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El buceo con rebreather es el buceo submarino que utiliza rebreathers , una clase de aparato de respiración subacuático que recircula el gas respirable exhalado por el buceador después de reemplazar el oxígeno utilizado y eliminar el producto metabólico de dióxido de carbono . El buceo con rebreather es practicado por buceadores recreativos, militares y científicos en aplicaciones donde tiene ventajas sobre el buceo con circuito abierto y el suministro de gas respirable desde la superficie es impracticable. Las principales ventajas del buceo con rebreather son la mayor autonomía del gas, los bajos niveles de ruido y la ausencia de burbujas. [1]
Los rebreathers se utilizan generalmente para aplicaciones de buceo , pero también se utilizan ocasionalmente para sistemas de rescate para buceo con suministro desde la superficie . Los sistemas de recuperación de gas utilizados para buceo profundo con heliox utilizan una tecnología similar a los rebreathers, al igual que los sistemas de soporte vital de buceo de saturación , pero en estas aplicaciones el equipo de reciclaje de gas no lo lleva el buzo. Los trajes de buceo atmosférico también llevan tecnología de rebreather para reciclar el gas respirable como parte del sistema de soporte vital, pero este artículo cubre los procedimientos de buceo a presión ambiental utilizando rebreathers que lleva el buzo.
Los rebreathers son generalmente más complejos de usar que los equipos de buceo de circuito abierto y tienen más puntos potenciales de falla , por lo que un uso aceptablemente seguro requiere un mayor nivel de habilidad, atención y conocimiento de la situación, que generalmente se deriva de la comprensión de los sistemas, el mantenimiento diligente y el aprendizaje excesivo de las habilidades prácticas de operación y recuperación de fallas . El diseño tolerante a fallas puede hacer que un rebreather sea menos propenso a fallar de una manera que ponga en peligro inmediatamente al usuario y reduce la carga de trabajo del buzo, lo que a su vez puede reducir el riesgo de error del operador.
A poca profundidad, un buceador que utiliza un equipo de respiración de circuito abierto normalmente utiliza sólo una cuarta parte del oxígeno del aire que respira, lo que supone entre el 4 y el 5% del volumen inspirado. El oxígeno restante se exhala junto con el nitrógeno y el dióxido de carbono, es decir, alrededor del 95% del volumen. A medida que el buceador desciende más, se utiliza prácticamente la misma masa de oxígeno, lo que representa una fracción cada vez menor del gas inhalado. Dado que sólo se consume una pequeña parte del oxígeno y prácticamente nada del gas inerte, cada respiración exhalada con un equipo de buceo de circuito abierto representa al menos el 95% del volumen de gas potencialmente útil desperdiciado, que debe ser reemplazado a partir del suministro de gas respirable. [2] [1]
Un rebreather retiene la mayor parte del gas exhalado para su reutilización y no lo descarga inmediatamente al entorno. [3] [4] El gas inerte y el oxígeno no utilizado se conservan para su reutilización, y el rebreather añade gas para reemplazar el oxígeno que se consumió y elimina el dióxido de carbono. [3] De este modo, el gas recirculado en el rebreather sigue siendo respirable y sustenta la vida y el buceador solo necesita llevar una fracción del gas que se necesitaría para un sistema de circuito abierto. El ahorro es proporcional a la presión ambiental, por lo que es mayor para inmersiones más profundas y es particularmente significativo cuando se utilizan mezclas costosas que contienen helio como diluyente de gas inerte. El rebreather también añade gas para compensar la compresión cuando aumenta la profundidad de la inmersión y libera gas para evitar la sobreexpansión cuando disminuye la profundidad. [2] [5] [1]
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La principal ventaja del rebreather sobre el equipo de respiración de circuito abierto es el uso económico del gas. Con el buceo con circuito abierto, todo el aliento se expulsa al agua circundante cuando el buceador exhala. Un aliento inhalado desde un sistema de buceo con circuito abierto con cilindros llenos de aire comprimido contiene aproximadamente un 21% [6] de oxígeno. Cuando ese aliento se exhala de nuevo al ambiente circundante, tiene un nivel de oxígeno en el rango de 15 a 16% cuando el buceador está a presión atmosférica. [6] Esto deja el uso de oxígeno disponible en aproximadamente un 25%; el 75% restante se pierde. Como el 79% restante del gas respirable (principalmente nitrógeno ) es inerte, el buceador con buceo con circuito abierto solo utiliza aproximadamente el 5% del contenido de los cilindros. [1]
En profundidad, esta ventaja del rebreather es aún más marcada. La tasa metabólica del buceador es independiente de la presión ambiental (es decir, la profundidad), por lo que la tasa de consumo de oxígeno no cambia con la profundidad. La producción de dióxido de carbono tampoco cambia, ya que también depende de la tasa metabólica. Esta es una diferencia marcada con el circuito abierto, donde la cantidad de gas consumido aumenta a medida que aumenta la profundidad, ya que la densidad del gas inhalado aumenta con la presión y el volumen de una respiración permanece casi invariable. [1]
Las inmersiones muy largas o profundas con equipos de buceo de circuito abierto pueden no ser factibles debido a que existen límites en la cantidad y el peso de los cilindros de buceo que el buceador puede llevar. La economía del consumo de gas de un rebreather también es útil cuando la mezcla de gases que se respira contiene gases costosos, como el helio . En un uso normal a una profundidad constante, solo se consume oxígeno: se pierden pequeños volúmenes de gases inertes durante cada inmersión, debido principalmente a la ventilación del gas a medida que se expande al ascender. Por ejemplo, un buceador con rebreather de circuito cerrado teóricamente no necesita consumir más gas diluyente después de alcanzar la profundidad total de la inmersión. Al ascender, no se agrega diluyente, pero la mayor parte del gas en el circuito se pierde a medida que se expande y se ventila. Por lo tanto, una cantidad muy pequeña de trimix podría durar muchas inmersiones. Es posible que un cilindro de diluyente de 3 litros ( capacidad nominal de 19 pies cúbicos ) dure ocho inmersiones de 40 m (130 pies). [1]
En comparación con el circuito abierto, los rebreathers tienen algunas desventajas, como el costo, la complejidad de operación y mantenimiento y más vías críticas de falla. Un rebreather que funciona mal puede suministrar una mezcla de gases que contiene muy poco oxígeno para sustentar la vida, demasiado oxígeno que puede causar convulsiones o puede permitir que el dióxido de carbono se acumule hasta niveles peligrosos. Algunos diseñadores de rebreathers intentan resolver estos problemas monitoreando el sistema con dispositivos electrónicos, sensores y sistemas de alarma. Estos son costosos y susceptibles a fallas, configuraciones incorrectas y uso indebido. [10]
El requisito de rescate del buceo con rebreather a veces puede requerir que un buceador con rebreather lleve casi tanto volumen de cilindros como un buceador de circuito abierto para que el buceador pueda completar las paradas de descompresión necesarias si el rebreather falla por completo. [11] Algunos buceadores con rebreather eligen no llevar suficiente rescate para un ascenso seguro respirando en circuito abierto, sino que confían en el rebreather, creyendo que una falla irrecuperable del rebreather es muy poco probable. Esta práctica se conoce como alpinismo o buceo alpinista y generalmente se desaconseja debido al riesgo extremadamente alto percibido de muerte si el rebreather falla. [12]
Una diferencia importante entre el buceo con rebreather y el buceo con escafandra autónoma de circuito abierto es el control preciso de la flotabilidad neutra. Cuando un buceador con escafandra autónoma de circuito abierto inhala, una cantidad de gas altamente comprimido de su cilindro se reduce en presión mediante un regulador y entra en los pulmones a un volumen mucho mayor que el que ocupaba en el cilindro. Esto significa que el buceador tiene una tendencia a elevarse ligeramente con cada inhalación y a hundirse ligeramente con cada exhalación. Esto no le sucede a un buceador con rebreather, porque el buceador está haciendo circular un volumen de gas aproximadamente constante entre sus pulmones y el contrapulmón. Esto no es específicamente una ventaja o desventaja, pero requiere algo de práctica para adaptarse a la diferencia. [5] [1]
Un rebreather funciona eliminando el dióxido de carbono del gas exhalado, reponiendo el oxígeno utilizado y proporcionando el gas reciclado a presión ambiente para que el buceador lo inhale. [1]
En el buceo con rebreather, la resistencia efectiva típica del depurador será de media hora a varias horas de respiración, dependiendo del tipo y tamaño del depurador, las características absorbentes, la temperatura y presión ambientales, la mecánica operativa del rebreather y la cantidad de dióxido de carbono producido por el buceador, que depende principalmente de su tasa de trabajo metabólico . [8]
Una necesidad básica de un rebreather es evitar que la presión parcial de oxígeno ( ) en la mezcla baje demasiado (provocando hipoxia ) o aumente demasiado (provocando toxicidad por oxígeno ). En los seres humanos, la necesidad de respirar normalmente se debe a un alto nivel de dióxido de carbono en la sangre, en lugar de a la falta de oxígeno. Si no se agrega suficiente oxígeno nuevo, la proporción de oxígeno en el circuito puede llegar a ser demasiado baja para mantener la conciencia y, finalmente, demasiado baja para mantener la vida. La hipoxia grave resultante causa un desmayo repentino con poca o ninguna advertencia. Esto hace que la hipoxia sea un peligro mortal para los buceadores con rebreather. [1]
El método utilizado para controlar el rango de presión parcial de oxígeno en el circuito de respiración depende del tipo de rebreather.
En un rebreather de oxígeno, una vez que el circuito se ha purgado completamente, la mezcla es efectivamente estática al 100% de oxígeno, y la presión parcial es una función únicamente de la profundidad. En algunos rebreathers de oxígeno tempranos, el buceador tenía que abrir y cerrar manualmente la válvula del cilindro de oxígeno para rellenar el contrapulmón cada vez que el volumen bajaba. En otros, se proporciona un pequeño flujo continuo de oxígeno mediante una válvula de restricción de flujo, pero el equipo también tiene una válvula de derivación manual para el descenso y cuando el consumo excede el suministro. En rebreathers de oxígeno más avanzados, la presión en el contrapulmón controla el flujo de oxígeno con una válvula de demanda que agregará gas cuando la bolsa esté vacía y la presión interna caiga por debajo de la ambiental.
En un rebreather semicerrado, la mezcla de bucle depende de una combinación de factores:
En los rebreathers de circuito cerrado controlados manualmente, el buzo controla la mezcla de gases y el volumen en el circuito inyectando manualmente oxígeno y gases diluyentes en el circuito y venteando el circuito. El circuito tiene una válvula de alivio de presión para evitar daños causados por la sobrepresión del circuito cuando la válvula de la boquilla está cerrada.
Los rebreathers de circuito cerrado controlados electrónicamente tienen sensores de oxígeno electrogalvánicos que monitorean la presión parcial de oxígeno y sistemas de control electrónico que inyectan más oxígeno para mantener el punto de ajuste y emiten una advertencia audible, visual o vibratoria al buzo si la presión parcial de oxígeno alcanza niveles peligrosamente altos o bajos. [1]
El volumen en el circuito de los SCR y CCR generalmente se mantiene mediante una válvula diluyente automática controlada por presión , que funciona con el mismo principio que una válvula de demanda, para agregar diluyente cuando la inhalación reduce la presión en el circuito durante el descenso o si el buceador elimina gas del circuito exhalando por la nariz. [1]
Un punto de ajuste (o set point) es un valor límite programado por el usuario o establecido en fábrica para la presión parcial deseada de oxígeno en un circuito de rebreather. La retroalimentación de la presión parcial de oxígeno real medida por los sensores de oxígeno se compara con los puntos de ajuste y, si se desvía fuera de los límites de los puntos de ajuste superior e inferior, el sistema de control activará una válvula solenoide para agregar oxígeno o gas diluyente al circuito para corregir el contenido de oxígeno hasta que vuelva a estar dentro de los límites del punto de ajuste. Por lo general, el usuario puede anular la adición de gas mediante la activación manual de las válvulas de inyección. [5] [1]
Algunos sistemas de control permiten cambiar los valores de ajuste en función de la profundidad, de modo que se puede seleccionar un par de valores de ajuste para la parte principal de la inmersión y otro par, normalmente más rico, para la descompresión acelerada por encima de la profundidad límite. El cambio es automático durante el ascenso, pero los valores de ajuste altos no se activan antes del ascenso, ya que generalmente no son deseables durante el descenso y la parte principal de la inmersión. [5] [1]
El punto de ajuste del sector profundo se elige para minimizar la obligación de descompresión y, al mismo tiempo, mantener un bajo riesgo de toxicidad por oxígeno durante la duración prevista de la inmersión. Se pueden utilizar valores que van desde alrededor de 1,4 bar para una inmersión corta hasta 1,0 bar para una inmersión muy larga, siendo de 1,2 a 1,3 bar un compromiso de uso general frecuente (consulte las tablas de rebreather de la Marina de los EE. UU.). El punto de ajuste de descompresión tiende a ser un poco más alto para acelerar la eliminación de gases inertes, manteniendo al mismo tiempo un bajo riesgo de toxicidad por oxígeno. Por lo general, se eligen valores entre 1,4 y 1,6 bar, según la duración prevista de la descompresión. [5] [1]
La duración del gas depende de la cantidad de gas disponible y del sistema de control de la inyección para mantener los puntos de ajuste de la presión parcial de oxígeno. Estos incluyen un flujo másico constante, control manual y control automatizado mediante la inyección de gas a través de una válvula solenoide. La inyección puede seguir el modelo "bang-bang", "on-off" o "histéresis", donde la válvula se activa y se inyecta gas hasta que alcanza el límite superior del punto de ajuste, se desactiva hasta que la presión parcial se reduce al límite inferior del punto de ajuste y se inicia de nuevo la inyección, o modelos más complejos como el control proporcional-integral-derivado (PID), en el que la tasa de inyección se controla teniendo en cuenta la tasa de uso actual y los cambios en la tasa de uso. La duración del gas puede verse afectada por el modelo de control utilizado. [8]
En los rebreathers de circuito cerrado, la mezcla de gases del circuito de respiración es conocida (100 % oxígeno) o bien es monitoreada y controlada dentro de límites establecidos, ya sea por el buceador o por el circuito de control, pero en el caso de los rebreathers semicerrados, donde la mezcla de gases depende de los ajustes previos a la inmersión y del esfuerzo del buceador, es necesario calcular el rango posible de composición de gases durante una inmersión. El cálculo depende del modo de adición de gas.
Un buceador con una carga de trabajo constante durante condiciones de trabajo aeróbico utilizará una cantidad aproximadamente constante de oxígeno como fracción del volumen respiratorio por minuto (RMV, o ). Esta relación entre la ventilación por minuto y el consumo de oxígeno es la relación de extracción , y normalmente se encuentra en el rango de 17 a 25 con un valor normal de alrededor de 20 para humanos sanos. Se han medido valores tan bajos como 10 y tan altos como 30. [13] Las variaciones pueden ser causadas por la dieta del buceador y el espacio muerto del buceador y el equipo, niveles elevados de dióxido de carbono o un mayor trabajo respiratorio y tolerancia al dióxido de carbono.
Por lo tanto, el volumen de gas en el circuito de respiración puede describirse como aproximadamente constante, y la adición de gas fresco debe equilibrar la suma del volumen vertido, el oxígeno eliminado metabólicamente y el cambio de volumen debido al cambio de profundidad. (el dióxido de carbono metabólico agregado a la mezcla es eliminado por el depurador y, por lo tanto, no afecta la ecuación)
La presión parcial de oxígeno en un sistema de flujo másico constante está controlada por el caudal de gas de alimentación a través del orificio y el consumo de oxígeno del buzo. En este caso, la tasa de descarga es igual a la tasa de alimentación menos el consumo de oxígeno.
El cambio en la fracción de oxígeno en el circuito respiratorio puede describirse mediante la siguiente ecuación: [14]
Dónde:
Esto nos lleva a la ecuación diferencial:
Con solución:
Que comprende un estado estacionario y un término transitorio.
El término de estado estable es suficiente para la mayoría de los cálculos:
La fracción de oxígeno en estado estacionario en el circuito respiratorio, , se puede calcular a partir de la fórmula: [14]
Dónde:
en un sistema consistente de unidades.
Como el consumo de oxígeno es una variable independiente, una velocidad de alimentación fija proporcionará un rango de posibles fracciones de oxígeno para cualquier profundidad dada. Por razones de seguridad, el rango se puede determinar calculando la fracción de oxígeno para el consumo máximo y mínimo de oxígeno, así como la velocidad esperada.
(sin compensación de profundidad, también conocido como escape de volumen variable (VVE) [15] )
La presión parcial de oxígeno en un sistema de adición pasiva se controla mediante la frecuencia respiratoria del buceador. El gas de alimentación se añade mediante una válvula que es equivalente a una válvula de demanda de circuito abierto en cuanto a su funcionamiento, que se abre para suministrar gas cuando el contrapulmón está vacío: la placa superior móvil del contrapulmón funciona como el diafragma de una válvula de demanda para operar la palanca que abre la válvula cuando el volumen del contrapulmón es bajo. El volumen puede ser bajo porque el fuelle interno ha descargado una parte de la respiración anterior al medio ambiente, o porque un aumento de profundidad ha provocado que el contenido se comprima, o una combinación de estas causas. El oxígeno utilizado por el buceador también disminuye lentamente el volumen de gas en el circuito.
El cambio en la fracción de oxígeno en el sistema puede describirse mediante la siguiente ecuación: [16]
Dónde:
Esto nos lleva a la ecuación diferencial:
Con solución:
Que comprende un estado estacionario y un término transitorio.
El término de estado estable es suficiente para la mayoría de los cálculos:
La fracción de oxígeno en estado estacionario en el circuito respiratorio, , se puede calcular a partir de la fórmula: [16]
Dónde:
en un sistema consistente de unidades.
El volumen de gas expulsado está relacionado con el volumen minuto espirado y la presión ambiente :
Dónde:
Por sustitución:
Que puede insertarse en la ecuación de estado estable para obtener:
Lo cual se simplifica a:
En este caso, el consumo de oxígeno y la velocidad de alimentación están fuertemente relacionados, y la concentración de oxígeno en el circuito es independiente de la absorción de oxígeno y es probable que permanezca dentro de tolerancias bastante estrechas del valor calculado para una profundidad determinada.
La fracción de oxígeno del gas en el circuito se aproximará más al gas de alimentación para lograr una mayor profundidad.
La derivación anterior no tiene en cuenta la diferencia de temperatura entre el contenido pulmonar a 37 °C y el circuito respiratorio, que normalmente estará a una temperatura más baja. El RMV se expresa en litros por minuto a temperatura corporal y presión ambiente, el consumo de oxígeno en litros estándar por minuto (STP) y el volumen total de los pulmones y el circuito respiratorio en litros reales. [15] Esto se puede corregir utilizando la ecuación de estado general de los gases para proporcionar valores para estas variables a la temperatura del gas en el circuito. El efecto de las correcciones de temperatura es generalmente un valor ligeramente inferior para la fracción de oxígeno del gas del circuito. [17]
La MOD para un rebreather de gas mixto de circuito cerrado se basa generalmente en la MOD del diluyente, ya que es la mezcla más pobre que se puede garantizar. Después de una purga de diluyente, el gas debe ser respirable y esto limita la MOD, pero es posible utilizar más de una opción para el diluyente y cambiar el gas a una mezcla hipóxica para el sector más profundo de una inmersión y una mezcla normóxica para los sectores menos profundos.
Los cálculos de MOD para los SCR se basan generalmente en la MOD para el gas de suministro de máxima potencia, ya que esto puede utilizarse para el rescate a la profundidad de inmersión planificada completa y es la estimación del peor caso para la toxicidad del gas de bucle. Los cálculos de MOD también se pueden realizar para el gas de bucle tal como se calcula, pero esto está sujeto a variaciones que no siempre son predecibles con precisión. Los valores calculados de gas de bucle para sistemas de adición pasiva podrían posiblemente usarse para el cálculo de MOD de trabajo y el gas de suministro para MOD de emergencia dada la fracción de bucle relativamente estable en los sistemas de adición pasiva; sin embargo, la concentración de gas de bucle puede estar más cerca de la máxima potencia si el buceador trabaja duro y la ventilación aumenta más allá de la relación de extracción lineal.
El principio general de seguridad en el buceo, según el cual el buceador debe ser capaz de hacer frente a cualquier fallo del equipo que suponga una amenaza inmediata para la vida sin ayuda externa, se aplica también al buceo con rebreather. Si la recuperación de un fallo deja al buceador en una posición comprometida en la que existe un alto riesgo de que se produzca un modo de fallo puntual que ya no pueda controlar, la inmersión debe darse por finalizada. [ cita requerida ]
Los rebreathers tienen un riesgo intrínsecamente mayor de falla mecánica o eléctrica debido a su complejidad estructural y funcional, pero esto se puede mitigar con un buen diseño que proporcione redundancia de elementos críticos y llevando suficientes suministros de gas respirable alternativo para emergencias, incluida la descompresión requerida en caso de falla. El diseño tolerante a fallas , los diseños que minimizan el riesgo de errores de interfaz hombre-máquina y la capacitación adecuada en procedimientos que abordan esta área pueden ayudar a reducir la tasa de mortalidad. [18] [19]
Algunos problemas de seguridad en el buceo con rebreather pueden solucionarse mediante formación, mientras que otros pueden requerir un cambio en la cultura de seguridad técnica del buceador. Un problema de seguridad importante es que muchos buceadores se vuelven complacientes a medida que se familiarizan más con el equipo y comienzan a descuidar las listas de verificación previas a la inmersión mientras ensamblan y preparan el equipo para su uso, procedimientos que forman parte oficialmente de todos los programas de formación en rebreather. También puede haber una tendencia a descuidar el mantenimiento posterior a la inmersión, y algunos buceadores bucearán sabiendo que hay problemas funcionales con la unidad, porque saben que generalmente hay redundancia diseñada en el sistema. Esta redundancia tiene como objetivo permitir una finalización segura de la inmersión si ocurre bajo el agua, eliminando un punto de falla crítico. Bucear con una unidad que ya tiene una falla, significa que hay un solo punto crítico de falla en esa unidad, lo que podría causar una emergencia potencialmente mortal si otro elemento en la ruta crítica fallara. El riesgo puede aumentar en órdenes de magnitud. [20]
Además del riesgo de otros trastornos del buceo a los que están expuestos los buceadores de circuito abierto, los buceadores con rebreather también están más expuestos a peligros que están directamente relacionados con la eficacia y la fiabilidad del diseño y la construcción de rebreathers genéricos y específicos, no necesariamente con los principios de la rebreather:
Cada tipo de rebreather tiene limitaciones en cuanto al rango operativo seguro y peligros específicos inherentes al método de operación, que afectan el rango operativo y los procedimientos operativos.
Los rebreathers de oxígeno son simples y confiables debido a su simplicidad. La mezcla de gases es conocida y confiable siempre que el circuito se purgue adecuadamente al comienzo de una inmersión y se use el gas correcto. Hay pocas cosas que puedan fallar con el funcionamiento, aparte de inundaciones, fugas, quedarse sin gas y rotura del depurador, todas las cuales son obvias para el usuario, y no hay riesgo de enfermedad por descompresión, por lo que el ascenso libre de emergencia a la superficie siempre es una opción en aguas abiertas. La limitación crítica del rebreather de oxígeno es el límite de profundidad máxima operativa muy bajo , debido a consideraciones de toxicidad del oxígeno . [25]
Los SCR de adición activa varían en complejidad, pero todos funcionan con un circuito de respiración que normalmente está cerca del límite superior de su capacidad. Por lo tanto, si el sistema de adición de gas falla, el volumen de gas en el circuito generalmente seguirá siendo suficiente para no advertir al buceador de que el oxígeno se está agotando y el riesgo de hipoxia es relativamente alto.
La adición de un flujo másico constante proporciona al circuito un gas adicional que es independiente de la profundidad y del consumo metabólico de oxígeno. Si no se tiene en cuenta la adición para compensar los aumentos de profundidad, la resistencia de la unidad es básicamente fija para una combinación dada de orificio y gas de suministro. Sin embargo, la presión parcial de oxígeno variará según los requisitos metabólicos y, por lo general, esto solo es predecible dentro de ciertos límites. La composición incierta del gas significa que, por lo general, se realizan estimaciones del peor caso posible tanto para la profundidad operativa máxima como para las consideraciones de descompresión. A menos que el gas sea monitoreado en tiempo real por una computadora de descompresión con un sensor de oxígeno, estos rebreathers tienen un rango de profundidad segura más pequeño que el circuito abierto con el mismo gas y son una desventaja para la descompresión.
Un riesgo específico del sistema de medición de gas es que si el orificio está parcial o totalmente bloqueado, el gas en el circuito se quedará sin oxígeno sin que el buceador se dé cuenta del problema. Esto puede provocar hipoxia y pérdida de conocimiento sin previo aviso. Esto se puede mitigar controlando la presión parcial en tiempo real mediante un sensor de oxígeno, pero esto aumenta la complejidad y el costo del equipo.
El principio de funcionamiento es añadir una masa de oxígeno proporcional al volumen de ventilación. La adición de gas fresco se realiza controlando la presión en una cámara de dosificación proporcional al volumen del fuelle del contrapulmón. La cámara de dosificación se llena con gas fresco a una presión proporcional al volumen del fuelle, con la presión más alta cuando el fuelle está en la posición vacía. Cuando el fuelle se llena durante la exhalación, el gas se libera desde la cámara de dosificación al circuito respiratorio, proporcional al volumen en el fuelle durante la exhalación, y se libera por completo cuando el fuelle está lleno. El exceso de gas se vierte al medio ambiente a través de la válvula de sobrepresión después de que el fuelle está lleno.
No existe una dependencia de la dosis en la profundidad o el consumo de oxígeno. La relación de la dosis es constante una vez que se ha seleccionado el gas, y las variaciones restantes en la fracción de oxígeno se deben a las variaciones en la relación de extracción. Este sistema proporciona una fracción de oxígeno bastante estable que es una aproximación razonable del circuito abierto para fines de descompresión y profundidad operativa máxima.
Si el suministro de gas al mecanismo de dosificación fallara sin previo aviso, la adición de gas se detendría y el buceador consumiría el oxígeno del gas de circuito cerrado hasta que se volvería hipóxico y perdería el conocimiento. Para evitar esto, se necesita un sistema que advierta al buceador que hay una falla en el suministro de gas de alimentación, por lo que debe tomar las medidas adecuadas. Esto se puede hacer mediante métodos puramente mecánicos.
La adición pasiva se basa en la inhalación por parte del buceador para activar la adición de gas cuando el volumen de gas en el circuito de respiración es bajo. Esto le proporcionará una advertencia al buceador si el sistema de adición deja de funcionar por cualquier motivo, ya que el sistema de descarga continuará vaciando el circuito y el buceador tendrá un volumen de gas decreciente para respirar. Esto generalmente proporcionará una advertencia adecuada antes de que sea probable que se produzca hipoxia.
Un mecanismo de adición de gas controlado por contrapulmón con fuelle concéntrico se basa en la contracción completa del contrapulmón para inyectar gas fresco. Esto funciona bien para mantener el volumen del circuito durante el descenso, pero puede no ser eficaz durante el ascenso si la expansión del gas en el circuito debido a la reducción de la presión ambiental es lo suficientemente rápida como para evitar que el fuelle active suficientemente la válvula de adición. Este efecto se puede contrarrestar con un ascenso lo suficientemente lento o pausas frecuentes durante el ascenso para permitir la inhalación a una profundidad constante. La gravedad del riesgo también depende de la fracción de oxígeno del gas de suministro y de la relación del fuelle.
La extensión de gas para el SCR de adición pasiva sin compensación de profundidad es directamente proporcional a la relación de fuelle, la proporción de gas que se descarga durante cada ciclo de respiración. Una relación pequeña significa que la cantidad de gas que se agrega en cada ciclo es pequeña y el gas se vuelve a respirar más veces, pero también significa que se elimina más oxígeno de la mezcla de gases del circuito y, a poca profundidad, el déficit de oxígeno en comparación con la concentración de gas de suministro es grande. Una relación de fuelle grande agrega una mayor proporción del volumen de respiración como gas fresco y esto mantiene la mezcla de gases más cerca de la composición de suministro a poca profundidad, pero consume el gas más rápido.
El mecanismo es mecánicamente simple y confiable, y no es sensible al bloqueo por partículas pequeñas. Es más probable que tenga fugas que que se bloquee, lo que consumiría gas más rápido, pero no comprometería la seguridad de la mezcla de gases. La fracción de oxígeno del gas de circuito es considerablemente menor que la del gas de suministro en aguas poco profundas, y solo ligeramente menor a mayores profundidades, por lo que el rango de profundidad seguro para un gas de suministro dado es menor que para el circuito abierto, y la variación en la concentración de oxígeno también es desventajosa para la descompresión. El cambio de gas puede compensar esta limitación a expensas de la complejidad de la construcción y el funcionamiento. La capacidad de cambiar al circuito abierto en profundidades poco profundas es una opción que puede compensar la reducción del contenido de oxígeno a esas profundidades, a expensas de la complejidad operativa y el gran aumento del uso de gas mientras se está en circuito abierto. Esto puede considerarse un problema relativamente menor si se considera el requisito de gas de rescate. El buzo llevará el gas de todos modos, y usarlo para la descompresión al final de una inmersión no aumenta el requisito de volumen para la planificación de la inmersión.
La fracción de oxígeno del circuito depende en gran medida de una suposición precisa de la tasa de extracción. Si se elige incorrectamente, la fracción de oxígeno puede diferir significativamente del valor calculado. Hay muy poca información disponible sobre la variación de la tasa de extracción en referencias de fácil acceso.
La extensión de gas para el rebreather de adición pasiva con compensación de profundidad es aproximadamente proporcional al uso metabólico. El volumen de gas descargado por el sistema es, para una profundidad dada, una fracción fija del volumen respirado por el buceador, como en el caso del sistema sin compensación de profundidad. Sin embargo, esta relación cambia en proporción inversa a la presión ambiental: la relación de fuelle es mayor en la superficie y disminuye con la profundidad. El efecto es que se descarga una cantidad de gas de proporción de masa razonablemente constante con el uso de oxígeno, y la misma cantidad, en promedio, es suministrada por la válvula de adición, para completar el volumen del circuito en estado estable. Esto es muy similar al SCR controlado por demanda que se aplica a la fracción de oxígeno del gas del circuito, que permanece casi constante en todas las profundidades donde la compensación es lineal y para niveles aeróbicos de ejercicio. Las limitaciones de este sistema parecen estar principalmente en la complejidad mecánica, el volumen y la masa del equipo. La linealidad de la compensación de profundidad está limitada por consideraciones estructurales y, por debajo de cierta profundidad, la compensación será menos efectiva y finalmente se disipará. Sin embargo, esto no tiene un gran efecto en la fracción de oxígeno, ya que los cambios a esas profundidades ya son pequeños. Las concentraciones ligeramente más altas en este caso están un poco más cerca del valor del gas de suministro que si la compensación todavía fuera efectiva. El PASCR compensado en profundidad puede proporcionar gas respirable casi idéntico al circuito abierto en un amplio rango de profundidades, con una fracción de oxígeno pequeña y casi constante en el gas respirable, eliminando una limitación importante del sistema no compensado a expensas de la complejidad mecánica.
El rebreather de circuito cerrado de gas mixto puede proporcionar una mezcla de gases optimizada para cualquier profundidad y duración determinadas, y lo hace con gran precisión y eficiencia en el uso del gas hasta que falla, y existen varias formas en que puede fallar. Muchos de los modos de falla no son fácilmente identificados por el buzo sin el uso de sensores y alarmas, y varios modos de falla pueden reducir la mezcla de gases a una inadecuada para soportar la vida. Este problema se puede manejar monitoreando el estado del sistema y tomando las medidas adecuadas cuando se desvía del estado deseado. La composición del gas del circuito es inherentemente inestable, por lo que se requiere un sistema de control con retroalimentación. La presión parcial de oxígeno, que es la característica que se debe controlar, debe medirse y el valor debe proporcionarse al sistema de control para que tome medidas correctivas. El sistema de control puede ser el buzo o un circuito electrónico. Los sensores de medición son susceptibles de fallar por varias razones, por lo que se requiere más de uno, de modo que si uno falla sin previo aviso, el buzo puede usar el otro u otros para realizar una terminación controlada de la inmersión. [5] [1]
El rebreather de circuito cerrado controlado manualmente (MCCCR o MCCR) depende de la atención, el conocimiento y la habilidad del buzo para mantener la mezcla de gases en la composición deseada. Se basa en sensores electroquímicos e instrumentos de monitoreo electrónico para proporcionar al buzo la información necesaria para tomar las decisiones necesarias y tomar las medidas correctas para controlar la mezcla de gases. El buzo debe estar al tanto del estado del sistema en todo momento, lo que aumenta la carga de trabajo, pero junto con la experiencia, el buzo desarrolla y conserva las habilidades de mantener la mezcla dentro de los límites planificados y está bien equipado para manejar fallas menores. El buzo sigue siendo consciente de la necesidad de verificar constantemente el estado del equipo, ya que esto es necesario para mantenerse con vida.
El rebreather de circuito cerrado controlado electrónicamente (ECCCR o ECCR) utiliza circuitos electrónicos para monitorear el estado del gas de circuito cerrado en tiempo real y realizar ajustes para mantenerlo dentro de tolerancias estrechas. Generalmente es muy eficaz en esta función hasta que algo sale mal. Cuando algo sale mal, el sistema debe notificar al buceador sobre la falla para que se puedan tomar las medidas adecuadas. Pueden ocurrir dos fallas críticas que el buceador puede no notar.
Un problema insidioso con el fallo del sensor de oxígeno es cuando un sensor indica una presión parcial de oxígeno baja que en realidad no es baja, sino una falla del sensor. Si el buzo o el sistema de control responden a esto agregando oxígeno, se puede generar un gas hiperóxico que puede provocar convulsiones. Para evitar esto, se instalan múltiples sensores en los ECCCR, de modo que el fallo de una sola celda no tenga consecuencias fatales. Se utilizan tres o cuatro celdas para los sistemas que utilizan lógica de votación. [19] [5]
Un circuito de control puede fallar de maneras complejas. Si no se realizan pruebas exhaustivas de los modos de falla, el usuario no puede saber qué podría suceder si el circuito falla, y algunas fallas pueden producir consecuencias inesperadas. Una falla que no alerta al usuario sobre el problema correcto puede tener consecuencias fatales. [19]
Los sistemas de alarma ECCCR pueden incluir pantallas intermitentes en los teléfonos, LED intermitentes en las pantallas de visualización frontal , alarmas audibles y alarmas vibratorias. [19] [5] [1]
Varios modos de falla son comunes a la mayoría de los tipos de rebreather de buceo, y otros pueden ocurrir solo cuando se utiliza la tecnología específica en el rebreather.
Hay varias formas en que el depurador puede fallar o volverse menos eficiente:
Consecuencias: La falta de eliminación del dióxido de carbono del gas respirable da como resultado una acumulación de dióxido de carbono que conduce a la hipercapnia . Esto puede ocurrir gradualmente, durante varios minutos, con suficiente aviso para que el buceador salga del agua, o puede suceder en segundos, a menudo asociado con un aumento repentino de la profundidad que aumenta proporcionalmente la presión parcial del dióxido de carbono, y cuando esto sucede, la aparición de los síntomas puede ser tan repentina y extrema que el buceador no puede controlar su respiración lo suficiente como para cerrar y quitar la DSV y cambiarla por un regulador de rescate. Este problema se puede mitigar utilizando una válvula de rescate incorporada en la boquilla del rebreather que permite cambiar entre el circuito abierto y el de bucle sin tener que quitar la boquilla. [26]
Prevención:
Mitigación: El procedimiento adecuado en caso de rotura o cualquier otro fallo del depurador es el rescate, ya que no hay nada que se pueda hacer para corregir el problema bajo el agua. La rotura del depurador produce toxicidad por dióxido de carbono (hipercapnia), que generalmente produce síntomas de una necesidad intensa, incluso desesperada, de respirar. Si el buceador no sale a un gas respirable con bajo contenido de dióxido de carbono con bastante rapidez, la necesidad de respirar puede impedir que se quite la boquilla incluso durante el breve tiempo necesario para hacer el cambio. Una válvula de rescate integrada en la válvula de buceo/superficie o conectada a la máscara facial completa reduce esta dificultad. [5]
El control de la presión parcial de oxígeno en el circuito respiratorio se realiza generalmente mediante celdas electroquímicas, que son sensibles al agua en la celda y en el circuito. También están sujetas a fallas graduales debido al uso de los materiales reactivos y pueden perder sensibilidad en condiciones de frío. Cualquiera de los modos de falla puede generar lecturas inexactas, sin ninguna advertencia obvia. Las celdas deben probarse a la presión parcial de oxígeno más alta disponible y deben reemplazarse después de un período de uso y una vida útil recomendados por el fabricante.
Prevención: El uso de varios sensores de oxígeno con circuitos independientes reduce el riesgo de perder información sobre la presión parcial de oxígeno. Un CCR controlado electrónicamente generalmente utiliza un mínimo de tres monitores de oxígeno para garantizar que, si uno falla, podrá identificar la celda que falló con una fiabilidad razonable. El uso de celdas de sensores de oxígeno con diferentes edades o historiales reduce el riesgo de que todas fallen al mismo tiempo, y es probable que probar las celdas antes de una inmersión con una presión parcial de oxígeno superior al valor de alarma identifique las celdas que están a punto de fallar. [5]
Mitigación: Si el monitoreo de oxígeno falla, el buceador no puede estar seguro de que el contenido de un rebreather CCR de gas mixto mantendrá la conciencia. El rescate es la única opción segura. [5] El monitoreo de oxígeno es generalmente una función opcional en un SCR, pero puede ser parte de los cálculos de descompresión en tiempo real. La acción apropiada dependerá de las circunstancias, pero este no es un evento que ponga en peligro la vida de inmediato.
Si se utiliza más de una celda de sensor de oxígeno estadísticamente independiente, es poco probable que más de una falle a la vez. Si se supone que solo fallará una celda, entonces es probable que al comparar tres o más salidas que se hayan calibrado en dos puntos se detecte la celda que falló, suponiendo que dos celdas cualesquiera que produzcan la misma salida son correctas y la que produce una salida diferente es defectuosa. Esta suposición suele ser correcta en la práctica, en particular si hay alguna diferencia en el historial de las celdas involucradas. [30] El concepto de comparar la salida de tres celdas en el mismo lugar del circuito y controlar la mezcla de gases en función de la salida promedio de las dos con la salida más similar en un momento dado se conoce como lógica de votación y es más confiable que el control basado en una sola celda. Si la salida de la tercera celda se desvía lo suficiente de las otras dos, una alarma indica una falla probable de la celda. Si esto ocurre antes de la inmersión, el rebreather se considera inseguro y no debe usarse. Si ocurre durante una inmersión, indica un sistema de control poco confiable y la inmersión debe abortarse. Continuar una inmersión utilizando un rebreather con una alarma de celda averiada aumenta significativamente el riesgo de una falla fatal del control del circuito. Este sistema no es totalmente confiable. Se ha informado al menos de un caso en el que dos celdas fallaron de manera similar y el sistema de control descartó la celda restante que funcionaba bien. [31]
Si la probabilidad de falla de cada celda fuera estadísticamente independiente de las demás, y cada celda por sí sola fuera suficiente para permitir el funcionamiento seguro del rebreather, el uso de tres celdas completamente redundantes en paralelo reduciría el riesgo de falla en cinco o seis órdenes de magnitud. [31]
La lógica de votación cambia esto considerablemente. Para que la unidad funcione de manera segura no debe fallar la mayoría de las celdas. Para decidir si una celda está funcionando correctamente, debe compararse con una salida esperada. Esto se hace comparándola con las salidas de otras celdas. En el caso de dos celdas, si las salidas difieren, entonces al menos una debe estar equivocada, pero no se sabe cuál. En tal caso, el buceador debe asumir que la unidad no es segura y saltar al circuito abierto. Con tres celdas, si todas difieren dentro de una tolerancia aceptada, todas pueden considerarse funcionales. Si dos difieren dentro de la tolerancia y la tercera no, las dos que están dentro de la tolerancia pueden considerarse funcionales y la tercera defectuosa. Si ninguna está dentro de la tolerancia de las demás, todas pueden estar defectuosas, y si una no lo está, no hay forma de identificarla. [31]
Con esta lógica, la mejora en la confiabilidad obtenida con el uso de la lógica de votación, donde al menos dos sensores deben funcionar para que el sistema funcione, se reduce considerablemente en comparación con la versión completamente redundante. Las mejoras son solo del orden de uno a dos órdenes de magnitud. Esto sería una gran mejora con respecto al sensor único, pero el análisis anterior ha asumido la independencia estadística del fallo de los sensores, lo que generalmente no es realista. [31]
Los factores que hacen que las salidas celulares en un rebreather sean estadísticamente dependientes incluyen: [31]
Esta dependencia estadística se puede minimizar y mitigar mediante: [31]
Un método alternativo para proporcionar redundancia en el sistema de control es recalibrar los sensores periódicamente durante la inmersión exponiéndolos a un flujo de diluyente u oxígeno o ambos en diferentes momentos, y utilizando la salida para verificar si la celda está reaccionando apropiadamente al gas conocido a la profundidad conocida. Este método tiene la ventaja adicional de permitir la calibración a una presión parcial de oxígeno mayor que 1 bar. [31] Este procedimiento puede realizarse automáticamente, cuando el sistema ha sido diseñado para hacerlo, o el buceador puede realizar manualmente una descarga de diluyente a cualquier profundidad a la que el diluyente sea respirable para comparar las lecturas de la celda con una presión conocida y absoluta para verificar los valores mostrados. Esta prueba no solo valida la celda. Si el sensor no muestra el valor esperado, es posible que el sensor de oxígeno, el sensor de presión (profundidad) o la mezcla de gases , o cualquier combinación de estos, puedan estar defectuosos. Como estos tres posibles fallos podrían poner en peligro la vida, la prueba es bastante potente. [31]
Si falla el circuito de control de la inyección de oxígeno, el modo habitual de falla es que se cierren las válvulas de inyección de oxígeno. A menos que se tomen medidas, el gas respirable se volverá hipóxico con consecuencias potencialmente fatales. Un modo alternativo de falla es cuando las válvulas de inyección se mantienen abiertas, lo que da como resultado una mezcla de gases cada vez más hiperóxica en el circuito, lo que puede representar el peligro de toxicidad por oxígeno .
Prevención: Existen dos enfoques básicos posibles: se puede utilizar un sistema de control independiente redundante o se puede aceptar el riesgo de que falle el sistema único y el buzo asume la responsabilidad del control manual de la mezcla de gases en caso de que falle.
Mitigación: La mayoría (posiblemente todos) de los CCR controlados electrónicamente tienen un control manual de la inyección. Si la inyección electrónica falla, el usuario puede tomar el control manual de la mezcla de gases, siempre que el control de oxígeno siga funcionando de manera confiable. Por lo general, se proporcionan alarmas para advertir al buzo de la falla.
La resistencia respiratoria de un circuito puede más que triplicarse si el material del depurador se inunda. [32] La absorción de dióxido de carbono por el depurador requiere una cierta cantidad de humedad para la reacción, pero un exceso degradará la absorción y puede conducir a una aceleración de la penetración.
Prevención: Las comprobaciones de fugas previas a la inmersión y un montaje cuidadoso son la clave para evitar fugas a través de las conexiones y detectar daños. La prueba de presión negativa es la más importante para este fin. Esta prueba requiere que el circuito de respiración mantenga una presión ligeramente inferior a la ambiental durante unos minutos para indicar que los sellos evitarán fugas en el circuito. El cuidado al utilizar la válvula de buceo/superficie evitará que se inunde la boquilla. Esta válvula siempre debe estar cerrada cuando la boquilla esté fuera de la boca bajo el agua.
Mitigación: El buceador generalmente se dará cuenta de la inundación por el aumento de la resistencia respiratoria, el ruido del agua o la acumulación de dióxido de carbono y, a veces, por la pérdida de flotabilidad. Un cóctel cáustico suele ser una señal de una inundación bastante extensa y solo es probable si hay muchas partículas pequeñas en el material del depurador o si se utiliza un material absorbente relativamente soluble. Algunos rebreathers tienen trampas de agua para evitar que el agua que entra por la boquilla llegue hasta el depurador y, en algunos casos, existen mecanismos para eliminar el agua del circuito mientras se bucea. Algunos depuradores prácticamente no se ven afectados por el agua, ya sea debido al tipo de medio absorbente o debido a una membrana protectora. [ cita requerida ] Si todo lo demás falla y el circuito se inunda más allá de su funcionalidad segura, el buceador puede salir para abrir el circuito.
Un rebreather bien ensamblado y en buenas condiciones no debe tener fugas de gas del circuito de respiración hacia el medio ambiente, excepto las requeridas por consideraciones funcionales, como la ventilación durante el ascenso o para compensar o controlar la adición de gas en un rebreather semicerrado. [5]
Prevención: La preparación previa al uso del rebreather incluye la comprobación de los sellos y la verificación de fugas posterior al ensamblaje. La prueba de presión positiva verifica que la unidad ensamblada pueda mantener una leve presión positiva interna durante un período breve, lo que es una indicación de que no se produce una fuga de gas fuera del circuito. La inspección y el reemplazo de los componentes blandos deben detectar daños antes de que fallen. [5]
Mitigación: Una pequeña fuga de gas no es en sí misma un problema grave, pero suele ser una señal de daño o de un montaje incorrecto que puede convertirse más tarde en un problema más grave. Los manuales de funcionamiento del fabricante suelen exigir al usuario que identifique la causa de cualquier fuga y la rectifique antes de utilizar el equipo. El equipo de buceo evaluará la causa y el riesgo de las fugas que se produzcan durante una inmersión, pero no suele haber mucho que se pueda hacer al respecto en el agua. Se pueden tolerar fugas menores o se puede cambiar la inmersión, según la gravedad y las circunstancias de la inmersión. Una fuga importante puede requerir un rescate. [5]
Un bloqueo en el orificio de flujo másico constante es una de las fallas más peligrosas de este tipo de rebreather semicerrado, ya que restringirá el suministro de gas de alimentación y puede generar un gas de bucle hipóxico con un alto riesgo de que el buzo pierda el conocimiento y se ahogue o sufra asfixia seca.
Prevención: La inspección y prueba de flujo del orificio CMF antes de cada inmersión o en cada día de inmersión garantizará que el orificio no se obstruya por corrosión, y un microfiltro ascendente para atrapar partículas lo suficientemente grandes como para bloquear el orificio reducirá en gran medida el riesgo de bloqueo durante una inmersión por materia extraña en el suministro de gas. [ cita requerida ] Algunos rebreathers utilizan dos orificios, ya que esto generalmente garantizará que al menos uno permanezca funcional y es menos probable que el gas se vuelva fatalmente hipóxico. [ cita requerida ]
Mitigación: Si se monitorea el contenido de oxígeno y el buzo identifica un problema con el suministro de gas de alimentación, es posible agregar gas manualmente o inducir la activación de la válvula de diluyente automática exhalando al ambiente a través de la nariz y, de ese modo, reduciendo artificialmente el volumen de gas en el circuito. La adición forzada de gas aumentará el contenido de oxígeno, pero la inmersión debe terminarse ya que este problema no se puede corregir durante la inmersión. Este peligro es el argumento más sólido para el monitoreo de la presión parcial de oxígeno en un SCR CMF. [ cita requerida ] .
El porcentaje de muertes que involucran el uso de un rebreather entre residentes de Estados Unidos y Canadá aumentó de aproximadamente 1 a 5% del total de muertes por buceo recopiladas por Divers Alert Network desde 1998 hasta 2004. [33] Las investigaciones sobre muertes por rebreather se centran en tres áreas principales: médica, de equipo y de procedimiento. [33]
Divers Alert Network (DAN) informa de que se producen entre 80 y 100 accidentes mortales por cada 500.000 a 1 millón de buceadores activos en los EE. UU., por año. Las tasas de accidentes en circuito abierto de British Sub-Aqua Club (BSAC) y DAN son muy similares, aunque las inmersiones de BSAC tienen una mayor proporción de inmersiones profundas y con descompresión.
Un análisis de 164 accidentes fatales con rebreathers documentados desde 1994 hasta febrero de 2010 por Deeplife, informa una tasa de accidentes fatales de uno en 243 por año, utilizando una suposición conservadora de crecimiento lineal del uso de rebreathers y un promedio de alrededor de 2500 participantes activos durante ese tiempo. Esta es una tasa de accidentes fatales más de 100 veces mayor que la del buceo con circuito abierto. Las estadísticas indican que la elección del equipo tiene un efecto dramático en la seguridad del buceo. [34]
Un análisis posterior de estas muertes por rebreather [35] encontró imprecisiones significativas en los datos originales. La revisión muestra que el riesgo de muerte al bucear con un rebreather es del orden de 5,33 muertes por cada 100.000 inmersiones, aproximadamente 10 veces el riesgo de bucear con circuito abierto o montar a caballo, cinco veces el riesgo de paracaidismo o ala delta, pero una octava parte del riesgo de salto base. No se encontraron diferencias significativas al comparar los MCCR con los ECCR o entre marcas de rebreather desde 2005, pero no se dispone de información precisa sobre el número de buceadores activos con rebreather y el número de unidades vendidas por cada fabricante. La encuesta también concluyó que gran parte del aumento de la mortalidad asociada con el uso de CCR puede estar relacionado con el uso a una profundidad mayor que la media para el buceo recreativo y con el comportamiento de alto riesgo de los usuarios, y que la mayor complejidad de los CCR los hace más propensos a fallas del equipo que el equipo OC. [35]
La norma EN 14143 (2009) (Equipos respiratorios – Aparatos de buceo autónomos con rebreather [Autoridad: La Unión Europea según la Directiva 89/686/EEC]) exige que los fabricantes realicen un análisis de modo de falla, efectos y criticidad (FMECA), pero no existe ningún requisito de publicar los resultados, por lo que la mayoría de los fabricantes mantienen su informe de FMECA confidencial. La norma EN 14143 también exige el cumplimiento de la norma EN 61508. Según el informe Deep Life, la mayoría de los fabricantes de rebreathers no implementan esto, con las siguientes implicaciones: [34]
El análisis de los árboles de probabilidad de fallos en los sistemas de buceo en circuito abierto muestra que el uso de un sistema paralelo o redundante reduce el riesgo considerablemente más que mejorar la fiabilidad de los componentes en un único sistema crítico. [36] Estas técnicas de modelado de riesgos se aplicaron a los CCR y mostraron un riesgo de fallo del equipo unas 23 veces superior al de un circuito abierto con dos cilindros y colector. [35] Cuando se dispone de un suministro de gas respirable redundante suficiente en forma de circuito abierto, el riesgo de fallo mecánico de la combinación se vuelve comparable al del circuito abierto. Esto no compensa el mantenimiento deficiente y los controles previos a la inmersión inadecuados, el comportamiento de alto riesgo o la respuesta incorrecta a los fallos. El error humano parece ser un importante contribuyente a los accidentes. [35]
No existen estadísticas formales sobre las tasas de fallas de los sistemas electrónicos submarinos, pero es probable que el error humano sea más frecuente que la tasa de errores de los ordenadores de buceo electrónicos, que son el componente básico de la electrónica de control de los rebreathers, que procesan información de múltiples fuentes y tienen un algoritmo para controlar el solenoide de inyección de oxígeno. El paquete sellado de ordenadores de buceo ha existido durante el tiempo suficiente para que los modelos de mejor calidad se hayan vuelto confiables y robustos en diseño y construcción. [19]
Un rebreather controlado electrónicamente es un sistema complejo. La unidad de control recibe información de varios sensores, evalúa los datos, calcula la siguiente acción o acciones apropiadas, actualiza el estado del sistema y las muestra, y realiza las acciones, en algunos casos utilizando retroalimentación en tiempo real para adaptar la señal de control. [19] Las entradas incluyen uno o más sensores de presión, oxígeno y temperatura, un reloj y posiblemente sensores de helio y dióxido de carbono. También hay una fuente de alimentación de batería y una interfaz de usuario en forma de pantalla visual, y posiblemente alarmas de audio y vibración. [19]
En un sistema de control de la temperatura mínima, el sistema es muy vulnerable. Una falla crítica puede requerir procedimientos manuales para la recuperación de la falla o la necesidad de recurrir a un suministro de gas respirable alternativo. Algunas fallas pueden tener consecuencias fatales si no se detectan y se manejan rápidamente. Las fallas críticas incluyen la fuente de alimentación, el sensor de oxígeno no redundante, el solenoide o la unidad de control. [19]
Los componentes mecánicos son relativamente robustos y fiables y tienden a degradarse de forma no catastrófica, además de ser voluminosos y pesados, por lo que los sensores electrónicos y los sistemas de control han sido los componentes en los que generalmente se ha buscado una mejor tolerancia a fallos . Los fallos de las células de oxígeno han sido un problema particular, con consecuencias previsiblemente graves, por lo que el uso de redundancia múltiple en el control de la presión parcial de oxígeno ha sido un área importante de desarrollo para mejorar la fiabilidad. Un problema en este sentido es el coste y la vida útil relativamente corta de los sensores de oxígeno, junto con su fallo relativamente impredecible y su sensibilidad al medio ambiente. [19]
Para combinar la redundancia de celdas con la redundancia de circuitos de monitoreo, circuitos de control y pantallas, las señales de las celdas deben estar disponibles para todos los circuitos de monitoreo y control en condiciones normales. Esto se puede hacer compartiendo señales en la etapa analógica o digital: el voltaje de salida de la celda se puede suministrar a la entrada de todas las unidades de monitoreo, o los voltajes de algunas celdas se pueden suministrar a cada monitor y las señales digitales procesadas se pueden compartir. El uso compartido de señales digitales puede permitir un aislamiento más fácil de los componentes defectuosos si se producen cortocircuitos. El número mínimo de celdas en esta arquitectura es dos por unidad de monitoreo, con dos unidades de monitoreo para redundancia, que es más que el mínimo de tres para la capacidad de lógica de votación básica. [19]
Los tres aspectos de un rebreather tolerante a fallos son la redundancia de hardware, un software robusto y un sistema de detección de fallos. El software es complejo y comprende varios módulos con sus propias tareas, como la medición de la presión parcial de oxígeno, la medición de la presión ambiental, el control de la inyección de oxígeno, el cálculo del estado de descompresión y la interfaz de usuario de visualización de estado e información y entradas de usuario. Es posible separar el hardware de la interfaz de usuario de la unidad de control y monitorización, de forma que el sistema de control pueda seguir funcionando si la interfaz de usuario relativamente vulnerable se ve comprometida. [19]
La Red de Alerta de Buceadores descubrió que la causa real de muerte determinada por un médico forense fue el ahogamiento en el 94% de los casos de muertes por rebreather recreativo/técnico. Un estudio sobre accidentes con rebreathers militares descubrió que el ahogamiento después de la pérdida de conciencia solo ocurrió en el 5,5% de los casos. Esta incidencia mucho menor de ahogamiento se ha atribuido en gran medida a los protocolos de seguridad que incluyen el uso de una correa de retención de la boquilla (MRS) para asegurar la vía aérea. Puede haber habido otras diferencias significativas que contribuyeron en las circunstancias de los incidentes, como la proximidad de un compañero, el estado de descompresión de los buceadores y la distancia a la superficie. [37]
Se han desarrollado diversas opciones para reducir el riesgo y mitigar las emergencias relacionadas con el uso de rebreathers, que pueden clasificarse como opciones de equipo y procedimiento. [23]
Correas de sujeción de la boquilla : Su finalidad es evitar que la boquilla se caiga de la boca del buceador si pierde el conocimiento, reduciendo así el riesgo de ahogamiento. El Consejo de Formación de Rebreathers publicó una nota de orientación sobre seguridad en la que recomendaba el uso de correas de sujeción de la boquilla. Una correa de sujeción de la boquilla también es una característica de diseño obligatoria para los rebreathers vendidos en la UE y el Reino Unido, de acuerdo con la norma europea de rebreathers EN14143:2013. La disposición debe ser ajustable o autoajustable, y debe sujetar la boquilla de forma firme y cómoda en la boca del usuario, y minimizar la entrada de agua si un buceador sufre una convulsión o pierde el conocimiento bajo el agua. [37] [23]
Máscaras faciales completas : proporcionan una vía aérea más segura que las correas de retención de la boquilla, pero pueden requerir arreglos especiales para su rescate.
Válvulas de rescate : una válvula de rescate que permite al buceador salir al circuito abierto sin quitarse la boquilla reduce los riesgos en un evento hipercápnico, ya que no es necesario quitarse la boquilla para cambiar al circuito abierto, lo que es rápido y elimina la posibilidad de inhalar mientras la vía aérea está desprotegida. Esto se puede suministrar desde el diluyente a bordo o desde un cilindro de rescate externo, pero el suministro de gas debe ser adecuado para la profundidad. Al igual que la boquilla, la válvula de alivio de presión debe sujetarse de forma segura con una correa de retención de la boquilla, a menos que esté montada en una máscara facial completa. Si se proporciona con un conector rápido, un rescatador puede conectar un gas adecuado para un buceador inconsciente mientras la boquilla permanece en su lugar; sin embargo, las conexiones rápidas son una restricción de flujo que disminuirá el rendimiento de la válvula de demanda de circuito abierto y deben probarse para asegurarse de que funcionan adecuadamente a la profundidad máxima prevista por el usuario. Una válvula de rescate también es de gran valor en un incidente hipercápnico en el que el buceador puede no poder o no querer cerrar la DSV e insertar una válvula de rescate a demanda separada, mientras los niveles de dióxido de carbono son altos. Este es un problema real, y una vez en el ciclo de retroalimentación hipercápnico, la necesidad desesperada de respirar de forma continua y rápida puede hacer que sea imposible recuperarse. Una inyección de diluyente puede ser suficiente en algunos casos para reducir el dióxido de carbono lo suficiente como para poder cambiar. [23]
Monitoreo de dióxido de carbono : A partir de 2024, se encuentran disponibles dos métodos básicos para detectar o monitorear el dióxido de carbono en el circuito respiratorio. Ninguno es completamente satisfactorio. El punto de temperatura monitorea el avance del frente de reacción en el depurador, pero solo en la línea de los sensores, que no es necesariamente la línea en la que se producirá el avance. [22] [23] El otro método es usar sensores electrónicos para medir la presión parcial de dióxido de carbono en un punto del circuito. Un problema con esta tecnología es que los sensores también son sensibles al agua y pueden dar falsos positivos. Otro problema es que el dióxido de carbono en el circuito no siempre es una indicación precisa de hipercapnia, ya que el gas depurado puede estar dentro de las especificaciones, pero el buceador puede estar acumulando altos niveles de dióxido de carbono debido al alto trabajo respiratorio. La medición del dióxido de carbono pico al final de la exhalación, que detectaría este problema, aún no está disponible (2023). [38]
Alarmas : pueden estar disponibles alarmas audibles, visuales y táctiles. Por lo general, la alarma predeterminada es visual con opciones de timbres audibles y, a veces, vibradores táctiles. A veces, está disponible una pantalla de visualización frontal y, a veces, una pantalla de visualización frontal ubicada para que el compañero pueda verla. [23]
Listas de verificación: hasta cierto punto, las listas de verificación electrónicas se están convirtiendo en una parte integral del procedimiento de inicio de eCCR, pero aún son externas a una parte significativa de la preparación previa a la inmersión. Al utilizar una lista de verificación, es importante que se verifique cada una de las comprobaciones. Por ejemplo, para verificar que se haya abierto una válvula de suministro de gas, no es suficiente simplemente verificar la presión manométrica, ya que esto se registrará incluso si la válvula se cerró posteriormente. El funcionamiento de una válvula que libera presión indicará si la presión cae o permanece constante con cierta pérdida de gas. [23] [39] [40]
Las estadísticas recopiladas y analizadas por DAN sugieren que las muertes por buceo con rebreather han promediado alrededor de 20-25 por año durante el período de 2013 a 2023, lo que es ligeramente más alto que el período anterior, pero también hay más buceadores con rebreather que realizan más inmersiones con rebreather. Se estima que hay entre 1400 y 2300 certificaciones por año, y la industria de fabricación de rebreather ha crecido considerablemente, aunque no hay cifras precisas de producción y ventas. [41]
Los eventos cardíacos, la hipoxia y la hiperoxia son las principales causas de muerte cuando se conoce con cierta certeza, y las tasas de mortalidad se han estimado entre 1,8 y 3,8 muertes por cada 100 000 inmersiones o entre 1,2 y 2,5 muertes por cada 100 000 horas de buceo con rebreathers. [41]
Los datos son limitados y se supone que no se han registrado suficientes casos, en particular en Asia. [41]
Los procedimientos necesarios para utilizar un modelo determinado de rebreather generalmente se detallan en el manual de funcionamiento y el programa de capacitación de ese rebreather, pero hay varios procedimientos genéricos que son comunes a todos o la mayoría de los tipos.
Antes de su uso, el recipiente del depurador debe llenarse con la cantidad correcta de material absorbente y la unidad debe probarse para detectar fugas. [5] Por lo general, se realizan dos pruebas de fugas. Estas pruebas se conocen generalmente como pruebas de presión positiva y negativa, y prueban que el circuito de respiración sea hermético para una presión interna ligeramente inferior y superior a la externa. La prueba de presión positiva verifica que la unidad no pierda gas mientras está en uso, y la prueba de presión negativa garantiza que no se filtre agua en el circuito de respiración donde puede degradar el medio depurador o los sensores de oxígeno. [5]
La prueba y calibración de los sensores de oxígeno es parte de las comprobaciones previas a la inmersión o diarias de los rebreathers que los utilizan. Los rebreathers controlados electrónicamente pueden tener una rutina de comprobación automática de los sensores que compara las lecturas de todas las celdas utilizando el diluyente y el oxígeno puro como gases de calibración. Por lo tanto, la calibración suele limitarse a una presión parcial de oxígeno de 1 bar, lo que no es óptimo ya que los puntos de ajuste suelen ser superiores a 1 bar. [5] Para calibrar a más de un bar se necesita una cámara de calibración de celdas especial, que puede probar y calibrar preferiblemente las celdas a 1,6 a 2 bar en oxígeno puro.
La respiración previa de la unidad (normalmente durante unos 3 minutos) poco antes de entrar en el agua es un procedimiento estándar. Esto garantiza que el material depurador tenga la oportunidad de calentarse hasta la temperatura de funcionamiento y funcione correctamente, y que la presión parcial de oxígeno en un rebreather de circuito cerrado se controle correctamente. [42] Se ha comprobado que la respiración previa no es fiable para comprobar el funcionamiento del depurador. [43]
Antes de retirar la boquilla de la boca, se debe cerrar la válvula de inmersión/superficie (o activar la válvula de rescate) para evitar que el agua inunde el circuito. Esto se debe revertir cuando se reemplaza la boquilla. El manejo de la DSV o BOV generalmente se realiza con una sola mano cuando la boquilla se sostiene con los dientes, pero generalmente se requieren ambas manos si no está en la boca. No hay DSV automatizadas, solo el buceador puede evitar que se inunde.
La presión parcial de oxígeno es de importancia crítica en los CCR y se monitorea a intervalos frecuentes, en particular al comienzo de la inmersión, durante el descenso, donde pueden ocurrir aumentos transitorios debido a la compresión, y durante el ascenso, donde el riesgo de hipoxia es mayor. En los CCR controlados electrónicamente, esto lo realiza el sistema de control y el buzo recibe una advertencia de divergencia con respecto al punto establecido mediante una alarma. Es posible que el buzo deba ajustar manualmente la mezcla o disminuir la tasa de cambio de profundidad para ayudar al sistema de inyección a corregir la mezcla.
La acumulación de dióxido de carbono también es un grave peligro y la mayoría de los rebreathers no tienen un sistema electrónico de control del dióxido de carbono y, cuando lo tienen, no es totalmente fiable. El buceador debe estar atento a las indicaciones de este problema en todo momento. [42] Un compañero de buceo debe permanecer con el buceador de rebreather que debe tomar medidas de emergencia hasta que el buceador haya salido a la superficie sano y salvo, ya que es el momento en el que es más probable que se necesite al compañero. [23]
Un procedimiento de "limpieza con diluyente" o "limpieza del circuito" es una forma de restaurar temporalmente la mezcla de gases en el circuito a una fracción conocida de oxígeno, que se sabe que es segura siempre que el diluyente sea seguro para respirar a la profundidad actual. Permite al buzo comparar las lecturas de la celda de oxígeno con una presión parcial calculada conocida. El procedimiento implica purgar simultáneamente el circuito e inyectar diluyente. Esto limpia la mezcla anterior y la reemplaza con gas fresco con una fracción conocida de oxígeno. Una limpieza con diluyente también reducirá temporalmente el dióxido de carbono en el circuito, pero no por mucho tiempo si el depurador no funciona correctamente. [5]
Este procedimiento libera gas desde el interior del circuito hacia los alrededores. Esto es necesario para reducir la presión en el circuito al ascender, y el exceso de gas generalmente se liberará automáticamente mediante una válvula de sobrepresión accionada por resorte. A veces es útil reducir el volumen en el circuito cuando no está lleno, como cuando se realiza una purga de diluyente. Hay dos métodos estándar para vaciar el gas del circuito cuando no está lleno: abrir manualmente la válvula de vaciado y exhalar por la nariz cuando se usa una media máscara. El gas también se escapará del circuito si se quita la boquilla sin cerrar la DSV, pero esto puede hacer que el circuito se inunde, lo que es un mal funcionamiento grave. [5]
Independientemente de si el rebreather en cuestión tiene la capacidad de atrapar cualquier ingreso de agua, la capacitación sobre un rebreather incluirá procedimientos para eliminar el exceso de agua. El método dependerá del diseño específico de la unidad, ya que hay una variedad de lugares en el circuito donde se acumulará agua, lo que depende de los detalles de la arquitectura del circuito y de dónde ingresa el agua. En su mayoría, estos procedimientos se ocuparán del agua que ingresa a través de la boquilla, ya que ese es un problema común. [ cita requerida ]
Durante un descenso, el gas en el circuito se comprime por la presión ambiental creciente, y la presión parcial de oxígeno aumentará a menos que se agregue diluyente. El gas también puede comprimirse tanto que la estructura del circuito colapsaría a menos que se agregue gas. La válvula automática de diluyente (ADV) se utiliza para evitar daños y, en la mayoría de los casos, también evitará el exceso de presión parcial de oxígeno. El riesgo es bajo, ya que el fallo de la ADV suele ser muy obvio para el buceador cuando el volumen del circuito disminuye. La reducción del volumen del circuito también reduce la flotabilidad, que debe corregirse junto con el volumen del compensador de flotabilidad y, si se utiliza, el traje seco . [5]
Durante un ascenso, la reducción de la presión ambiental hará que el gas del circuito se expanda y se deberá ventilar el exceso para permitir que continúe la respiración normal y evitar la ruptura del circuito. Esto se puede hacer permitiendo que el exceso de gas se ventile a través de la nariz, alrededor de la boquilla o a través de una válvula antirretorno de sobrepresión (OPV) instalada en el circuito para este propósito. Un riesgo más grave es la reducción de la presión parcial debido a la reducción de la presión y, a menos que se agregue gas rico en oxígeno manualmente o mediante el sistema de control, el gas del circuito puede volverse hipóxico, con el riesgo de que el buceador pierda el conocimiento. Cuando el sistema de control de un eCCR funciona correctamente, inyectará la cantidad correcta de oxígeno para evitar el problema, pero los buceadores mCCR deben hacerlo manualmente. [5]
En un rebreather de rescate, o si la DSV está cerrada para el rescate, la válvula de diluyente automática y la válvula de sobrepresión son necesarias para evitar daños al circuito durante el descenso y el ascenso. [ cita requerida ]
El control de la flotabilidad con un rebreather difiere del circuito abierto en dos aspectos. El cambio en la masa del buceador durante la inmersión es menor, ya que se utiliza menos gas, y el cambio en la flotabilidad durante un ciclo de respiración es insignificante, por lo que el ajuste fino de la flotabilidad mediante el control del volumen en los pulmones no funciona. Esto requiere técnicas de gestión ligeramente diferentes, y se debe utilizar el traje seco o el compensador de flotabilidad para el control de la flotabilidad. [5]
El centro de flotabilidad de los pulmones y contrapulmones debe estar lo más cerca posible para lograr un trabajo respiratorio bajo y un buen equilibrio, por lo que se utilizan comúnmente pesos de equilibrio para configurar el rebreather de manera que se adapte al buceador. [5]
Cada posible modo de fallo tiene una respuesta asociada. Aquellos que tienen más probabilidades de ocurrir o que tienen consecuencias graves tendrán procedimientos de emergencia asociados que se sabe que son eficaces y que el buceador debe aprender para que se lo considere debidamente capacitado, y debe ser capaz de actuar de manera confiable bajo estrés para que se lo considere competente. Muchos de los procedimientos de emergencia del buceo con rebreather son idénticos o similares a los del buceo con circuito abierto.
Mientras el buceador se encuentra bajo el agua, el rebreather puede fallar y no ser capaz de proporcionar una mezcla respirable segura durante el ascenso de regreso a la superficie. En este caso, el buceador necesita una fuente de respiración alternativa: el sistema de rescate. [44]
Aunque algunos buceadores con rebreather, conocidos como " alpinistas ", no llevan equipo de rescate, la estrategia de rescate se convierte en una parte crucial de la planificación de la inmersión, en particular para inmersiones largas y más profundas en el buceo técnico . A menudo, la inmersión planificada está limitada por la capacidad del equipo de rescate y no por la capacidad del rebreather. Las circunstancias en las que es necesario el rescate incluyen inundaciones del circuito, que pueden implicar un cóctel cáustico , y fallas del depurador por otras razones, lo que resulta en altos niveles de dióxido de carbono en la parte de inhalación del circuito. Más de la mitad de los buceadores en una encuesta habían experimentado al menos un cóctel cáustico, un evento que hace que el rebreather no sea apto para su uso posterior hasta que se haya limpiado y reempaquetado, y por lo tanto requiere un rescate urgente. [44] [45]
Son posibles varios tipos de rescate:
El sistema de rescate utilizado en una inmersión específica dependerá del perfil de inmersión, la calificación y preferencias del buceador, el código de prácticas cuando corresponda y la disponibilidad de opciones.
En todos los casos, al salir del agua, el circuito del rebreather debe estar aislado del agua ambiente para evitar inundaciones y pérdidas de gas del circuito, lo que podría afectar negativamente la flotabilidad. También puede ser necesario cerrar las válvulas de suministro de gas en los cilindros para evitar que un sistema de control defectuoso o un ADV de flujo libre continúen agregando gas al circuito, lo que también afectaría negativamente la flotabilidad, posiblemente haciendo que sea imposible para el buzo permanecer a la profundidad correcta para la descompresión.
Una válvula de rescate (BOV) es una válvula de conmutación instalada en la boquilla de un rebreather con un mecanismo operado manualmente para cambiar del circuito cerrado primario al de rescate, que puede ser un suministro de gas respirable de circuito abierto o cerrado llevado por el buzo. [44]
La válvula de rescate (BOV) puede cambiar a una válvula de demanda de circuito abierto instalada en la boquilla de un rebreather con un mecanismo operado manualmente para cambiar de circuito cerrado a circuito abierto. La posición que selecciona la válvula de demanda de circuito abierto puede sustituir al estado cerrado de una válvula de superficie de buceo (DSV), ya que el circuito de respiración está efectivamente sellado cuando está en rescate. [48] Este tipo de válvula de rescate permite al buceador cambiar de circuito cerrado a circuito abierto sin la necesidad de cambiar las boquillas. Esto puede ahorrar tiempo en una emergencia, ya que la válvula de demanda de rescate está en su lugar para su uso inmediato. Esto puede ser importante en una situación de hipercapnia aguda grave , cuando el buceador no puede contener físicamente la respiración el tiempo suficiente para cambiar las boquillas. El suministro de gas a la BOV a menudo proviene del cilindro de diluyente a bordo, pero se pueden hacer arreglos para que el gas externo se conecte mediante conectores rápidos. [5]
Alternativamente, se puede proporcionar una válvula de rescate que cambiará a un sistema de rescate de circuito cerrado llevado por el buzo. [44]
Generalmente, se considera que el rescate a circuito abierto es una buena opción cuando no se sabe con certeza cuál es el problema o si se puede solucionar. El procedimiento de rescate depende de los detalles de la construcción del rebreather y del equipo de rescate elegido por el buceador. Pueden existir varios métodos posibles:
El circuito abierto de rescate es de uso común, es relativamente simple y sencillo de operar, y es mecánicamente confiable, pero relativamente complejo para estimar con precisión la cantidad de gas necesaria para un plan de inmersión largo y complejo. La logística de llevar suficiente gas de rescate de circuito abierto para inmersiones muy largas o profundas puede ser un desafío. Las estadísticas disponibles sugieren que muy pocas muertes son causadas por cantidades inadecuadas de gas de rescate. [44]
The use of bailout gas distributed amongst team members can be used as a bailout strategy, but it generally only provides for rescue of one diver. Since the probability of a second diver also experiencing a rebreather failure on the same dive is low, this may be considered an acceptable risk by the team. This is a similar situation to recreational divers relying on the buddy for emergency gas in a situation where an immediate safe ascent to the surface is not possible. With this system the diver is never self-sufficient, and if a diver is separated from the group the emergency gas supply for the group is unavailable to all.[46]
An alternative to bailout to open circuit is bailout to rebreather, by closing the DSV of the primary rebreather's mouthpiece and switching to the mouthpiece of an independent bailout rebreather set. This is not bailing out to open circuit, but has logistical advantages in dives where the bulk of sufficient open circuit gas to reach the surface may be excessive, and a second rebreather is less bulky. There may be an intermediate stage where the diver bails out to open circuit on diluent gas while preparing the bailout rebreather.[19][46]
To realise the full potential of closed circuit scuba for extended duration diving, an equivalent bailout system is necessary. Configurations using two back-mount rebreathers, a back-mount and a sidemount, and two sidemount rebreathers have been developed, tested, and found practicable for different situations. Proper and complete preparation and predive testing is essential, as it is not possible to correct some types of error in the water.[46]
It is generally not safe to rely on an immediate switch to a bailout rebreather. It is necessary to check the loop before breathing from it, and there are bailout loop statuses that are extremely dangerous due to inappropriate internal pressure, or oxygen partial pressure. A preliminary bailout to open circuit gives the diver time to make a controlled assessment of the bailout loop status and make any adjustments necessary to make it safe to breathe at the current depth.[46]
While the diver is not using the bailout rebreather they do not have feedback on the internal pressure of the loop, which may be lower or higher than ambient pressure, although the ADV and overpressure dump should automatically correct this if all the valves are set and working correctly, and nothing has been inadvertently or accidentally changed during the dive.[46] It is prudent to check the bailout loop status during descent, occasionally during the bottom sector, and it is necessary to dump excess gas from its loop during ascent. It is critically important to avoid flooding either loop during these checks, by closing the mouthpiece before removing it from the mouth.[46]
The bailout rebreather should, be placed so that the work of breathing is acceptable with the diver in the range of positions likely to be needed for the return to the surface. This requires the counterlungs to be at the depth of diver’s chest.[46]
Some CCR electronic controllers are not compatible with being left running while the loop is not in use, and will try to achieve the set point regardless of whether it is practicable. A rebreather intended for this function can have a bailout setting, which puts the solenoids on standby, but monitors and displays the loop mixture. The effective and safe use of a bailout rebreather requires considerable practice, and presents the diver with a high level of task loading.[46]
Symmetrical:
Asymmetrical:
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Training in the use of rebreathers has two components: Generic training for the class of rebreather, including the theory of operation and the general procedures, and specific training for the model of rebreather, which covers the details of preparation, testing, user maintenance and troubleshooting, and those details of normal operating and emergency procedures which are specific to the model of rebreather. Crossover training from one model to another generally only requires the second aspect if the equipment is similar in design and operation.[49]
Military organisations usually only use a small number of models. Typically an oxygen rebreather for attack swimmers, and a mixed gas rebreather for clearance diving work, and this simplifies the training and logistical requirements.[50]
Rebreather diving for recreational purposes is generally classed as technical diving, and the training is provided by the technical diver certification agencies. Training of scientific divers on rebreathers is usually done by these same technical diver training agencies as the use of rebreathers by the scientific diving community is usually insufficient to justify separate in-house training.[citation needed]
Recreational and scientific diving applications draw on a far wider range of models, and any given technical diving training agency may issue certification for an arbitrary number of rebreathers depending on the skills of their registered instructors. Most recreational rebreather manufacturers require that training on their equipment is based on training originating from the manufacturer, i.e., the instructor trainers are typically certified by the manufacturer.[49]
A consensus recommendation of the Rebreathers and Scientific Diving Workshop of February 2015 was that scientific rebreather divers should maintain currency in rebreather diving by a minimum annual activity of 12 dives with a minimum dive time of 12 hours, and that this might be insufficient for some activities. They also recommended that diver training should include management of an unresponsive rebreather diver.[51]
As of 2023 there are several major new developments in equipment for which stable training has not yet been developed. Sidemount rebreathers are in a relatively advanced state compared to chest mount CCR, and particularly bailout rebreather procedures, which are still developing relatively fast, making it difficult to develop training standards.[49]
As of 2016 there were three sets of rebreather standards for scientific diving in the US, those of the American Academy of Underwater Sciences (AAUS), National Park Service (NPS) and National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).[52]
All three organisations require full scientific diver status with nitrox certification as prerequisite, NOAA requires certification to 130 feet (40 m) and 100 open water dive, while AAUS and NPS require 100 feet (30 m) and 50 open water dives. Each agency specifies stepwise certification to increasing depths, and certification is valid only for the rebreather type trained on, for environmental conditions similar to those during training. Classroom training includes theory review of topics included in open circuit training, and decompression and dive planning appropriate to the chosen unit. More technical topics include system design and operation, pre-dive setup and testing, post-dive break down and maintenance, oxygen exposure and decompression management, dive operations planning, problem recognition and management specific to the chosen unit. Practical skills training includes system calibration and operation checks, preparation and management of absorbent canisters, breathing loop assembly, non-return valve function and pressure checks, gas analysis, pre-breathing function assessment, buoyancy control, system monitoring during the dive, bailout procedures, and system user maintenance, and experience exposure by way of minimum hours of underwater time under supervised conditions.[52]
The wreck of a Phoenician ship off the coast of Malta at a depth of about 110 metres (360 ft) has been partially excavated by divers using rebreather equipment, using techniques developed for the purpose to make the most effective use of time on site, which was restricted to 3 shifts of 12 minute each per day on site.[40]
The Rebreather Training Council is an organisation with members from recreational/technical diver training agencies which train rebreather divers. Their function is to write training standards that ensure that there is reasonable consistency across the agencies so that divers get enough training to ensure an acceptable level of risk when diving within the guidelines of the training standard, and that there is mutual recognition of these standards between training agencies. They coordinate with the Rebreather Education and Safety Association (RESA) via the Combined Rebreather Industry Standards Alignment Group (CRISAG) so that the rebreather manufacturers and training agencies can both provide the necessary input to produce effective training standards. They also liaise directly with Working Group 1 – Diving Services of ISO Technical Committee 228 (Tourism and related services) to produce the training standards.[53][54]
The Rebreather Education and Safety Association (RESA) is a non-profit organisation mainly comprising rebreather manufacturers, but other organisations such as training agencies can be supporting members.[49]
RESA was created to help improve safety and education in the rebreather industry. Regular (voting) members are manufacturers of rebreathers or significant subsystems.[55]
The ISO training standards are published by the International Organisation for Standards, and are minimum standards. A diver training agency can follow the standard as long as all the requirements are met, and can ass as much additional course material as they see fit. Gas density limits are specified for training, with a preferred value of 5.2g/L and a maximum of 6.3g/L. These limits also effectively address narcotic limits.
EUF Certification International is an independent body for global verification of rebreather training agencies based in Europe and associated with the Austrian Standards organisation. Agencies are certified for five years between renewals.[49][56]
The adoption of the ISO standards will not have a very large impact on training course content, as most agencies already included most of the required content, but some agencies will have to adjust the number of dives and depths required for the specific courses.[57]
The first commercially practical scuba rebreather was designed and built by the diving engineer Henry Fleuss in 1878, while working for Siebe Gorman in London.[58] His self contained breathing apparatus consisted of a rubber mask connected to a breathing bag, with an estimated 50–60% oxygen supplied from a copper tank and carbon dioxide scrubbed by passing it through a bundle of rope yarn soaked in a solution of caustic potash, the system giving a dive duration of up to about three hours. Fleuss tested his device in 1879 by spending an hour submerged in a water tank, then one week later by diving to a depth of 5.5 metres (18 ft) in open water, on which occasion he was slightly injured when his assistants abruptly pulled him to the surface.[58][59] This apparatus was first used under operational conditions in 1880 by Alexander Lambert, the lead diver on the Severn Tunnel construction project, who was able to travel 1,000 feet (300 m) in the darkness to close several submerged sluice doors in the tunnel; this had defeated the best efforts of standard divers due to extremely long distance, along which their air supply hoses became fouled on submerged debris, and the strong water currents in the workings.[58][60]
Fleuss continually improved his apparatus, adding a demand regulator[clarification needed] and tanks capable of holding greater amounts of oxygen at higher pressure. Sir Robert Davis, head of Siebe Gorman, improved the oxygen rebreather in 1910[58][59] with his invention of the Davis Submerged Escape Apparatus, the first rebreather to be made in quantity. While intended primarily as an emergency escape apparatus for submarine crews, it was soon also used for diving, being a handy shallow water diving apparatus with a thirty-minute endurance, and as an industrial breathing set.[59]
The rig comprised a rubber breathing/buoyancy bag containing a canister of barium hydroxide to absorb exhaled carbon dioxide and, in a pocket at the lower end of the bag, a steel pressure cylinder holding approximately 56 litres (2.0 cu ft) of oxygen at a pressure of 120 bars (1,700 psi) which was equipped with a control valve and connected to the breathing bag. Opening the cylinder's valve admitted oxygen to the bag at ambient pressure. The rig also included an emergency buoyancy bag on its front to help keep the wearer afloat. After further development by Davis in 1927 the DSEA was adopted by the Royal Navy.[61]
In 1911 Dräger of Lübeck tested a self-contained semi-closed rebreather system for standard diving equipment, which used an injector system to circulate the breathing gas through the scrubber and breathing loop, which included the full interior of the helmet. This was put into service soon thereafter and was available in two versions, an oxygen rebreather DM20 for depths shallower than 20 m, and a nitrox rebreather DM40 for depths up to 40 m. It was possible to minimise the work of breathing and use a helmet without a mouthpiece because the gas was pneumatically circulated.[62] The US Navy developed a variant of the Mark V system for heliox diving. These were successfully used during the rescue of the crew and salvage of the USS Squalus in 1939. The US Navy Mark V Mod 1 heliox mixed gas helmet is based on the standard Mark V Helmet, with a scrubber canister mounted on the back of the helmet and an inlet gas injection system which recirculates the breathing gas through the scrubber to remove carbon dioxide and thereby conserve helium.[63] The gas supply at the diver was controlled by two valves. The "Hoke valve" controlled flow through the injector to the "aspirator" which circulated gas from the helmet through the scrubber, and the main control valve used for bailout to open circuit, flushing the helmet, and for extra gas when working hard or descending. Flow rate of the injector nozzle was nominally 0.5 cubic foot per minute at 100 psi above ambient pressure, which would blow 11 times the volume of the injected gas through the scrubber.[64]
During the 1930s and all through World War II, the British, Italians and Germans developed and extensively used oxygen rebreathers to equip the first frogmen. The British adapted the Davis Submerged Escape Apparatus and the Germans adapted the Dräger submarine escape rebreathers, for their frogmen during the war.[65] The Italians developed similar rebreathers for the combat swimmers of the Decima Flottiglia MAS, especially the Pirelli ARO.[66] In the U.S. Major Christian J. Lambertsen invented an underwater free-swimming oxygen rebreather in 1939, which was accepted by the Office of Strategic Services.[67] In 1952 he patented a modification of his apparatus, this time named SCUBA,(an acronym for "self-contained underwater breathing apparatus"),[68][69][70][71] which later became the generic English word for autonomous breathing equipment for diving, and later for the activity using the equipment.[72] After World War II, military frogmen continued to use rebreathers since they do not make bubbles which would give away the presence of the divers. The high percentage of oxygen used by these early rebreather systems limited the depth at which they could be used due to the risk of convulsions caused by acute oxygen toxicity.
In the early days of technical diving (roughly the late 1980s and early 1990s) there was considerable interest in mixed gas rebreather technology, as it appeared to offer significantly extended bottom times, which in closed circuit systems, could be largely independent of depth. It also seemed useful for minimising decompression obligation and optimising decompression, though at the time the full complexity of achieving acceptably safe systems and procedures was not yet apparent, and the required technology was not yet readily available. The technical diving magazine aquaCorps first reported on rebreathers in their second issue in June 1990, and the topic was covered in most subsequent issues, including an entire issue in January 1993.[73]
In May 1994 the first Rebreather Forum was held in Key West, Florida, organised by Michael Menduno and Tracy Robinette, with guests including Dr Edward D. Thalmann, the US Navy diving physiology researcher, and developer of the US Navy's mixed-gas decompression tables, and inventor Alan Krasberg, who had done significant development work on closed-circuit mixed-gas rebreathers. The 90 attendees included five rebreather manufacturers, several training agencies, and representatives from recreational, military, and commercial-diving communities. The forum recognised that there was a market for recreational rebreathers but no supply. The only community successfully using rebreathers at the time was the military, and their success depended on disciplined use and very good technical support. Commercial diving had rejected them as too complex and unreliable. It was also clear that training requirements for rebreather diving would be more complex than for open circuit, that semi-closed rebreathers would probably be easier to bring into the recreational diving market because of relative simplicity and lower cost, and that unlike the initial reaction to nitrox, there did not appear to be great concern that the technology was inappropriate for recreational diving – PADI technical development director Karl Shreeves indicated that when the technology was ready PADI would provide training. Despite continued rebreather workshops and try-dives at further annual conferences, actual rebreather availability was slow to materialise.[73]
Dräger introduced a semi-closed circuit rebreather designed for recreational divers called the Atlantis in 1995. The company had accumulated experience in rebreather design and manufacturing going back to 1912, and was a major manufacturer of military rebreathers, which helped with credibility. In Japan, Grand Bleu marketed another recreational semi-closed unit called the Fieno.[73]
Rebreather Forum 2.0 was held in Redondo Beach, California, in September 1996, and the proceedings were published by the PADI subsidiary Diving Science and Technology (DSAT). At this time Dräger reported that it had sold about 850 Atlantis semi-closed rebreathers, and it was estimated that up to 3000 Fienos may have been sold in Japan. The British and US navies were at the time the largest users of mixed gas rebreathers, with an estimated 240 units in service. Somewhere in the order of 25 to 50 mixed gas units were estimated to be in use by the technical diving community, mostly by exploration teams and film-makers. The forum identified widespread interest in recreational rebreathers, and recognised that there were complex risks. At this stage there was no standardised training, and agencies were advised to work with manufacturers to develop effective responses to failure modes, and instructors were advised to own, or have access to, the models on which they were planning to provide training.[73]
At this time only the US Navy 0.7atm constant PO2 decompression tables had been validated for nitrox and heliox, and it was not clear whether reprogramming the existing algorithms to use the PO2 provided by the rebreathers would be effective. Some recommendations published by the forum included third party testing for quality assurance, the use of full-face masks or mouthpiece retaining straps, adherence to the buddy system, and a maximum PO2 setpoint of 1.3 atm. It was also recognised that the development and use of on-board CO2 monitors, which were not available at the time, would contribute to improved safety.[73]
In 1996 Cis-Lunar Development Labs was selling its MK-IV rebreather. About a year later (1997), Ambient Pressure Diving in the UK started selling the Inspiration electronically controlled closed circuit rebreather, followed by the KISS from Jetsam Technologies.[73]
By 1998 French cave diver Olivier Isler used a fully redundant RI 2000 semi-closed rebreather in the Doux de Coly resurgence, France.[73]
The recommendation for maximum PO2 supported by the technical diving community has since risen to 1.4 atm for the working dive and 1.6 atm for decompression, partly due to advice from diving physiologist Dr Bill Hamilton, and partly due to satisfactory experience. Safety was predicted to be the biggest challenge to acceptance of rebreathers, and this proved to be true. There were 200 rebreather fatalities reported worldwide between 1998 and 2012, when the third rebreather forum was held: about 10 per year between 1998 and 2005, and about 20 per year from 2006 to 2012, which is a risk five to ten times greater than on open circuit scuba. Evidence suggests that safety has continued to improve since 2012.[73]
Some dates:
Rebreathers have applications in technical, recreational, scientific and military diving. In commercial diving some of the technology is used in conjunction with surface-supplied diving equipment, particularly as helium reclaim systems and gas extenders, and for bailout equipment for closed bell diving.
Tactical divers (frogmen) are the main users of oxygen rebreathers, and for deeper work such as clearance diving, when mobility and a low magnetic and acoustic signature are important, mixed gas SCRs and CCRs may be used. Each military service that deploys rebreather divers usually standardises on a small number of models suited to their use, to simplify logistics and training.[50]
The US Navy also uses rebreathers for saturation bailout sets (JFD Divex COBRA and JFD Divx MK IV Secondary Life Support (SCR))[50]
The largest variety and number of mixed gas units have been used in the technical diving applications,[74]
At the time of Rebreather Forum 3 (2011) there were three rec/tec rebreather training agencies active. By Rebreather Forum 4 (2023) there were eight: (BSAC, FFESSM, GUE, IANTD, PADI, RAID, SSI, and TDI). During this time the total certifications per year rose from 3545 in 2012 to 5156 in 2022. These numbers include multiple certifications for many divers, at different skill levels and for different rebreather classes and units. Mean age at certification was about 42 years with a peak in the 50 to 59 year age group, presumed to be related to availability of disposable income.[49]
Rebreathers have not gained much traction in recreational diving, though a few models have been designed and marketed specifically for that purpose.[74]
Biological researchers have used closed-circuit rebreathers since the late 1960s, and wider application in marine science has grown since the turn of the century.[75]
Between 1998 and 2013 some 52 organizational members of the AAUS reported 10,988 rebreather dives for a total duration of about 9,915 hours. There was one incidence each of decompression illness, idiopathic immersion pulmonary edema, and hypoxia associated with these dives.[76]
During this period 1,675,350 open-circuit dives with a dive time of 1,148,783 hours were logged by AAUS members. The number of rebreather dives is about 0.7% of the total number and about 0.9% of the underwater time logged for OC dives, but the number and duration of rebreather dives has been growing fairly consistently over this period. 17 rebreather models were reported, including oxygen rebreathers and mixed gas rebreathers. 52% of the dives were for operational scientific purposes and 48% for training. 23% of the dives required decompression stops. During this period there has been a general increase in the number of deep dives of more than 191 feet (58 m) on rebreathers and a decrease in the number of deep dives on open circuit.[76]
Rebreathers provide specific advantages for underwater biological research, particularly for applications that depend on unobtrusive observers or for a stealthy approach to wildlife for capture or tagging, and research that requires extended durations underwater, or operations in relatively deep (more than 50 metres (160 ft)) environments, especially in remote locations with logistic difficulties. Many scientific institutions have been slow to adopt rebreather technology, but developments in rebreather technology are expanding acceptance.[75]
One of the early users of rebreathers for science was Walter Starck, who invented the first electronically-controlled closed-circuit rebreather for use in undersea biological research, which was soon followed by use in the Tektite II project for biological research during excursions from the submersed habitat. By the mid-1980s, interest in the application of rebreathers for scientific cave exploration coincided with amateur exploration activity which came to be known as technical diving, and underwater film-makers Howard Hall and Bob Cranston started to use rebreathers to approach marine life underwater with less risk of affecting behaviour.[75]
In the middle- to late-1990s, rebreathers became more easily available from several manufacturers, and the scientific community started to use them more often, particularly where their logistical advantages were most apparent.[75]
A major advantage of closed-circuit rebreathers for biological research diving is the absence of noise and visual disturbance due to the bubbles of exhaled gas, which is known to have disruptive effects on animal behaviour. This has proved particularly effective where the diver needs to closely approach or capture animals like sea otters, and has considerably facilitated recording of animal sounds. Use of rebreathers reduces problems of multiple dives and decompressions by allowing divers to conduct a single, long-duration dive without the need to return to the surface or shore between multiple dives, particularly where continuous observation is desirable. The ability to maintain a constant oxygen partial pressure can allow very much longer dive times in the middle depth ranges without incurring a decompression obligation, and can allow a single multilevel dive to suffice where several open circuit dives were previously required. The capital outlay for equipment and training can sometimes be rapidly offset by the improved efficiency of getting a job done in one dive on one day. Considerable savings on the cost of helium diluent are possible for deeper dives specially in remote locations where the cost of helium may be ten times that in industrialised areas.[75]
Research submersibles allow direct access to deeper environments, but cost much more than rebreathers to operate and are limited to regions where such submersibles are in active use because of the logistical requirements and cost of running the support vessels. They are also limited in their ability to explore, sample, and document complex coral reef structures due to bulk and maneuverability and dexterity limitations.[75]
Developments in electronically controlled closed circuit mixed gas rebreathers have extended the range of ambient pressure scientific diving since the mid 1990s. Various research stakeholders have started to seek and acquire data from locations which were previously inaccessible. Scientific diving programs have been establishing and developing technical diving facilities to allow marine scientists to safely access these regions. The nature of this extended range diving exposure makes it necessary to modify and adapt procedures to ensure acceptably safe operations. To a large degree this implies a high level of competence in operating the rebreather equipment, so the diver has sufficient excess capacity to allow the scientific task to be carried out successfully without compromising safety. This requires a high level of competence as a condition for completing initial training and maintenance of this competence by sufficient appropriate diving activity, or by refresher training and work-up dives following a period of inactivity. The use of institutionally approved checklists for equipment preparation and dive planning has been recommended as a way to reduce error and ensure that all essential steps are followed.[77]
In scientific diving the primary objective is normally the planned task of the dive, and the dive is the most effective way to get to and from the place where the scientific work is to be done. In the underwater environment life-support must necessarily take priority over all other considerations, and when neglected may have fatal results. Open circuit equipment is simple robust and reliable and requires little management beyond gas and decompression status monitoring. With rebreathers the gas mixture is dynamic and monitoring and where necessary, control of the equipment is of critical importance. Procedural modifications may be needed to retain a similar level of safety.[78]
The considerable variation in control systems between makes and in some cases models, of electronically controlled rebreathers makes it unrealistic to expect to be able to maintain reflexive familiarity with several units, and also have sufficient capacity to perform the scientific task effectively on top of managing the rebreather, and the more complex the dive and the more complex the scientific work the greater the risk. Besides ensuring adequate pre-dive testing to ensure that the equipment is functioning correctly, having a team member less invested in the science and highly skilled with the rebreather available to monitor the working diver or a pair of working divers and their equipment has been put forward as a way to reduce the risk of a failure going unnoticed or ignored. This safety support diver can also reduce task loading of the researcher by carrying some of the scientific equipment.[78]
A mixed mode dive team is a buddy team where the divers use different modes of diving on the same dive, such as one diver on open circuit and the other on rebreather. Mixed platform rebreather diving refers to the use of different makes or models of rebreather on the same dive.[79]
There are dive profiles and tasks in which mixed modes may not work well because of incompatible requirements for bottom times, decompression and gas planning, but there is a wide range of operations where this is much less of a problem, however it is necessary for both members of the team to be able to assist each other in an emergency, which requires the ability to recognise problems, and the knowledge, skills and equipment to respond appropriately. This includes knowledge of emergency procedures appropriate to the other diver's equipment. Some training and briefing is necessary, and appropriate procedures should be covered in the operations manual. Similar considerations apply to mixed platform diving, but to a lesser extent.[79]
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