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Controllo dei livelli di O2 in un Rebreather: come funziona e come può essere verificato? di Dan Warkander – parte I

Reading Time: 7 minutes

 

livello difficile
.
ARGOMENTO: SUBACQUEA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: TECNICA – MATERIALI
parole chiave: rebreather

 

Background
Uno dei vantaggi dei rebreather è che il consumo di gas è minore di quello dei sistemi a circuito aperto. Il consumo di gas dipende soprattutto dal consumo di O2 del subacqueo, che dipende dal carico di lavoro del subacqueo. Sono disponibili diversi metodi per controllare il livello O2. La difficoltà è di trovare una soluzione relativamente semplice e mantenere livelli accettabili di ossigeno anche quando viene modificata la profondità e i carichi di lavoro dei subacquei. Una volta che un nuovo rebreather è stato completato deve essere testato per controllare il suo funzionamento.

Ma che cos’è un Rebreather? Vengono chiamati Rebreather quei sistemi di respirazione autonoma a circuito chiuso di solito costituiti da un loop di respirazione (breathing loop) dentro il quale il sub espira ed inspira. La particolarità è che il flusso della miscela respirata si muove solo in un senso.  Ci sono tre tipi di rebreather, quelli a Ossigeno puro, quelli a circuito semi-chiuso, e quelli a circuito chiuso a miscele con controllo elettronico.

rebreather schemeTutti i rebreather moderni sono costituiti più o meno dai soliti elementi:
– un boccaglio collegato a dei tubi di gomma corrugata, uno per l’inalazione e uno per l’esalazione
– un sistema di addizione di ossigeno al loop
– un sistema per rimuovere l’anidride carbonica dal loop
– una sacca morbida o contropolmone per fornire al subacqueo il gas sufficiente per respirare.

L’ossigeno viene aggiunto al loop per sostituire quello metabolizzato dall’organismo e l’anidride carbonica prodotta del sub viene rimossa attraverso un assorbente chimico (scrubber).

Dato che la maggior parte del gas rimane all’interno del loop, invece di essere espulsa sott’acqua come i sistemi scuba resta all’interno e in parte rigenerata. Questo fornisce,  dal punto di vista del consumo di gas, una autonomia molto maggiore dei sistemi aperti. Molti incorporano due contropolmoni nel breathing loop, uno di inspirazione e uno di espirazione. Dato che i contropolmoni si espandono quando il sub espira il volume totale (di galleggiamento) del sub rimane costante. Quindi a differenza dei sistemi scuba, tra la fase inspiratoria e quella espiatoria l’assetto non cambia. 

Sistemi per controllare i livelli di O2
Esistono diversi sistemi installati sui rebreather per controllare i livelli di ossigeno erogati. Vediamoli in breve:
Rebreather completamente meccanici con somministrazione al 100% di O2
Il più semplice rebreather è composto da una bombola di O2, un sacco, un filtro per il CO2 ed un boccaglio con tubi flessibili. L’aggiunta di O2 può essere effettuata manualmente e / o tramite una valvola di addizione O2 che viene attivata meccanicamente quando il sacco si riduce. Un inconveniente è che, come sappiamo,  con il 100% di O2 la profondità è limitata a 6 metri di profondità.

differenza tra sistemi a circuito aperto, con rilascio nell’ambiente del gas espirato, e quelli a circuito chiuso

Sistemi rebreather semichiusi a flusso costante di gas
Per profondità maggiori, un altro modo abbastanza semplice per controllare i livelli di O2 è quello di avere un flusso costante di un gas contenente O2, e azoto e/o elio. Il subacqueo consumerà l’ossigeno ed emetterà  il gas rimanente in acqua attraverso una valvola (da cui il nome rebreather semi-chiuso). Per controllare il livello di O2 risultante nel gas di respirazione, il progettista del sistema deve trovare un compromesso tra la concentrazione di O2 nel gas, il flusso di  portata, la profondità massima e il tempo di durata. I livelli variabili di O2 potrebbero rendere difficile la scelta della tabella di decompressione. Il flusso costante significa che il tempo di durata può essere ben conosciuto, essenzialmente determinato da un cronometro.

Rebreather dove il flusso di gas è regolato dalla respirazione del subacqueo
info-01_transparent-e1492010955694Un modo più sofisticato per controllare i livelli di ossigeno è determinare la difficoltà di respirazione di un subacqueo. Invece di respirare da e verso un sacco, il subacqueo respira in un soffietto collegato ad un meccanismo di conteggio meccanico o elettronico o a un dispositivo equivalente. Quando il soffietto si è mosso sufficientemente (cioè tramite uno più  respiri), il rebreather invia una quantità nota di gas per arricchire il sacco di Ossigeno. Il progettista deve scegliere il volume di gas da iniettare e la sua concentrazione di O2 per una determinata gamma di profondità. Il problema è che il consumo di O2 non è sempre ben correlato con il volume respiro. Il rapporto tra il volume in respirazione ed il volume di ossigeno consumato può variare da circa 35 (a riposo) fino a 20 durante l’immersione in profondità. Essa varia anche tra gli individui. Rispetto ai rebreather semi-chiusi con flusso costante, questo tipo di rebreather tende a dare un controllo più stretto della concentrazione di O2 risultante che rende più facile la scelta delle tabelle di decompressione. La durata è determinata dal consumo effettivo del gas del subacqueo e non da una misura temporale.

Rebreather controllati elettronicamente
Essi rappresentano un’ulteriore raffinatezza e forniscono un maggior controllo del livello di O2. In genere, controllano la pressione parziale di O2 (pO2), ma in linea di principio possono controllarne la concentrazione. Questi rebreather determinano l’attuale pO2 e forniscono l’ossigeno come necessario. Alcuni possono anche cambiare il desiderato pO2 (il set point) a seconda della profondità, automaticamente o con l’intervento del subacqueo. La durata dipende soprattutto dal consumo di ossigeno del subacqueo. Viene utilizzata una bombola di gas contenente O2 e N2 e/o He (gas diluente) per aggiungere gas al ciclo respiratorio durante la discesa.

Sistemi ibridi con controllo manuale guidato da sensori di O2
Alcuni subacquei preferiscono controllare la miscela aggiungendo da soli l’O2. Possono farlo in base all’aiuto di sensori O2. Il rischio è che il subacqueo si distragga e dimentichi di aggiungere l’O2 (cosa molto pericolosa). Per ridurre questo rischio è possibile avere un flusso costante di O2 sufficiente a sostenere la vita a livelli di riposo. La norma EN 14143 (1) per i rivelatori europei consente l’uso di tali dispositivi con un flusso minimo di O2 di 0,5 L / min.

Sistemi per valutare il livello di O2
Esistono diversi sistemi  per valutare i livelli di O2 in un rebreather. Devono considerare condizioni molto diverse (come l’acqua, l’umidità elevata, le variazioni di temperatura e di densità del gas). Dovranno anche reagire abbastanza rapidamente ai cambiamenti nei livelli di O2, essere lineari e meccanicamente robusti.

Celle a combustibile
I sensori utilizzati in quasi tutti i rebreather elettronici sono sensori galvanici (a volte chiamati celle a combustibile o celle di ossigeno), che forniscono in uscita una tensione o una corrente. Essi si basano sull’O2 che passa attraverso una membrana, dal gas di respirazione verso l’interno del sensore. All’interno del sensore si trova un elettrodo ed un elettrolito. Nell’elettrodo l’O2 partecipa ad una reazione chimica che produce una corrente elettrica che è legata alla pressione parziale di O2 (pO2). In altre parole, questi sensori forniscono un segnale che è relativo alla concentrazione di pO2 e non di O2. La corrente risultante viene passata attraverso una resistenza (generalmente collocata all’interno del sensore) che lo trasforma in una tensione (tipicamente nell’intervallo da 10 a 25 mV nell’aria ambiente). Poiché il tasso di diffusione di O2 attraverso la membrana dipende dalla temperatura, un circuito di compensazione della temperatura è incluso all’interno del sensore O2 stesso. Va considerato che l’elettrodo viene consumato nella reazione chimica e questo ne limita la durata di vita.

Sensore a fluorescenza
Si tratta di un tipo di sensore che utilizza un raggio di luce con una certa lunghezza d’onda su un materiale che risponde con una luce (fluorescenza) ad un’altra lunghezza d’onda. L’intensità della luce di ritorno può essere correlata al pO2. La durata della vita è spesso determinata dal materiale fluorescente.

Sensori di tipo Nernstiano
Essi si basano sul principio che quando l’Ossigeno passa attraverso un determinato materiale produce una tensione su di esso. Questo sensore è molto stabile e viene utilizzato come sensore di ossigeno nelle autovetture  moderne a benzina. Tuttavia, il materiale deve essere riscaldato a molte centinaia di gradi Celsius. L’energia necessaria per mantenere questa temperatura lo mette fuori dalla gamma dei rebreather anche se la sua vita potrebbe essere maggiore.


Fine parte I – continua

 

libera traduzione dal testo originale a cui si rimanda in caso di non perfetta comprensione. L’articolo del dottor Warkander può essere letto seguendo questo link  

Warkander2016-150x150Dan Warkander è un ingegnere e fisiologo respiratorio che ha lavorato con i subacquei e le apparecchiature di respirazione per oltre 30 anni effettuando immersioni in aria a 57 metri (190 fsw), Heliox immersioni a 450 metri (1500 fsw) e immersioni ad idrogeno e ossigeno 120 metri (400 fsw). Ha condotto oltre 1.000 immersioni sperimentali.

 

Alcune delle foto presenti in questo blog possono essere state prese dal web, pur rispettando la netiquette, citandone ove possibile gli autori e/o le fonti. Se qualcuno desiderasse specificarne l’autore o rimuoverle, può scrivere a infoocean4future@gmail.com e provvederemo immediatamente alla correzione dell’articolo

 

PAGINA PRINCIPALE
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PARTE I
PARTE II


Bibliografia di riferimento
1 “Respiratory Equipment – Self-contained re-breathing diving apparatus”, Brussels (Belgium): European Committee for Standardization; 2013, EN14143:2013 (E).
2 National Oceanic and Atmospheric Administration minimum manufacturing and performance requirements for closed circuit mixed gas rebreathers, 2005 downloaded on 10 Jan 2017 (file NOAA_CCR_Standards_Final_2005.pdf).
3 Warkander D.E. Unmanned Test and Evaluation of the Teledyne Analytical Instruments R-10DN Oxygen Sensor for Use in the MK 16 Mod 1 Underwater Breathing Apparatus. U.S. Navy Experimental Diving Unit, Technical Report TR 03-08, 2003. downloaded on 28 Nov 2016 (file ADA448759.pdf)

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