Koncentrace kyslíku v přístrojích s polouzavřeným okruhem

Znalci potápění označují přístroje s polouzavřeným okruhem, tzv. "rebreathery", za klíčovou technologii v budoucnosti sportovního potápění. Ve srovnání se stávajícími přístroji, které pracují na principu otevřeného dýchacího okruhu, představují rebreathery skutečnou revoluci. Sportovní potápění tak dostává nový rozměr a podvodní svět se svými fascinujícími barvami a formami života se potápěči přiblíží skutečně na dosah.

Od té doby, co se přístroje s polouzavřeným okruhem dostaly do civilní oblasti mezi sportovní potápěče, rozpoutala se mezi odborníky v kruzích potápěčské medicíny a fyziologie dýchání diskuse na téma skutečný obsah kyslíku v krevním oběhu. V ohnisku pozornosti se nacházelo především chování těchto přístrojů při různé spotřebě kyslíku. Neboť v závislosti na celkové fyzické kondici, stáří, výšce a vitální kapacitě plic potápěče může být spotřeba kyslíku větší než 2,5 l/min , což je údaj, který výrobci často uvádějí jako maximální hodnotu. Jsou tedy ještě tyto přístroje bezpečné, nebo představují pro sportovního potápěče nevypočitatelné riziko? Následující řádky by měly objasnit na příkladu přístroje DOLPHIN firmy Dräger, jak se koncentrace kyslíku v poluzavřeném okruhu chová.

Za vším jsou zkušenosti

Přístroj DOLPHIN je první vyráběný rebreather na světě, který je určen pro sportovní potápění. Při vývoji tohoto přístroje mohla firma Dräger uplatnit své více než stoleté zkušenosti z oblasti pracovního a vojenského potápění. Došlo tak revolučnímu transferu technologií do oblasti sportovního potápění.

Zátěžové zkoušky již od roku 1914

Na zátěžové zkoušky při vývoji potápěčských přístrojů firmy Dräger byly od samého začátku kladeny přísné požadavky. Již v roce 1914 byl na továrním pozemku postaven potápěčský simulátor, kde se prováděly zkoušky přístrojů s uzavřeným okruhem. Na začátku se zde pokusné osoby mohly zdržovat po dobu 40ti minut za tlaku 9 bar (cca. 80 m hloubky). Později, při vývoji potápěčských přístrojů pro speciální vojenské účely a pro průmysl přímořské těžby, započala spolupráce s mezinárodně uznávanými universitami a technickými instituty (GKSS-výzkumné centrum Geesthacht, norské podmořské technologické centrum NUTEC) a samozřejmě i s vojenskými testovacími laboratořemi. Splnění požadavků NPD (norské petrochemické ředitelství), DNV (Det Norske Veritas), US-NAVY a speciálních požadavků zákazníků se stalo samozřejmou rutinou. I dnes zkouší firma Dräger své potápěcí přístroje v hloubkovém simulátoru, na zkušebních stolicích a v tlakových komorách svého výzkumného a vývojového centra před tím, než se uskuteční první externí provozní zkoušky a než jsou přístroje předány externím institutům.

Různé typy přístrojů

Rebreathery se rozlišují podle stavby, maximální hloubky a směsí pro dýchání (viz obrázek). Maximální hloubka přístrojů pracujících s uzavřeným okruhem, kde médium je čistý kyslík - např. Dräger LAR V - je z důvodu toxicity kyslíku omezena na 6 až 10 metrů. Snem mnoha potápěčů je přístroj s uzavřeným okruhem, kde elektronická jednotka sama míchá správný poměr směsi. Senzory měří permanentně koncentraci kyslíku v dýchacím okruhu a integrovaný počítač řídí míchání směsí v režimu „onlineů. Zkušenosti s tímto druhem přístrojů z oblasti vojenského a komerčního potápění však ukazují, že složitost těchto rebreatherů a tím i možnost případné poruchy představují přílišné riziko pro jejich použití v oblasti sportovního potápění.

Přístroje SCR (Semi-closed Rebreather) s polouzavřeným okruhem a předem namíchanou (pre-mixed) směsí plynů mají přehlednou stavbu, jsou velmi robustní a jednoduché. Ve srovnání s přístroji CCR (Closed-circuit Rebreather) s plně uzavřeným okruhem a elektronicky řízeným mícháním směsi představují pro experty přístroje s polouzavřeným okruhem, jako např. Dolphin firmy Dräger, správný krok pro uvedení této náročné techniky na sportovní trh.

Funkční princip přístrojů s polouzavřeným dýchacím okruhem

Schéma přístroje Dolphin znázorňuje jednoduchost dýchacího okruhu. Vydechnutý vzduch proudí ústenkou (1). Jednocestný ventil přitom zabraňuje pronikání vydechnutého vzduchu do dýchacího vaku. Z ústenky prochází vydechovaná směs výdechovou hadicí a proudí do výdechového vaku (4a). Tento vak slouží zároveň jako odlučovač kondenzátu, resp. vody z vydechované směsi a z případných menších netěsností. V případě, že v okruhu je příliš mnoho směsi, resp. při nárůstu tlaku se otevře přetlakový ventil a přebytečná směs se uvolní ve formě malých bublinek. Umístění přetlakového ventilu zabezpečuje odvod pouze vydechnuté směsi, narozdíl od směsi obohacené kyslíkem. Vydechnutá směs je z dýchacího vaku vedena do pohlcovače s hydroxydem sodným, který váže vydechnutý oxid uhličitý. Teplo vznikající při této chemické reakci navíc příjemně předehřívá nadechovanou směs. Směs je dále vedena do nádechového vaku (4b), kde je obohacena poměrnou částí kyslíku z nitroxové láhve (6). Konstantní dávka nitroxové směsi je vedena z láhve přes dávkovač (13) do nádechového vaku (4). Pokud se v uzavřeném okruhu nenachází dostatečné množství směsi a dýchací vak není dostatečně naplněn, otevře se automaticky bypass-ventil (11) a množství směsi doplní. Z nádechového vaku, nazývaného občas i "protiplíce", se dostává obohacená směs přes nádechovou hadici (5) a ústenku (1) do plic potápěče.

Kyslík

Kyslík je nezbytným předpokladem pro život. Jeho dostatečné množství je důležité pro látkovou výměnu v těle. Nicméně nejen nedostatek, ale i nadbytek kyslíku může organismu škodit. Rozhodující přitom není procentuální množství kyslíku, nýbrž jeho parciální tlak.

Nedostatek kyslíku - Hypoxie

Při nádechu se váže část kyslíku v krvi, zároveň se však sníží i jeho parciální tlak. Rychlý pokles parciálního tlaku na 102 až 122 milibarů, který za normálních atmosférických podmínek odpovídá koncentraci kyslíku 10 až 12%, vede u mnohých lidí k poruchám krevního oběhu a dýchání. Jednoznačné parametry pro nedostatek kyslíku nejsou stanoveny, protože závisí od velkého množství proměnných.

Nadbytek kyslíku - Hyperoxie

Nárůst tlaku vede zároveň i ke zvýšení parciálního tlaku kyslíku. Za normálního tlaku (1013 mbar) může člověk dýchat 100% kyslík po dobu několika hodin, aniž by došlo k poškození organismu. Toxicita kyslíku závisí od jeho parciálního tlaku a době působení. Parciální tlak větší než 2 bary může již po 1 hodině vést k poškození centrálního nervového systému. Parciální tlak kolem 0,5 baru způsobuje po delší době (20 hodin) poškození plic. I u hyperoxie nelze stanovit přesné hranice pro jednotlivé parametry.

Potenciální rizika při potápění s přístrojem s polouzavřeným okruhem

Pro potápění s přístrojem s polouzavřeným okruhem se ve většině případů používají předem připravené nitroxové směsi, skládající se z kyslíku a dusíku. V důsledku složení směsi nesmějí být překročeny stanovené hloubkové limity, aby se zabránilo hyperoxii. Jiné nebezpečí vyplývá z nesprávného použití chemikálie v pohlcovači. Je-li nátronové vápno příliš mokré, nebo nebyl-li pohlcovač správně naplněn, nedojde k úplné absorpci vydechnutého oxidu uhličitého a může dojít k otravě. Protože klesá podíl kyslíku v dýchacím okruhu v důsledku dýchání potápěče, je velmi důležité důkladné propláchnutí celého okruhu čerstvou směsí, čímž se nahradí spotřebovaná část kyslíku. Aby nedošlo k poklesu podílu kyslíku pod minimální hranici, je nutné brát zřetel na maximální spotřebu kyslíku, na kterou je přístroj dimenzován.

Přístroj Dolphin je zkonstruován pro nejvyšší přípustnou spotřebu kyslíku 2,5 l/min, při které je zaručena minimální koncentrace kyslíku 17 % v dýchacím okruhu. Musí potápěči, jejichž spotřeba kyslíku tuto hranici překračuje, počítat s hypoxií ? Aby bylo možno jednoznačně zodpovědět tuto otázku, zkoumali již během vývoje Dolphinu odborníci firmy Dräger změny koncentrace kyslíku v dýchacím okruhu v závislosti na rúzné spotřebě kyslíku. Výsledky těchto zkoušek toto riziko jednoznačně vyloučily.

Testy výrobku

Systém kvality firmy Dräger, který byl certifikován dle normy ISO 9001 již v roce 1987, provází každý nový výrobek již od okamžiku zrodu myšlenky a nekončí dodáním finálního prouktu zákazníkovi. Než je například nový výrobek uvolněn firmou Dräger pro prodej, má již za sebou nejrůznější dlouhodobé zatěžkávající zkoušky, včetně zkoušek praktických, při kterých je výrobek vystaven extrémním podmínkám a situacím. Ve středu pozornosti jsou přitom zkoušky, prováděné potápěči v hloubkovém simulátoru, testovacích bazénech a především na volné vodě. Žádné přesné teoretické výpočty, ani vědecké poznatky totiž nemůžou tyto praktické testy nahradit. Firma Dräger má navíc nesmírnou výhodu v dlouholeté tradici ve vývoji a výrobě rebreatherů, díky níž jsou k dispozici interní i externí zkušební protokoly z vojenských zkušebních laboratoří, kde byly testovány např. přístroje LAR V a FGT. Veškeré výrobky mají samozřejmě CE-certifikát.

1. Zkoušky v testovacích laboratořích firmy Dräger
   • testování výkonnostních parametrů
     • test ve vztahu k životnímu prostředí
     • bezpečnostní test
     • test funkčnosti jednotlivých stavebních skupin
     • test životnosti
   • Zkoušky pod vodou ve vlastním testovacím a výcvikovém centru
   • Testy externích potápěčů na volné vodě
     • cca. 1000 ponorů při různém zatížení
2. certifikace CE nezávislou autorizovanou osobou

Certifikace CE

Vzhledem ke skutečnosti, že na evropský potápěčský trh nesmí být uveden výrobek bez výše uvedeného certifikátu, byl přístroj Dolphin zkoušen a následně certifikován nezávislou autorizovanou osobou - německou pobočkou Lloyd. Přístroj Dolphin obdržel jako první rebreather na světě certifikát o výrobku (EG-Baumusterbescheinigung Nr. 98 341 HH) podle směrnice z 21.12.1989 č. 89/686/EWG ve znění úpravy z října 1993 pro ochranné prostředky. Protože doposud nebyla vydána evropská, resp. německá norma pro rebreathery, byl přístroj zkoušen společností Lloyd v rámci osobních ochranných prostředků (PSA) na základě existujících směrnic a požadavků pro vojenské a pracovní potápění.

Normy, směrnice a předpisy, použité pro zkoušky

Příloha II v.u.směrnice části EN 145 - 1988
EN 250 - květen 1993
návrh normy PrEN 1809 - 1995
Technical Manual No. 01-94 US Navy Unmanned Test Methods and Performance Goals for Underwater Breathing Apparatus - 1994

Školící organizace pro potápěče, jako např. TDI (TechnicalDiving International), IANTD (International Association of Nitrox and Technical Divers), ANDI (American Nitrox Divers International) RAB (Rebreather Advisory Board), SNSI (Safe Nitrox Scuba International - Italy, odnož SSI) a SUSV (Schweizer Unterwasser Sport Verband) udávají ve svých podkladech pro školení rebreatheru následující spotřeby kyslíku:

Nicméně podle zveřejněných prací uznávaných fyziologů, jako např. Davida Elliota, je možné docílit spotřeby i 3,0 l/min., u olympijských atletů dokonce až 7 l/min. I když se v tomto případě jedná o extrémní hodnoty a sportovní potápěč jistě nebude při každém ponoru zvedat kotvu, je nutné vyloučit rizikový potenciál a zohlednit tyto skutečnosti při vývoji přístroje. Z výše uvedených důvodů byly prováděny praktické testy s pokusnými osobami, jejichž vitální kapaciat plic se podstatně lišila.

Laboratorní testovací přístroj

Interní zkoumání spotřeby a koncentrace kyslíku v přístroji Dolphin byly prováděny v testovacím centru firmy Dräger , kde je k dispozici bazén o rozměrech 12x6x4,5 m. V bazénu je k dispozici zařízení na simulování protiproudu, které nabízí optimální podmínky pro výše uvedené testy. Dále je k dispozici hloubkový simulátor, určený pro suché i mokré testy. Ve dvou hyperbarických komorách lze provádět dechové zkoušky, na které navazují testy na dalším technickém vybavení.

Vyhodnocení ponorů

Výsledky testů potápěč-přístroj dokládají, že i při spotřebě kyslíku větší než 2,5 l/min nedochází v dýchacím okruhu přístroje Dolphin k nebezpečí snížení hladiny kyslíku. Během celé řady pokusů klesala podle očekávání koncentrace kyslíku úměrně jeho spotřebě. Při dechovém objemu větším než 1,9 l/min však koncentrace kyslíku opět narůstá - viz obr.5.

V ustáleném stavu platí vztah:

kde:
  O_2K  - koncentrace kyslíku v dýchacím okruhu (%)
  V_D   - objem stálé dávky (l/min)
  O_2G  - podíl kyslíku v nitroxové směsi
  O_2V  - spotřeba kyslíku potápěčem ( l/min)

Dokonce i při zvýšení spotřeby kyslíku ( ve 14.minutě ) dochází k nárůstu koncentrace kyslíku v dýchacím okruhu. Tento jev je způsoben automatickým by-passovým ventilem, který v okamžiku větší spotřeby směsi dodá do okruhu čerstvou směs navíc. Toto požadované chování přístroje bylo prakticky potvrzeno další řadou praktických pokusů, která dokázala spolehlivost automatického by-passu při spotřebě, která překročí 1,9 L/min (obr. 6).