Projekt Hydronaut

Koncepce saturačního potápění (plného nasycení tkání inertním plynem) byla rozvíjena především americkým námořnictvem. První pokus proběhl v roce 1938 v komoře s pobytem ve 30 m po dobu 27 h. Praxi mořských výzkumných stanic zahájil J. Y. Cousteau projektem Précontinent v letech 1962-64. Týmy „akvanautů” trávily řadu dnů v hloubkách 10 až 100 m.

Historicky třetí zemí v pořadí výstavby hlubinných obydlí se stalo Československo. Český potápěč, P. Gross, strávil v podvodním „stanu“ 72 h v 6m v Jaderském moři (projekt Xenie v roce 1965). Nejrozsáhlejším projektem byl Permon. Bánští potápěči a záchranáři (J. Dvořáček, K. Hodeček, F. Hejnyš a M. Kríž) strávili v „hloubce“ 25 m v ostravské přetlakové komoře 87 h (1966).

Následovaly ponory s potápěčským zvonem v bazénu a pobyt v přetlakové komoře (24 m/31 h). V zatopeném lomu ve Svobodných Heřmanicích strávila dvojice akvanautů (V. Kocián a V. Geist) v pětitunové kabině o prostoru 5 m³ 80 h v 10 m. Konečný výstup trval 2 hodiny při dýchání kyslíku. Rekordní byl jejich pobyt 102 h v hloubce 25 m při dýchání směsi 10,5 % kyslíku a 89,5 % dusíku (1967).

Jediným dnes fungujícím příbytkem na mořském dně je modul Aquarius Národního úřadu pro oceány a atmosféru USA (NOAA). Komerční mise zahrnují desetidenní pobyt zájemců v hloubce 63 stop.

V současnosti je saturační potápění běžnou rutinou řady společností, zejména při těžbě ložisek ropy a zemního plynu. Výhodou je možnost dlouhodobé práce pod vodou bez přerušování dekompresemi a přestávkami. Existuje propracované pracovní potápění s užitím hélia a systémy propojených stabilních tlakových komor na palubě lodí, na které se připojují mobilní hlubinné kabiny. Umožňuje to suché komprese i týdenní dekomprese v komoře, přesuny v tlakovaném modulu dolů a nahoru, práce i odpočinek ve vícesměnném „natlakovaném“ provozu atd.

Na astronautickém kongresu v Praze v září 2010 byl představen koncept ponorné stanice – hlubinného habitatu, určeného pro dlouhodobý pobyt šesti lidí. Autorem byl pracovní potápěč M. Šanda. Ideou bylo vytvořit v Česku zařízení určené primárně pro výcvik astronautů Evropské kosmické agentury (ESA). Pro nedostatek finančních prostředků vznikla skromnější verze - Hydronaut III (H3). Šanda a další nadšenci - potápěči, vědci, ale i laici, začali s výstavbou v rámci občanského sdružení Hydronaut – Centrum kosmického výzkumu.

H3 by měl umožňovat dlouhodobý pobyt tříčlenné posádky (hydronautů) v podmínkách hyperbarického prostředí pod hladinou se simulací některých aspektů kosmických misí. Hydronauti budou plnit nejrůznější úkoly jako během kosmického letu. Inspirací pro první demonstrační misi (M1), je plán zachycení asteroidu a vyslání kosmické lodi s astronauty pro odebrání vzorků. Při M1 proběhne simulovaný sedmidenní let k asteroidu, tj. zanoření H3 se dvěma výstupy hydronautů. Při prvním proběhne inspekce „lodi“ a při druhém dvojice odebere vrtem vzorek „asteroidu“. Mise bude zakončena pomalou dekompresí. Realizace M1 je předběžně plánovaná na podzim 2014 na Slapské přehradě.

H3 má půdorys o průměru 4,8 m a výšku 7 m. Váha modulu je 30 t a výtlak 20 m³. Obyvatelným prostorem je vodorovný válec o průměru 2,6 m a délce 4,6 m, ten je napojen na svislou přechodovou komoru o výšce 3 m a průměru 1 m. Podpora života bude zajištěna nezávislou regenerací dýchacího média se zásobováním dýchacím plynem z hladiny nebo z 20 záložních tlakových lahví (40 l/200 bar). K elektrifikaci (24 V/12 V) bude sloužit vedení z hladiny, případně záložní baterie (24 V/500 Ah) na 3 dny činnosti.

Řada omezení M1 bude souviset s dýcháním vzduchu v přetlaku a působením jeho složek, především kyslíku a dusíku. Toxicitu kyslíku lze snížit omezením doby pobytu v přetlaku, nebo jeho nižším parciálním tlakem. 21 % objemu kyslíku ve vzduchu má na hladině parciální tlak 21 kPa, ve 20 m 63 kP a ve 30 m 84 kPa. Tyto hodnoty vylučují akutní otravu kyslíkem s postižením CNS, která začíná až od 140-160 kPa. Po delší době ale hrozí kumulativní otrava kyslíkem s postižením především plicní tkáně. Ta začíná drážděním v dýchacích cestách, dušností a záchvaty suchého kašle. Dochází také k omezení poddajnosti plic a poklesu plicní kapacity, posléze nastává otok plic s poruchou výměny plynů až dušení. V plicní tkáni nastává po počátečním prosáknutí zánět, tvorba tekutiny ve sklípcích a destrukce endotelu. Pokračující expozice znamená proliferativní fibrózní změny s nenávratnou respirační nedostatečností.

Parciální tlak kyslíku by při dlouhodobé expozici neměl překročit 50 kPa, což odpovídá hloubce 14 m. Pro profesionální saturační potápění se hodnoty mají pohybovat mezi 44 až 48 kPa. Pro plicní toxicitu kyslíku se užívají jednotky podle NOAA (1 OTU=1 min dýchání kyslíku tlaku 100 kP). Obecně se doporučuje se nepřekračovat denně 300 OTU (9). Ve 20 m dosahuje expozice 532 OTU/den, ve 30 m 1066 OTU/den. Pro vícedenní potápění je doporučeno maximálně 850 OTU na první den, další dny se hodnoty se snižují, od desátého dne denně je limit 300OTU . Pro hloubku 20 m by byla doporučená dávka překročena až v šestém dni (tab. 1). V M1 bude tento den již probíhat dekomprese spojená s nižším zatížením kyslíkem.

Doporučené parametry vypracované NOAA pro dlouhodobé pobyty v hlubinných habitatech byly ověřeny v praxi. V přetlaku byl udržován parciální tlak kyslíku mezi 30-35 kPa s odpovídající obsahem kyslíku 12-14 % v 15 m a 9-10 % v 25 m. Pobyty v modulu Aquarius (10 dnů v 19 m) s tlakem kyslíku 61 kPa tj. až 4067 OTU naznačují, že limity NOAA (doporučeno 3100 OTU) jsou možná přehnané. Při plánovaní M1 nebude však možno překračovat hloubku 20 m. Pro dlouhodobější pobyty H3 by bylo vhodné buď snížit hloubku, nebo snížit obsah kyslíku v dýchané směsi.

Rozpouštění plynů v kapalinách popisuje vztah: p(t)=(p1–p0).[1-exp(-ln(2).t/t1/2)]+p0. Při výpočtech u saturace stačí brát v úvahu jen kompartment s nejdelším poločasem („nejpomalejší tkáň“) jako řídící tkáň. Podle dekompresní tabulky je to kompartment 16 s poločasem saturace/desaturace t1/2 = 635 min. Na hloubce 20 m dochází k plnému nasycení po třetím dnu (tab. 2).

Při výstupu z hloubky 20 m snáší kompartment 16 podle výpočtu určité přesycení, bez DN při tlaku 199 kPa, což odpovídá hloubce zhruba 10 m. U stanice Aquarius je povoleno potápění do hloubky 28 m na dobu 3 h. Denní maximum je 6 h potápění, 2 ponory za den s přestávkou v modulu na 4 h. Den před závěrečnou dekompresí se dodržuje přísnější regulace a posledních 28 h se neopouští modul. Pro H3 bude tedy vhodné podobné omezení potápěčských prací se změnou hloubky cca ±10 m a dostatečně dlouhá přestávka mezi výstupy (6-8 h), před závěrečnou dekompresí však nejméně 32 h.

Při závěrečném výstupu dochází nejen k postupnému uvolňování rozpuštěných plynů difúzí z tkání, podle tlakového spádu směrem do plicních sklípků, ale přidává se tvorba bublin. Jejich množství a objem rozhoduje o rozsahu biologických dějů až dekompresní nemoci (DN), přímý výstup není možný. Saturační potápění s helioxem počítá zhruba s jedním dnem na výstup na každých 30 m hloubky v tlakových komorách na lodi pomalým plynulým poklesem tlaku. Při dekompresi M1 výstupem modulu bude vhodnější stupňovitá dekomprese se zastávkami. Pro ni existují dekompresní postupy pro práci v kesonech, které se ani po letech nezměnily. Tabulky zveřejnil v roce 1985 National Institute for Occupational Safety and Health USA (NIOSH) ke zvýšení bezpečnosti a eliminaci akutních i chronických postižení po 8 h práci v hloubce až 35 m, poslední tabulka G-3C je určena pro delší a saturační expozice. Saturační tabulky NOAA byly ověřeny nejen monitorováním příznaků DN, ale i ultrazvukovou detekcí bublin. Podobně odvozená dekomprese M1 z hloubky 20 m by mohla trvat asi 35 h s 12 zastávkami (tab. 3), s přechodem mezi nimi během 2–3 min.

Doba dekomprese je mnohem delší, než je uváděna u Aquaria, kde pozvolný pokles tlaku uvnitř modulu a následný volný výstup na hladinu trvá asi 17 hodin. Jinde je uváděno 15 h 45 min a následný výstup v potápěčské výstroji. Po ukončení výstupu M1 bude nutno stále počítat s rizikem DN a dodržovat některá opatření. Mělo by následovat 12 h pod lékařským dohledem, bez fyzické zátěže a horké sprchy a minimálně 48 h se nesmí létat. V doporučeních pro pracovní saturační potápění je zmiňován pobyt po ponoru minimálně 2 h v blízkosti dekompresní komory a 48 h se zdržovat v dojezdu komory do 30 min, nesmí se cestovat letadlem alespoň 72 h.

Cílem projektu Hydronaut do budoucnosti bude výzkum vlivu lidského faktoru a stresové zátěže při pobytu v uzavřeném, izolovaném, omezeném a nebezpečném prostředí i pokračování v tradici saturačního potápění. Kromě zmiňovaných problémů by se mohly objevit i jiné, jako vlivy chladu a rizika infekčních postižení, zejména kožních. Při delších pobytech může docházet také k ovlivnění krevních a biochemických hodnot.

Snahou občanského sdružení Hydronaut – Centrum kosmického výzkumu bude zavést kurz speciální fyzické a psychologické přípravy, který bude využívat poznatky ze saturačního potápění, ale i z analogických kosmických studií. Nejvyšší ambicí do budoucna je přispět poznatky, získanými při realizaci programů projektu Hydronaut, do oblasti pilotovaných kosmických letů, na kterých se Česká republika podílí v rámci svého členství v ESA.