauerstoff durch Stickstoff, Wasserstoff oder Helium ersetzt werden. Diese Gase lösen sich im Blutkreislauf/Körperflüssigkeiten auf und verursachen unangenehme Phänomene wie Dekompressionskrankheit, wenn sie unter niedrigerem Druck aussprudeln.

Diese Phänomene erscheinen nicht bei Flüssigkeitsatmung denn es werden keine anderen Gase als Sauerstoff benötigt. HPNS wird durch Druck ausgelöst, kann aber mit narkotischen Gasen entgegengewirkt werden (Sie können entweder Wasserstoff als zweite Komponente verwenden oder eine neue stabilisierende Substanz erfinden, die die Nerven an hohen Druck anpasst). Wenn der Taucher auftaucht, befinden sich keine anderen giftigen Gase im Blutkreislauf und somit keine Dekompressionseffekte.

Mittelohr und andere Luftbehälter (Nebenhöhlen) müssen ebenfalls über Eustachische Röhre und Nebenhöhlenöffnungen mit Flüssigkeit gefüllt werden. Perfluorcarbon ist ungiftig und das Mittelohr ist in der Lage, Flüssigkeiten aus dem Ohr zu entfernen. In diesem Fall treten keine Probleme mit Trommelfellbrüchen auf.

Ich bin kein Arzt, aber ich kenne keine "Ansammlung von Toxinen" oder "hoher Druck hemmt die richtige Zellfunktion". Die Zellen schrumpfen nicht (Volumenreduktion ist bei Flüssigkeiten und Feststoffen nahezu vernachlässigbar) und hoher Druck verändert die Reaktionsgeschwindigkeit bei Feststoffen und Flüssigkeiten nicht (!).

Zugegeben, es wird wahrscheinlich unbekannte negative Auswirkungen geben, die in der Realität in Tiefen von über 1 km auftreten, aber solange sie unbekannt sind, können Sie sie für die Geschichte, die Sie schreiben, ignorieren.


Diese Eidechsen verwenden eine eingebaute „Tauchausrüstung“, um unter Wasser zu atmen

Halbaquatische Anolis können fast 20 Minuten unter Wasser bleiben, um Raubtieren auszuweichen.

/>Anolen haben ihre eigene Form von "Tauchausrüstung", eine Blase auf der Nase, die es ihnen ermöglicht, unter Wasser weiter zu atmen. Lindsey Swierk

Konfrontiert mit der Bedrohung durch ein Raubtier, werden semi-aquatische Anolis – eine in Amerika beheimatete Echsenart – einen Vertrauensvorschuss wagen, sich von Felsen stürzen und ins Wasser tauchen. Dort, am Grund schnell fließender Bäche, können sie bis zu 18 Minuten unter Wasser bleiben und warten, bis es sicher ist, wieder an Land zu kriechen.

Aber wie können Echsen, deren Lungen für gute alte Luft entwickelt sind, es schaffen, so lange den Atem anzuhalten? Nun, es scheint, dass sie es nicht müssen. Laut einer kürzlich von Evolutionsbiologen der University of Toronto durchgeführten Studie verwenden diese wasserliebenden Reptilien ihre eigene Form des Gerätetauchens, die von Forschern treffend als „Rückatmung“ bezeichnet wird. Bisher haben Ökologen diese Technik nur bei Arthropoden wie Spinnen und Käfern beobachtet.

Die Studie, die diesen Monat in Aktuelle Biologie, gefundene Anolis haben eine einzigartige Fähigkeit, unter Wasser zu atmen, dank einer Luftblase, die auf ihrer Schnauze sitzt. Bei jedem Ein- und Ausatmen dehnt sich die Luftblase aus und zieht sich zusammen, wie ein pulsierender Ballon. Dadurch können die Eidechsen den dringend benötigten Sauerstoff aufnehmen.

Durch Beobachtungen entdeckten die Wissenschaftler, sobald die Haut der Eidechse Wasser berührte, eine submillimetergroße Luftschicht ihren Körper umhüllte, die es ihnen ermöglichte, Sauerstoff einzuschließen. Sie bezeichnen dies als „Quicksilver Lining“.

Luke Mahler, Assistenzprofessor in der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of Toronto, dessen Labor das Projekt leitete, sagte, dass er dieses Phänomen zum ersten Mal während einer Reise nach Haiti 2009 zufällig bemerkte.

Dort in den abgelegenen nördlichen Bergen der Insel ist eine vom Aussterben bedrohte Anole-Art namens Anolis eugenegrahami. Mahler, der die seltene Untergruppe untersuchte, passierte beim Rückatmen, als er ein Exemplar vorsichtig in einen klaren, flachen Abschnitt des Baches zurückwarf.

Im Schnellvorlauf ins Jahr 2016 reiste Chris Boccia – der leitende Forscher des Projekts – zu dieser Zeit als Schüler von ihm nach Costa Rica, um einen entfernten Verwandten der haitianischen Eidechse zu beobachten. Mahler bat ihn, nach Anzeichen von Rückatmung Ausschau zu halten. Tatsächlich sah Boccia beim Eintauchen ins Wasser, wie das benachbarte vierbeinige Gegenstück ein Luftreservoir benutzte, um unter Wasser zu bleiben.

Um zu beweisen, dass der prekär sitzende Lufttropfen den Eidechsen beim Atmen half, mussten die Forscher zeigen, dass die Sauerstoffsättigung der Blase im Laufe der Zeit abnahm. Dazu wiegten sie gefangene Anolis vorsichtig von Hand und tauchten sie vorsichtig in Wassertanks. Dann richteten sie eine spezielle Sonde auf das Zentrum der Luftblase, um die Sauerstoffsättigung zu messen.

„Da ist es hilfreich, Erfahrungen mit einer Gruppe von Organismen zu haben“, sagt Mahler. Er beschäftigt sich seit mehr als 10 Jahren mit Anolis. „Man würde nicht glauben, dass man einfach einen aufheben und in einen Eimer werfen kann, aber wenn man entspannt damit umgeht, werden sie es sich bequem machen.“

Eine der überraschendsten Entdeckungen des Projekts war, dass die Rückatmung bei den tauchenden Reptilien nicht charakteristisch war – sie war bei allen von der Studie beobachteten Anolis universell, einschließlich Arten, die nicht in der Nähe von Bächen gefunden wurden, und solche, die in Kolumbien, Mexiko, der Dominikanischen Republik, Jamaika, Ecuador und Costa Rica.

Die an Land gebundenen Eidechsen waren jedoch nicht so geschickt, wenn es um die Rückatmung ging. Dies deutet darauf hin, dass das Merkmal in einer Ahnenpopulation für eine andere Verwendung entstanden ist, sagte Mahler, aber dann auf diejenigen zugeschnitten und spezialisiert wurde, die an kleinen Bächen leben.

„[Die Quecksilber-] Luftschicht, von der wir glauben, dass sie zu einem anderen Zweck entstanden ist, der nichts mit dem Tauchen zu tun hat, hat [semi-aquatischen Anolisarten] nun die Möglichkeit gegeben, diesen Rückatmungsmechanismus zu etwas ziemlich Nützlichem zu übertreiben“, sagt Mahler, der glaubt Feldstudien wie diese sind unerlässlich, um Hinweise darauf zu finden, wie die adaptive Evolution funktioniert.

Die Entdeckung bietet Biologen nicht nur einen Einblick in die Funktionsweise der Evolution, sondern könnte auch Potenzial für zukünftige Anwendungen bieten, sagt Mahler. Mehr über die Oberflächeneigenschaften der Haut dieser unter Wasser atmenden Wirbeltiere zu erfahren, könnte beispielsweise zu neuen hydrophoben Materialien oder Folien führen.

Aber das ist noch viele Jahre weg. Der nächste Schritt für Mahler besteht darin zu verstehen, warum die schleichenden Schuppen der Anolis Wasser abstoßen. Er denkt, dass es wahrscheinlich mit ihrer Struktur zu tun hat, aber es könnte eine chemische Erklärung geben.

„Die größte Erkenntnis ist, dass dies nur eine ziemlich coole Innovation ist, die Wirbeltiere entwickelt haben und die zuvor nicht wirklich geschätzt wurde“, sagt Mahler.

Grace Wade ist Mitherausgeberin bei Insider's Gesundheitsreferenzteam und ein Mitwirkender für Populärwissenschaft. Ihre Arbeit deckt ein breites Spektrum von Wissenschafts- und Gesundheitsthemen ab, darunter Ernährung, Disparitäten im öffentlichen Gesundheitswesen, psychische Gesundheit und Biologie. Grace hat einen Doppelabschluss in Journalismus und Wissenschaft in menschlichen Kulturen von der Northwestern University mit den Schwerpunkten Umwelt, Wissenschaft und Gesellschaft. Kontaktieren Sie den Autor hier.


2 Gedanken zu &ldquo Unter Wasser atmen &rdquo

ich habe eine Frage zum Luftdruck. Als 30-jähriger Veteran des kommerziellen Tauchens wusste ich nur, wie sich Gase verhalten, wenn sie in relativ kleinen Gefäßen eingeschlossen sind. Diese kleinen Gefäße haben immer an jedem Punkt im Inneren den gleichen Druck. Lässt sich diese Beobachtung auf einen planetarischen Maßstab übertragen?
Sehen Sie, ich versuche einigen flachen Erdteigköpfen zu beweisen, dass es keine Kuppel über uns gibt, da die Atmosphäre unabhängig von der Höhe unter einem konstanten Druck bleiben sollte, wenn sie gewölbt (versiegelt) ist…. Ist mein Denken gesund?


Atmen unter Wasser - Biologie

Atmung

Atmen ist ein Gasaustausch, bei dem Sauerstoff aus der Umgebung aufgenommen und Kohlendioxid abgegeben wird.

Alle Frösche beginnen ihr Leben als Wasserkaulquappen, die unter Wasser durch die inneren Kiemen und ihre Haut atmen. Später entwickeln sich die meisten dann zu Landtieren mit Lungen zum Atmen von Luft. Aber in allen Stadien wird die Atmung durch das Pulsieren der Kehle kontrolliert. Die meisten Frösche verlieren ihre Kiemen, wenn sie metaorphieren.

Frösche atmen mit geschlossenem Maul. Ihre Halsbewegungen ziehen Luft durch die Nasenlöcher in die Lunge. Dann mit Körperkontraktionen ausatmen.

Die Aktivität und Temperatur eines Tieres bestimmen, wie wichtig die Atmung ist. Anurane haben viel komplexere Lungen als andere Amphibien, wie Salamander, weil sie aktiver sind und eine höhere Körpertemperatur haben.

Lungen können auch im Wasser helfen. Das Füllen der Lungen mit Luft gibt einem Frosch einen besseren Auftrieb und lässt ihn leichter schweben.

Frösche können auch durch ihre Haut atmen, mit winzigen Blutgefäßen, Kapillaren, unter den äußeren Hautschichten. Der afrikanische 'Haarige' Frosch, Trichobatrachus robustus, hat kleine Lungen und während der Brutzeit bekommen die Männchen haarartige Fortsätze an den Hinterbeinen. Dies liegt an dem hohen Sauerstoffbedarf zu dieser Zeit.


Inhalt

Beim Atmen verbraucht der Körper Sauerstoff und produziert Kohlendioxid. Der Grundstoffwechsel erfordert etwa 0,25 l/min Sauerstoff bei einer Atemfrequenz von etwa 6 l/min, und eine fitte Person, die hart arbeitet, kann mit einer Rate von 95 l/min atmen, wird aber nur etwa 4 l/min Sauerstoff verstoffwechseln [1 ] Der metabolisierte Sauerstoff beträgt im Allgemeinen etwa 4 bis 5 % des eingeatmeten Volumens bei normalem atmosphärischem Druck oder etwa 20 % des verfügbaren Sauerstoffs in der Luft auf Meereshöhe. Die ausgeatmete Luft auf Meereshöhe enthält etwa 13,5% bis 16% Sauerstoff. [2]

Noch sauerstoffverschwendender ist die Situation, wenn der Sauerstoffanteil des Atemgases höher ist, und beim Unterwassertauchen macht die Kompression des Atemgases aufgrund der Tiefe die Rezirkulation des ausgeatmeten Gases noch wünschenswerter, da ein noch größerer Anteil des offenen Kreislaufs Gas wird verschwendet. Fortgesetztes Rückatmen des gleichen Gases wird den Sauerstoff auf ein Niveau reduzieren, das das Bewusstsein und schließlich das Leben nicht mehr unterstützt, so dass dem Atemgas sauerstoffhaltiges Gas zugesetzt werden muss, um die erforderliche Sauerstoffkonzentration aufrechtzuerhalten. [3]

Wenn dies jedoch ohne Entfernung des Kohlendioxids geschieht, wird es sich schnell im recycelten Gas ansammeln, was fast sofort zu einer leichten Atemnot führt und sich schnell zu weiteren Stadien der Hyperkapnie oder Kohlendioxidtoxizität entwickelt. Um das Stoffwechselprodukt Kohlendioxid (CO2). Der Atemreflex wird durch CO . ausgelöst2 Konzentration im Blut, nicht durch die Sauerstoffkonzentration, also auch eine geringe Ansammlung von CO2 im eingeatmeten Gas wird schnell unerträglich, wenn eine Person versucht, ihr ausgeatmetes Atemgas direkt wieder einzuatmen, wird sie bald ein akutes Erstickungsgefühl verspüren, so dass Kreislaufgeräte das CO . chemisch entfernen müssen2 in einer Komponente, die als Kohlendioxidwäscher bekannt ist. [3]

Durch die Zugabe von ausreichend Sauerstoff, um den Stoffwechselverbrauch auszugleichen, das Kohlendioxid zu entfernen und das Gas wieder einzuatmen, wird der größte Teil des Volumens erhalten. [3]

Auswirkungen unterschiedlicher Sauerstoffpartialdruckniveaus [1]
Bestellung2
(Bar)
Anwendung und Wirkung
<0.08 Koma führt letztendlich zum Tod
0.08-0.10 Bewusstlosigkeit bei den meisten Menschen
0.09-0.10 Schwerwiegende Anzeichen/Symptome von Hypoxie
0.14-0.16 Erste Anzeichen/Symptome von Hypoxie (normaler Umgebungssauerstoff in einigen Gebieten in sehr großer Höhe)
0.21 Normaler Umgebungssauerstoff (Luft auf Meereshöhe)
0.35–0.40 Normaler Sättigungstauchgang PO2 Niveau
0.50 Schwellenwert für Ganzkörpereffekte Maximale Exposition bei Sättigungstauchgängen
1.0–1.20 Gemeinsamer Bereich für den Ruhestrom-Sollwert für den geschlossenen Kreislauf
1.40 Empfohlener Grenzwert für den unteren Sektor des offenen Kreislaufs im Freizeitbereich
1.60 NOAA-Grenzwert für die maximale Exposition für einen berufstätigen Taucher
Erholungs-/technische Grenze für Dekompression
2.20 Kommerzielle/militärische "Sur-D"-Kammeroberflächendekompression auf 100% O2 bei 12 msw
2.40 40% O2 Nitrox-Rekompressionsbehandlungsgas zur Verwendung in der Kammer bei 50 msw (Meter Meerwasser)
2.80 100% O2 Rekompressionsbehandlungsgas zur Verwendung in der Kammer bei 18 msw
3.00 50% O2 Nitrox-Rekompressionsbehandlungsgas zur Verwendung in der Kammer bei 50 msw

Frühgeschichte Bearbeiten

Um 1620 baute Cornelius Drebbel in England ein frühes U-Boot mit Ruderantrieb. Um die Luft darin wieder mit Sauerstoff anzureichern, erzeugte er wahrscheinlich Sauerstoff, indem er Salpeter (Kaliumnitrat) in einer Metallpfanne erhitzte, um Sauerstoff abzugeben. Durch Erhitzen wird der Salpeter in Kaliumoxid oder -hydroxid umgewandelt, das Kohlendioxid aus der Luft aufnimmt. Das könnte erklären, warum Drebbels Männer nicht so stark von der Ansammlung von Kohlendioxid betroffen waren, wie erwartet. Wenn ja, hat er mehr als zwei Jahrhunderte vor dem Patent von Saint Simon Sicard versehentlich einen groben Rebreather hergestellt. [5] [ Zitat benötigt ]

Der erste auf Kohlendioxidabsorption basierende Basis-Rebreather wurde 1808 in Frankreich von Pierre-Marie Touboulic [fr] aus Brest, einem Mechaniker der kaiserlichen Marine Napoleons, patentiert. Dieses frühe Rebreather-Design arbeitete mit einem Sauerstoffreservoir, wobei der Sauerstoff nach und nach vom Taucher abgegeben wurde und in einem geschlossenen Kreislauf durch einen mit Kalkwasser getränkten Schwamm zirkulierte. [6] Touboulic nannte seine Erfindung Ichtioandre (griechisch für 'Fischmann'). [7] [ Zitat benötigt ] Es gibt keine Hinweise auf die Herstellung eines Prototyps.

Ein Prototyp eines Rebreathers wurde 1849 von Pierre Aimable De Saint Simon Sicard [8] und 1853 von Professor T. Schwann in Belgien gebaut. [9] Es hatte einen großen rückseitig angebrachten Sauerstofftank mit einem Arbeitsdruck von etwa 13,3 bar und zwei Wäscher mit in Natronlauge getränkten Schwämmen.

Moderne Rebreather Bearbeiten

Das erste kommerziell praktikable Tauchgerät mit geschlossenem Kreislauf wurde 1878 von dem Tauchingenieur Henry Fleuss entworfen und gebaut, als er für Siebe Gorman in London arbeitete. [10] [11] Sein umluftunabhängiges Atemgerät bestand aus einer Gummimaske, die mit einem Atembeutel verbunden war, mit (geschätzt) 50–60 % O2 Versorgung aus einem Kupfertank und CO2 geschrubbt durch in einer Lösung von Ätzkali getränkten Seilgarn das System, was eine Dauer von etwa drei Stunden ergibt. [11] [12] Fleuss testete sein Gerät 1879, indem er eine Stunde in einem Wassertank versenkte, dann eine Woche später im offenen Wasser bis zu einer Tiefe von 5,5 m tauchte, wobei er sich bei dieser Gelegenheit leicht verletzte, als seine Assistenten abrupt zogen ihn an die Oberfläche.

Sein Gerät wurde erstmals 1880 unter Einsatzbedingungen von Alexander Lambert, dem leitenden Taucher des Severn-Tunnel-Bauprojekts, eingesetzt, der in der Dunkelheit 300 Fuß zurücklegen konnte, um mehrere unter Wasser liegende Schleusentüren im Tunnel zu schließen, mit denen er seine besten Bemühungen vereitelt hatte Standard-Taucherkleidung wegen der Gefahr, dass der Luftversorgungsschlauch durch untergetauchtes Schutt verschmutzt wird, und die starken Wasserströmungen in den Anlagen. [11]

Fleuss verbesserte seine Apparatur ständig, indem er einen Bedarfsregler und Tanks hinzufügte, die größere Mengen Sauerstoff bei höherem Druck halten können. Sir Robert Davis, Chef von Siebe Gorman, verbesserte den Sauerstoff-Rebreather im Jahr 1910 [11] [12] mit seiner Erfindung des Davis Submerged Escape Apparatus, dem ersten praktischen Rebreather, der in großen Mengen hergestellt wurde. Vor allem als Notfluchtgerät für U-Boot-Besatzungen gedacht, wurde es bald auch zum Tauchen als handliches Flachwasser-Tauchgerät mit einer dreißigminütigen Ausdauer [12] und als industrielles Atemgerät verwendet.

Die Anlage bestand aus einem Gummi-Atem-/Auftriebsbeutel mit einem Kanister mit Bariumhydroxid, um ausgeatmetes CO . zu reinigen2 und in einer Tasche am unteren Ende des Beutels eine Stahldruckflasche mit etwa 56 Liter Sauerstoff bei einem Druck von 120 bar. Die Flasche war mit einem Regelventil ausgestattet und mit dem Atembeutel verbunden. Das Öffnen des Ventils der Flasche ließ Sauerstoff in den Beutel und lud ihn auf den Druck des umgebenden Wassers. Das Rig umfasste auch eine Notfall-Auftriebstasche auf der Vorderseite, um den Träger über Wasser zu halten. Der DSEA wurde 1927 nach Weiterentwicklung durch Davis von der Royal Navy übernommen. [13] Verschiedene industrielle Sauerstoff-Rebreather wie der Siebe Gorman Salvus und der Siebe Gorman Proto, die beide in den frühen 1900er Jahren erfunden wurden, wurden daraus abgeleitet.

Professor Georges Jaubert erfand 1907 die chemische Verbindung Oxylithe. Es war eine Form von Natriumperoxid (Na2Ö2) oder Natriumsuperoxid (NaO2). Wenn es Kohlendioxid im Scrubber eines Rebreathers absorbiert, gibt es Sauerstoff ab. Diese Verbindung wurde erstmals 1909 von Captain SS Hall und Dr. O. Rees von der Royal Navy in ein Rebreather-Design integriert. Obwohl sie als U-Boot-Fluchtgerät verwendet werden sollte, wurde sie von der Royal Navy nie akzeptiert und stattdessen für seichtes Wasser verwendet Wasser tauchen. [12]

1912 begann die deutsche Firma Dräger mit der Massenproduktion einer eigenen Version von Standard-Taucherkleidern mit der Luftversorgung aus einem Rebreather. Das Gerät war einige Jahre zuvor von Hermann Stelzner, einem Ingenieur der Firma Dräger, [14] für die Minenrettung erfunden worden. [fünfzehn]

Rebreather während des Zweiten Weltkriegs Bearbeiten

In den 1930er Jahren begannen italienische Sport-Speerfischer, den Davis-Rebreather zu verwenden. Italienische Hersteller erhielten eine Lizenz von den englischen Patentinhabern, um ihn herzustellen. Diese Praxis erregte bald die Aufmerksamkeit der italienischen Marine, die ein von Teseo Tesei und Angelo Belloni entworfenes, umfassend verbessertes Modell entwickelte, das von ihrer Kampffliegereinheit Decima Flottiglia MAS mit guten Ergebnissen während des Zweiten Weltkriegs eingesetzt wurde. [12]

Während des Zweiten Weltkriegs beeinflussten die Rebreather der erbeuteten italienischen Froschmänner verbesserte Designs für britische Rebreather. [12] Die Atmungssets vieler britischer Kampfsportler verwendeten Sauerstoffflaschen für die Luftbesatzung, die aus abgeschossenen Flugzeugen der deutschen Luftwaffe geborgen wurden. Die frühesten dieser Atemgeräte waren möglicherweise modifiziert Davis Submerged Escape Apparatus, ihre Vollgesichtsmasken waren der für Siebe Gorman Salvus vorgesehene Typ, aber in späteren Operationen wurden unterschiedliche Designs verwendet, was zu einer Vollgesichtsmaske mit einem großen Gesichtsfenster führte, zunächst kreisförmig oder oval und später rechteckig (meist flach, aber die Seiten nach hinten gebogen, um eine bessere seitliche Sicht zu ermöglichen). Frühe Rebreather des britischen Froschmanns hatten rechteckige Gegenlungen auf der Brust wie die Rebreather des italienischen Froschmanns, aber spätere Designs hatten eine quadratische Aussparung in der Oberseite der Gegenlunge, so dass sie sich weiter nach oben in Richtung der Schultern erstrecken konnte. Vorne hatten sie einen Gummikragen, der um den absorbierenden Kanister geklemmt wurde. [12] Einige Taucher der britischen Streitkräfte verwendeten sperrige, dicke Taucheranzüge, die Sladen-Anzüge genannt wurden.

Die Dräger Rebreather, insbesondere die Modellreihen DM20 und DM40, wurden im Zweiten Weltkrieg von den deutschen Helmtauchern und deutschen Kampfschwimmern eingesetzt. Rebreather für die US Navy wurden von Dr. Christian J. Lambertsen für den Unterwasserkrieg entwickelt. [16] [17] Lambertsen hielt am 17. Mai 1943 den ersten Sauerstoff-Rebreather-Kurs mit geschlossenem Kreislauf in den Vereinigten Staaten für die maritime Einheit des Office of Strategic Services an der Naval Academy ab. [17] [18]

Nachkriegszeit Bearbeiten

Der Tauchpionier Hans Hass setzte Anfang der 1940er Jahre Sauerstoff-Rebreather von Dräger für die Unterwasserkinematographie ein.

Aufgrund der militärischen Bedeutung des Rebreathers, die während der Marinekampagnen des Zweiten Weltkriegs reichlich demonstriert wurde, zögerten die meisten Regierungen, die Technologie der Öffentlichkeit zugänglich zu machen. In Großbritannien war die Verwendung von Rebreathern für Zivilisten vernachlässigbar – die BSAC verbot sogar offiziell die Verwendung von Rebreathern durch ihre Mitglieder. Die italienischen Firmen Pirelli und Cressi-Sub verkauften zunächst jeweils ein Modell von Sporttauchgeräten, stellten diese Modelle jedoch nach einiger Zeit wieder ein. Einige selbstgebaute Rebreather wurden von Höhlentauchern verwendet, um Höhlensümpfe zu durchdringen.

Die meisten Höhenbergsteiger verwenden Sauerstoffgeräte mit offenem Kreislauf. Die Everest-Expedition von 1953 verwendete sowohl Sauerstoffgeräte mit geschlossenem als auch offenem Kreislauf: siehe Flaschensauerstoff.

With the end of the Cold War and the subsequent collapse of the Communist Bloc, the perceived risk of attack by combat divers dwindled. Western armed forces had less reason to requisition civilian rebreather patents, and automatic and semi-automatic recreational diving rebreathers started to appear.

Rebreathers can be primarily categorised as diving rebreathers, intended for hyperbaric use, and other rebreathers used at pressures from slightly more than normal atmospheric pressure at sea level to significantly lower ambient pressure at high altitudes and in space. Diving rebreathers must often deal with the complications of avoiding hyperbaric oxygen toxicity, while normobaric and hypobaric applications can use the relatively trivially simple oxygen rebreather technology, where there is no requirement to monitor oxygen partial pressure during use providing the ambient pressure is sufficient.

Oxygen rebreathers Edit

  • 1 Dive/surface valve
  • 2 Two way breathing hose
  • 3 Scrubber (radial flow)
  • 4 Counterlung
  • 5 Automatic make-up valve
  • 6 Manual bypass valve
  • 7 Breathing gas storage cylinder
  • 8 Cylinder valve
  • 9 Regulator first stage
  • 10 Submersible pressure gauge
  • 11 Overpressure valve
  • 1 Dive/surface valve with loop non return valves
  • 2 Exhaust hose
  • 3 Scrubber (axial flow)
  • 4 Counterlung
  • 5 Overpressure valve
  • 6 Inhalation hose
  • 7 Breathing gas storage cylinder
  • 8 Cylinder valve
  • 9 Regulator first stage
  • 10 Submersible pressure gauge
  • 11 Automatic make-up valve
  • 12 Manual bypass valve

This is the earliest type of rebreather and was commonly used by navies and for mining rescue from the early twentieth century. Oxygen rebreathers can be remarkably simple designs, and they were invented before open-circuit scuba. They only supply oxygen, so there is no requirement to control the gas mixture other than removing the carbon dioxide. [19]

Oxygen feed options Edit

In some rebreathers, e.g. the Siebe Gorman Salvus, the oxygen cylinder has oxygen supply mechanisms in parallel. One is constant flow the other is a manual on-off valve called a bypass valve both feed into the same hose which feeds the counterlung. [11] In the Salvus there is no second stage and the gas is turned on and off at the cylinder.

Others such as the USN Mk25 UBA are supplied via a demand valve on the counterlung. This will add gas at any time that the counterlung is emptied and the diver continues to inhale. Oxygen can also be added manually by a button which activates the demand valve. [20]

Some simple oxygen rebreathers had no automatic supply system, but only the manual feed valve, and the diver had to operate the valve at intervals to refill the breathing bag as the volume of oxygen decreased below a comfortable level.

Mixed gas rebreathers Edit

All rebreathers other than oxygen rebreathers may be considered mixed gas rebreathers, as the breathing gas is a mixture of oxygen and metabolically inactive diluent gas. These can be divided into semi-closed circuit, where the supply gas is a breathable mixture containing oxygen and inert diluents, usually nitrogen and helium, and which is replenished by adding more of the mixture as the oxygen is used up, sufficient to maintain a breathable partial pressure of oxygen in the loop, and closed circuit rebreathers, where two parallel gas supplies are used: the diluent, to provide the bulk of the gas, and which is recycled, and oxygen, which is metabolically expended. Carbon dioxide is considered a waste product, and in a correctly functioning rebreather, is effectively removed when the gas passes through the scrubber.

Semi-closed circuit rebreathers Edit

SCRs are almost exclusively used for underwater diving, as they are bulkier, heavier, and more complex than closed circuit oxygen rebreathers, and applications at bear and sub-atmospheric pressures do not require the oxygen to be dilated to avoid acute toxicity. Military and recreational divers use these because they provide better underwater duration than open circuit, have a deeper maximum operating depth than oxygen rebreathers and can be fairly simple and cheap. They do not rely on electronics for control of gas composition, but may use electronic monitoring for improved safety and more efficient decompression. An alternative term for this technology is "gas extender".

Semi-closed circuit equipment generally supplies one breathing gas such as nitrox or trimix at a time. The gas is injected into the loop at a rate to replenish oxygen consumed from the loop by the diver. Excess gas must be vented from the loop as necessary to make space for fresh, oxygen-rich gas. As some oxygen remains in the vented gas, semi-closed circuit is wasteful of both oxygen and inert components. [21]

A gas mix which has a maximum operating depth that is safe for the depth of the dive being planned, and which will provide a breathable mixture at the surface must be used, or it will be necessary to change mixtures during the dive. As the amount of oxygen required by the diver increases with work rate, the gas injection rate must be carefully chosen and controlled to prevent unconsciousness in the diver due to hypoxia. [22] A higher gas addition rate reduces the likelihood of hypoxia and provides a more stable loop gas composition, but wastes more gas.

Passive addition semi-closed circuit Edit

This type of rebreather works on the principle of adding fresh gas to compensate for reduced volume in the breathing circuit. A portion of the respired gas is discharged that is in some way proportional to usage. Generally it is a fixed volumetric fraction of the respiratory flow, but more complex systems have been developed which exhaust a close approximation of a ratio to the surface respiratory flow rate. These are described as depth compensated or partially depth compensated systems. Gas addition is triggered by low counterlung volume.

Active addition semi-closed circuit Edit

An active addition system adds feed gas to the breathing circuit and excess gas is dumped to the environment via an over-pressure valve. These rebreathers tend to operate near maximum volume.

The most common system of active addition of make-up gas in semi-closed rebreathers is by use of a constant mass flow injector, also known as choked flow. This is easily achieved by using a sonic orifice, as provided the pressure drop over the orifice is sufficient to ensure sonic flow, the mass flow for a specific gas will be independent of the downstream pressure. [23] The mass flow through a sonic orifice is a function of the upstream pressure and the gas mixture, so the upstream pressure must remain constant for the working depth range of the rebreather to provide a reliably predictable mixture in the breathing circuit, and a modified regulator is used which is not affected by changes in ambient pressure. Gas addition is independent of oxygen use, and the gas fraction in the loop is strongly dependent on exertion of the diver – it is possible to dangerously deplete the oxygen by excessive physical exertion.

Demand controlled gas addition Edit

The principle of operation is to add a mass of oxygen that is proportional to the volume of each breath. This approach is based on the assumption that the volumetric breathing rate of a diver is directly proportional to metabolic oxygen consumption as a proxy for carbon dioxide production, which experimental evidence indicates is close enough to work within reasonable tolerances. [24]

Closed circuit mixed gas rebreathers Edit

Closed circuit rebreathers (CCR) allow long dives and produce no bubbles most of the time. [25] Closed circuit rebreathers supply two breathing gases to the loop: one is pure oxygen and the other is a diluent gas such as air, nitrox, heliox or trimix.

A major function of the closed circuit rebreather is to control the oxygen partial pressure in the loop and to warn the diver if it becomes dangerously low or high. Too low a concentration of oxygen results in hypoxia leading to unconsciousness and ultimately death. Too high a concentration of oxygen results in hyperoxia, leading to oxygen toxicity, a condition causing convulsions which can make the diver lose the mouthpiece when they occur underwater, and can lead to drowning. The gas mixture is controlled by the diver in manually controlled closed circuit rebreathers by adding diluent gas or oxygen. Adding diluent can prevent the loop gas mixture becoming too oxygen rich, and adding oxygen increases oxygen concentration.

In fully automatic closed-circuit systems, an electronically controlled solenoid valve injects oxygen into the loop when the control system detects that the partial pressure of oxygen in the loop has fallen below the required level. Electronically controlled CCRs can be switched to manual control in the event of some control system failures. Addition of gas to compensate for compression during descent is usually done by an automatic diluent valve.

Rebreathers using an absorbent that releases oxygen Edit

There have been a few rebreather designs (e.g. the Oxylite) which use potassium superoxide, which gives off oxygen as it absorbs carbon dioxide, as the carbon dioxide absorbent: 4KO2 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3O2. A small volume oxygen cylinder is needed to fill and purge the loop at the start of the dive. [26] This technology may be applied to both oxygen and mixed gas rebreathers, and can be used for diving and other applications.

Rebreathers which use liquid oxygen Edit

A liquid oxygen supply can be used for oxygen or mixed gas rebreathers. If used underwater, the liquid-oxygen container must be well insulated against heat transfer from the water. Industrial sets of this type may not be suitable for diving, and diving sets of this type may not be suitable for use out of water due to conflicting heat transfer requirements. The set's liquid oxygen tank must be filled immediately before use. Examples of the type include:

Cryogenic rebreather Edit

A cryogenic rebreather removes the carbon dioxide by freezing it out in a "snow box" by the low temperature produced as liquid oxygen evaporates to replace the oxygen used.

    – as a self-contained breathing apparatus, where it is sometimes known as "closed circuit scuba" as opposed to "open circuit scuba" where the diver exhales breathing gas into the surrounding water. [28]Surface-supplied diving equipment may incorporate rebreather technology either as a gas reclaim system, where the surface-supplied breathing gas is returned and scrubbed at the surface, or as a gas extender carried by the diver. [29][30] Rebreathers may also be used as self-contained diver bailout systems for either scuba or surface-supplied diving. [31] and other industrial applications – where poisonous gases may be present or oxygen may be absent.
  • Crewed spacecraft and space suits – outer space is, effectively, a vacuum without oxygen to support life.
  • Hospital anaesthesia breathing systems – to supply controlled concentrations of anaesthetic gases to patients without contaminating the air that the staff breathe. . High altitude reduces the partial pressure of oxygen in the ambient air, which reduces the ability of the climber to function effectively. Mountaineering rebreathers are closed-circuit oxygen sets that provide a higher partial pressure of oxygen to the climber than the ambient air. of submarines, underwater habitats, and saturation diving systems use a scrubber system working on the same principles as a rebreather. , where personnel may be required to operate in an atmosphere immediately dangerous to life and health for longer periods than open-circuit Self-contained breathing apparatus (SCBA) can provide air.

This may be compared with some applications of open-circuit breathing apparatus:

  • The oxygen enrichment systems primarily used by medical patients, high altitude mountaineers and commercial aircraft emergency systems, in which the user breathes ambient air which is enriched by the addition of pure oxygen,
  • Open circuit breathing apparatus used by firefighters, underwater divers and some mountaineers, which supplies fresh gas for each breath, which is then discharged into the environment.
  • Gas masks and respirators which filter contaminants from ambient air which is then breathed.

Diving rebreathers Edit

The widest variety of rebreather types is used in diving, as the consequences of breathing under pressure complicate the requirements, and a large range of options are available depending on the specific application and available budget. A diving rebreather is safety-critical life-support equipment – some modes of failure can kill the diver without warning, others can require immediate appropriate response for survival.

Surface supplied diving gas reclaim systems Edit

A helium reclaim system (or push-pull system) is used to recover helium based breathing gas after use by the diver when this is more economical than losing it to the environment in open circuit systems. The recovered gas is passed through a scrubber system to remove carbon dioxide, filtered to remove odours, and pressurised into storage containers, where it may be mixed with oxygen to the required composition for re-use, either immediately, or at a later date.

Saturation diving life-support systems Edit

The life support system provides breathing gas and other services to support life for the personnel under pressure in the accommodation chambers and closed diving bell. It includes the following components: [32]

  • Breathing gas supply, distribution and recycling equipment: scrubbers, filters, boosters, compressors, mixing, monitoring, and storage facilities
  • Chamber climate control system - control of temperature and humidity, and filtration of gas
  • Instrumentation, control, monitoring and communications equipment
  • Fire suppression systems
  • Sanitation systems

The life support system for the bell provides and monitors the main supply of breathing gas, and the control station monitors the deployment and communications with the divers. Primary gas supply, power and communications to the bell are through a bell umbilical, made up from a number of hoses and electrical cables twisted together and deployed as a unit. [33] This is extended to the divers through the diver umbilicals. [32]

The accommodation life support system maintains the chamber environment within the acceptable range for health and comfort of the occupants. Temperature, humidity, breathing gas quality, sanitation systems, and equipment function are monitored and controlled. [33]

Industrial and rescue self-contained rebreathers Edit

Different design criteria apply to SCBA rebreathers for use only out of the water:

  • There is no variation in ambient pressure on the components. The counterlung may be placed for comfort and convenience.
  • Cooling of the gas in the breathing loop may be desirable, as the absorbent produces heat as it reacts with carbon dioxide, and the warming of the gas is not welcome in hot industrial situations such as deep mines.
  • Absorbent containers may in some cases rely on gravity for preventing channeling.
  • If a full-face mask is used, it may have viewports designed for convenience or improved field of vision, and they do not need to be flat and parallel to prevent visual distortion as when underwater.
  • In firefighting rebreathers, consideration must be given to making the set reasonably flame-proof and protecting it from heat and debris impacts.
  • The need to ditch the set quickly may not arise, and harness straps may not need a quick-release.
  • Buoyancy is not a consideration, but weight may be critical.
  • There are no constraints due to the physiological effects of breathing under pressure. Complex gas mixtures are unnecessary. Oxygen rebreathers can usually be used, which makes the design considerably simpler.

Mountaineering rebreathers Edit

Mountaineering rebreathers provide oxygen at a higher concentration than available from atmospheric air in a naturally hypoxic environment. They need to be lightweight and to be reliable in severe cold including not getting choked with deposited frost. [34] A high rate of system failures due to extreme cold has not been solved. [ Zitat benötigt ] Breathing pure oxygen results in an elevated partial pressure of oxygen in the blood: a climber breathing pure oxygen at the summit of Mt. Everest has a greater oxygen partial pressure than breathing air at sea level. This results in being able to exert greater physical effort at altitude. The exothermic reaction helps keep the scrubber contents from freezing, and helps reduce heat loss from the user.

Both chemical and compressed gas oxygen have been used in experimental closed-circuit oxygen systems – the first on Mount Everest in 1938. The 1953 expedition used closed-circuit oxygen equipment developed by Tom Bourdillon and his father for the first assault team of Bourdillon and Evans with one "dural" 800l compressed oxygen cylinder and soda lime canister (the second (successful) assault team of Hillary and Tenzing used open-circuit equipment). [35]

Atmospheric diving suits Edit

An atmospheric diving suit is a small one-man articulated submersible of roughly anthropomorphic form, with limb joints which allow articulation under external pressure while maintaining an internal pressure of one atmosphere. Breathing gas supply may be surface supplied by umbilical, or from a rebreather carried on the suit. An emergency gas supply rebreather may also be fitted to a suit with either surface supply or rebreather for primary breathing gas. As the internal pressure is maintained at one atmosphere, there is no risk of acute oxygen toxicity. This is an underwater diving application, but has more in common with industrial applications than with ambient pressure scuba rebreathers.

Rebreathers for unpressurised aircraft and high altitude parachuting Edit

Similar requirement and working environment to mountaineering, but weight is less of a problem. The Soviet IDA71 rebreather was also manufactured in a high altitude version, which was operated as an oxygen rebreather.

Anaesthesia systems Edit

Anaesthetic machines can be configured as rebreathers to provide oxygen and anaesthetic gases to a patient during surgery or other procedures that require sedation. An absorbent is present in the machine to remove the carbon dioxide from the loop. [36]

Both semi-closed and fully closed circuit systems may be used for anaesthetic machines, and both push-pull (pendulum) two directional flow and one directional loop systems are used. [37] The breathing circuit of a loop configured machine has two unidirectional valves so that only scrubbed gas flows to the patient while expired gas goes back to the machine. [36]

The anaesthetic machine can also provide gas to ventilated patients who cannot breathe on their own. [38] A waste gas scavenging system removes any gasses from the operating room to avoid environmental contamination. [39]

Space suits Edit

One of the functions of a space suit is to provide the wearer with breathing gas. This can be done via an umbilical from the life-support systems of the spacecraft or habitat, or from a primary life support system carried on the suit. Both of these systems involve rebreather technology as they both remove carbon dioxide from the breathing gas and add oxygen to compensate for oxygen used by the wearer. Space suits usually use oxygen rebreathers as this allows a lower pressure in the suit which gives the wearer better freedom of movement.

Habitat life-support systems Edit

Submarines, underwater habitats, bomb shelters, space stations, and other living spaces occupied by several people over medium to long periods on a limited gas supply, are equivalent to closed circuit rebreathers in principle, but generally rely on mechanical circulation of breathing gas through the scrubbers.

There are several safety issues with rebreather equipment, and these tend to be more severe in diving rebreathers.

Hazards Edit

Some of the hazards are due to the way the equipment works, while others are related to the environment in which the equipment is used.

Hypoxia Edit

Hypoxia can occur in any rebreather which contains enough inert gas to allow breathing without triggering automatic gas addition.

In an oxygen rebreather this can occur if the loop is not sufficiently purged at the start of use. Purging should be done while breathing off the unit so that the inert gas in the user's lungs is also removed from the system.

Carbon dioxide buildup Edit

Carbon dioxide buildup will occur if the scrubber medium is absent, badly packed, inadequate or exhausted. The normal human body is fairly sensitive to carbon dioxide partial pressure, and a buildup will be noticed by the user. However, there is not often much that can be done to rectify the problem except changing to another breathing gas supply until the scrubber can be repacked. Continued use of a rebreather with an ineffective scrubber is not possible for very long, as the levels will become toxic and the user will experience extreme respiratory distress, followed by loss of consciousness and death. The rate at which these problems develop depends on the volume of the circuit and the metabolic rate of the user at the time.

Carbon dioxide buildup can also occur when a combination of exertion and work of breathing exceeds the capacity of the user. If this occurs where the user cannot reduce exertion sufficiently, it may be impossible to correct. This problem is more likely to occur with diving rebreathers at depths where the density of the breathing gas is severely elevated.

Leakage of toxic gases into the breathing loop Edit

Industrial rebreathers are often used where the ambient air is contaminated, and may be toxic. Parts of the loop will be at a slightly lower than external ambient pressure during inhalation, and if the circuit is not airtight external gases may leak in. This is a particular issue around the edge of a full-face mask, where the rubber mask skirt must seal against the user's face.

Fire hazards of high concentration of oxygen Edit

High partial pressures of oxygen greatly increase fire hazard, and many materials which are self-extinguishing in atmospheric air will burn continuously in a high oxygen concentration. This is more of a hazard for terrestrial applications such as rescue and firefighting than for diving, where the ignition risk is relatively low.

Caustic cocktail Edit

Caused by a loop flood reaching the absorbent canister, so only applicable in immersed applications.

Failure modes Edit

Scrubber failure Edit

The term "break-through" means the failure of the scrubber to continue removing suffient carbon dioxide from the gas circulating in the loop. This will inevitably happen if the scrubber is used too long, but can happen prematurely in some circumstances. There are several ways that the scrubber may fail or become less efficient:


Air Bubbles

Some aquatic insects (diving beetles, for example) carry a bubble of air with them whenever they dive beneath the water surface. This bubble may be held under the elytra (wing covers) or it may be trapped against the body by specialized hairs. The bubble usually covers one or more spiracles so the insect can “breathe” air from the bubble while submerged.

An air bubble provides an insect with only a short-term supply of oxygen, but thanks to its unique physical properties, a bubble will also “collect” some of the oxygen molecules dissolved in the surrounding water. In effect, the bubble acts as a “physical gill” — replenishing its supply of oxygen through the physics of passive diffusion. The larger the surface area of the bubble, the more efficiently this system works. An insect can remain under water as long as the volume of oxygen diffusing into the bubble is greater than or equal to the volume of oxygen consumed by the insect. Unfortunately, the size of the bubble shrinks over time as nitrogen slowly diffuses out into the water. When the bubble’s surface area decreases, its rate of gas exchange also decreases. Eventually, the bubble becomes too small to keep up with metabolic demands and the insect must renew the entire bubble by returning to the water’s surface.


Breathe In, Breathe Out

There are two morals to the SeaCycler story. First, obtaining long-term measurements is imperative to understanding the complex ocean—scientists were only able to capture the trap-door effect through vigilant monitoring of the Labrador Sea over a year. Second, we need innovative ocean sensors to act as our eyes and ears in the ocean, particularly in harsh regions like the northern seas. No ship-based mission could have come close to the amount of data collected by the SeaCycler.

Based on the success of the first mission, the team is already hard at work refurbishing the SeaCycler and building a second platform. Armed with even more sensors, these platforms will be redeployed in the Labrador Sea this September. The scientists’ ultimate goal is to establish a permanent underwater observatory there so we can monitor the ocean’s health, one breath at a time. ■


Schau das Video: Dýchání pod vodou: Respiration (Juli 2022).


Bemerkungen:

  1. Neal

    Entschuldigung, auch ich möchte meine Meinung zum Ausdruck bringen.

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    Schön geschrieben! Interessantes Material, es ist klar, dass der Autor versucht hat.

  3. Anis

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  5. Benoni

    Es ist nur reserviert, nicht mehr

  6. Dreyken

    deine Meinung, das ist deine Meinung

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