Un rebreather de buceo es un aparato de respiración subacuático que absorbe el dióxido de carbono del aliento exhalado por un buceador para permitir la reinhalación (reciclaje) del contenido de oxígeno sustancialmente no utilizado , y del contenido inerte no utilizado cuando está presente, de cada respiración. Se agrega oxígeno para reponer la cantidad metabolizada por el buceador. Esto difiere del aparato de respiración de circuito abierto, donde el gas exhalado se descarga directamente al medio ambiente. El propósito es extender la resistencia respiratoria de un suministro de gas limitado y, para uso militar encubierto por buzos o para la observación de la vida submarina, eliminar las burbujas producidas por un sistema de circuito abierto. Un rebreather de buceo generalmente se entiende como una unidad portátil que lleva el usuario y, por lo tanto, es un tipo de aparato de respiración subacuático autónomo (scuba). Un rebreather semicerrado que lleva el buceador también puede conocerse como extensor de gas . Es más probable que la misma tecnología en una instalación sumergible o de superficie se denomine sistema de soporte vital .
La tecnología de rebreathers para buceo puede utilizarse cuando el suministro de gas respirable es limitado o cuando el gas respirable está especialmente enriquecido o contiene componentes costosos, como el diluyente de helio . Los rebreathers para buceo tienen aplicaciones para el suministro de gas primario y de emergencia. Se utiliza una tecnología similar en sistemas de soporte vital en submarinos, sumergibles, hábitats de saturación bajo el agua y en la superficie, y en sistemas de recuperación de gas utilizados para recuperar los grandes volúmenes de helio utilizados en el buceo de saturación .
El reciclado de gas respirable se produce a costa de una complejidad tecnológica y de riesgos adicionales, que dependen de la aplicación específica y del tipo de rebreather utilizado. La masa y el volumen pueden ser mayores o menores que los de un equipo de buceo de circuito abierto equivalente, según las circunstancias. Los rebreathers de buceo controlados electrónicamente pueden mantener automáticamente una presión parcial de oxígeno entre límites superiores e inferiores programables, o puntos de ajuste, y pueden integrarse con computadoras de descompresión para monitorear el estado de descompresión del buceador y registrar el perfil de inmersión .
Los rebreathers de buceo se utilizan generalmente para aplicaciones de buceo , donde la cantidad de gas respirable transportado por el buceador es limitada, pero también se utilizan ocasionalmente como extensores de gas para buceo con suministro desde la superficie y como sistemas de rescate para buceo con suministro desde la superficie o buceo con suministro desde la superficie. [1] Los sistemas de recuperación de gas utilizados para el 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 buceador. [2] Los trajes de buceo atmosférico también llevan tecnología de rebreather para reciclar el gas respirable como parte del sistema de soporte vital. [3]
Los rebreathers suelen ser más complejos de usar que los 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 buceador, lo que a su vez puede reducir el riesgo de error del operador. [4] [5]
La tecnología de rebreather semicerrado también se utiliza en extensores de gas suministrados desde la superficie que llevan los buceadores, principalmente para reducir el uso de helio. Algunas unidades también funcionan como suministro de gas de emergencia utilizando cilindros de rescate a bordo: el rebreather MK29 de la Marina de los EE. UU. puede extender la duración de las operaciones de buceo del sistema de gas mixto Flyaway cinco veces mientras conserva la huella de almacenamiento de gas mixto original en el barco de apoyo. [6] El rebreather semicerrado soviético IDA-72 tiene una resistencia del depurador de 4 horas con suministro desde la superficie y una resistencia de rescate a 200 m de 40 minutos con gas a bordo . [7] El casco de gas mixto heliox Mark V Mod 1 de la Marina de los EE. UU. tiene un recipiente depurador montado en la parte posterior del casco y un sistema de inyección de gas de entrada que recircula el gas respirable a través del depurador para eliminar el dióxido de carbono y, por lo tanto, conservar el helio. [8] La boquilla del inyector soplaría 11 veces el volumen del gas inyectado a través del depurador. [9]
Los primeros intentos de fabricar rebreathers prácticos fueron simples rebreathers de oxígeno, cuando los avances en la metalurgia industrial hicieron posible los cilindros de almacenamiento de gas a alta presión. A partir de 1878 se utilizaron para trabajar en atmósferas irrespirables en la industria y en la lucha contra incendios, a gran altitud, para escapar de submarinos y, ocasionalmente, para nadar bajo el agua; pero la forma habitual de trabajar bajo el agua era con el traje de buceo estándar , respirando aire suministrado desde la superficie en circuito abierto.
(Casco Draeger y Mark V Helium)
La Decima Flottiglia MAS italiana , la primera unidad de hombres rana de combate, fue fundada en 1938 y entró en acción en 1940. La Segunda Guerra Mundial vio una gran expansión del uso militar del buceo con rebreather. Durante y después de la Segunda Guerra Mundial , surgió la necesidad en las fuerzas armadas de bucear a mayor profundidad de la permitida por el oxígeno puro. Eso impulsó, al menos en Gran Bretaña, el diseño de variantes simples de "rebreather de mezcla" de flujo constante de algunos de sus rebreathers de oxígeno para buceo (= lo que ahora se llama " nitrox "): SCMBA de SCBA ( Aparato de respiración para nadadores piragüistas ), y CDMBA de Siebe Gorman CDBA , agregando un cilindro de suministro de gas adicional. Antes de una inmersión con un equipo de este tipo, el buceador tenía que saber la profundidad máxima o de trabajo de su inmersión y qué tan rápido su cuerpo usaba su suministro de oxígeno, y a partir de eso calcular en qué tasa de flujo de gas establecer su rebreather. [ cita requerida ]
Durante este largo período anterior a la era moderna de los rebreathers deportivos automáticos de nitrox, hubo algunos clubes de buceo deportivo con oxígeno, principalmente en los EE. UU. [ aclaración necesaria ] [ cita necesaria ]
Finalmente, la Guerra Fría terminó y en 1989 el Bloque Comunista colapsó , y como resultado, el riesgo percibido de ataques de sabotaje por parte de buzos de combate disminuyó, y las fuerzas armadas occidentales tenían menos razones para requisar patentes de rebreathers civiles, y comenzaron a aparecer rebreathers de buceo recreativo automáticos y semiautomáticos con sensores de ppO2 . [ cita requerida ]
Cuando una persona respira, el cuerpo consume oxígeno y produce dióxido de carbono . El metabolismo básico requiere alrededor de 0,25 L/min de oxígeno a partir de una frecuencia respiratoria de unos 6 L/min, y una persona en forma que trabaja duro puede respirar a una frecuencia de 95 L/min pero solo metabolizará alrededor de 4 L/min de oxígeno [10]. El oxígeno metabolizado es generalmente alrededor del 4% al 5% del volumen inspirado a presión atmosférica normal , o alrededor del 20% del oxígeno disponible en el aire a nivel del mar . El aire exhalado a nivel del mar contiene aproximadamente entre el 13,5% y el 16% de oxígeno. [11]
La situación es aún más desperdiciada de oxígeno cuando la fracción de oxígeno del gas respirable es mayor, y en el buceo submarino, la compresión del gas respirable debido a la profundidad hace que la recirculación del gas exhalado sea aún más deseable, ya que se desperdicia una proporción aún mayor de gas del circuito abierto. La reinhalación continua del mismo gas agotará el oxígeno a un nivel que ya no sustentará la conciencia y, eventualmente, la vida, por lo que se debe agregar gas que contenga oxígeno al gas respirable reciclado para mantener la concentración requerida de oxígeno. [12] [13]
Sin embargo, si esto se hace sin eliminar el dióxido de carbono, se acumulará rápidamente en el gas reciclado, lo que provocará casi inmediatamente una dificultad respiratoria leve y una rápida evolución hacia otras etapas de hipercapnia o toxicidad por dióxido de carbono. Por lo general, es necesaria una alta tasa de ventilación para eliminar el producto metabólico dióxido de carbono (CO 2 ). El reflejo respiratorio se desencadena por la concentración de dióxido de carbono en la sangre, no por la concentración de oxígeno, por lo que incluso una pequeña acumulación de dióxido de carbono en el gas inhalado se vuelve rápidamente intolerable; si una persona intenta volver a respirar directamente su gas respirable exhalado, pronto sentirá una aguda sensación de asfixia , por lo que los rebreathers deben eliminar químicamente el dióxido de carbono en un componente conocido como depurador de dióxido de carbono . [12] [13]
Al añadir suficiente oxígeno para compensar el uso metabólico, eliminar el dióxido de carbono y volver a respirar el gas, se conserva la mayor parte del volumen. Aún habrá pérdidas menores cuando se deba ventilar el gas a medida que se expande durante el ascenso, y se necesitará gas adicional para compensar el volumen a medida que el gas se comprime durante el descenso. [12]
En el buceo se utiliza la mayor variedad de tipos de rebreather, ya que las consecuencias físicas y fisiológicas de respirar bajo presión complican los requisitos, y hay una amplia gama de opciones de ingeniería disponibles según la aplicación específica y el presupuesto disponible. Un rebreather de buceo es un equipo de soporte vital de seguridad crítica : algunos modos de falla pueden matar al buceador sin previo aviso, mientras que otros pueden requerir una respuesta inmediata y apropiada para sobrevivir.
Los requisitos operativos generales incluyen:
Las aplicaciones especiales también pueden requerir:
Como el oxígeno puro es tóxico cuando se inhala a presión, las agencias de certificación de buceadores recreativos limitan la descompresión de oxígeno a una profundidad máxima de 6 metros (20 pies) y esta restricción se ha extendido a los rebreathers de oxígeno; [ cita requerida ] En el pasado se han utilizado a mayor profundidad (hasta 20 metros (66 pies)) [ cita requerida ] pero tales inmersiones eran más riesgosas de lo que ahora se considera aceptable. Los rebreathers de oxígeno también se utilizan a veces al descomprimirse de una inmersión profunda en circuito abierto, [ cita requerida ] ya que respirar oxígeno puro ayuda a que el nitrógeno se difunda fuera de los tejidos corporales más rápidamente, y el uso de un rebreather puede ser más conveniente para paradas de descompresión prolongadas.
Restricciones de la Marina de los EE. UU. sobre el uso de rebreathers de oxígeno: [15]
Los rebreathers de oxígeno ya no se utilizan comúnmente en el buceo recreativo debido al límite de profundidad impuesto por la toxicidad del oxígeno, pero se utilizan ampliamente para aplicaciones de nadadores de ataque militares donde no se requiere mayor profundidad, debido a su simplicidad, peso ligero y tamaño compacto.
Los rebreathers de circuito semicerrado (SCR) que se utilizan para el buceo pueden utilizar la adición de gas activa o pasiva, y los sistemas de adición de gas pueden estar compensados por profundidad. Utilizan un gas de suministro mixto con una fracción de oxígeno más alta que la mezcla de gases del circuito de estado estable. Por lo general, solo se utiliza una mezcla de gases, pero es posible cambiar las mezclas de gases durante una inmersión para ampliar el rango de profundidad disponible de algunos SCR. [13]
Ámbito operativo y restricciones de los SCR:
Los rebreathers de buceo de circuito cerrado pueden controlarse de forma manual o electrónica y utilizan tanto oxígeno puro como un diluyente de gas mixto respirable. [16]
Alcance operativo y restricciones de los CCR: Los rebreathers de circuito cerrado están restringidos principalmente por limitaciones fisiológicas del buceador, como la profundidad máxima de operación de la mezcla de diluyente mientras se sigue respirando hasta la superficie, aunque esto se puede solucionar cambiando el diluyente. El trabajo respiratorio en profundidad puede ser una limitación, ya que hay un punto en el que el esfuerzo respiratorio necesario para contrarrestar la tasa de producción metabólica de dióxido de carbono excede la capacidad de trabajo del buceador, después de lo cual aumenta la hipercapnia y la angustia seguida de pérdida de conciencia y muerte es inevitable. El trabajo respiratorio se ve afectado por la densidad del gas, por lo que el uso de un diluyente rico en helio de baja densidad puede aumentar el rango de profundidad con un trabajo respiratorio aceptable para una configuración dada. El WoB también aumenta por el flujo turbulento , que se ve afectado por la velocidad del flujo ( número de Reynolds ). Hasta cierto punto, el trabajo respiratorio se puede reducir o limitar mediante el diseño del circuito respiratorio, pero también hay límites fisiológicos, y el trabajo de circular el gas a través del circuito respiratorio y el depurador puede ser una gran parte del trabajo respiratorio total. [17] [18]
Algunas agencias de certificación de buceadores recreativos distinguen una clase de rebreather que consideran adecuada para el buceo recreativo. Estos rebreathers no son adecuados para el buceo con descompresión y, cuando se controlan electrónicamente, no permiten al buceador realizar inmersiones con descompresión obligatoria, lo que permite un ascenso inmediato en cualquier punto de la inmersión planificada sin un riesgo indebido de desarrollar una enfermedad de descompresión sintomática. Esta limitación reduce la necesidad de llevar gas de emergencia fuera de la embarcación y la necesidad de adquirir las habilidades necesarias para salir con una obligación de descompresión por etapas. Esta clase de buceo con rebreather ofrece una oportunidad para vender formación y certificación que omite una gran parte de las habilidades más complejas y difíciles, y reduce la cantidad de equipo que el buceador necesita llevar. Los criterios PADI para los rebreathers de clase "R" incluyen avisos electrónicos para comprobaciones previas a la inmersión, control automático de los puntos de ajuste, advertencias de estado, una pantalla de avisos, una válvula de emergencia, recipientes depuradores preempaquetados y un sistema para estimar la duración del depurador. [19] [20] [21] Si bien estas restricciones hacen que la clase recreativa de rebreather sea inherentemente menos peligrosa, no reducen el riesgo al mismo nivel que el equipo de circuito abierto para el mismo perfil de inmersión. [22]
Un traje de buceo atmosférico es un pequeño sumergible articulado para una sola persona de forma aproximadamente antropomórfica, con articulaciones en las extremidades que permiten la articulación bajo presión externa mientras se mantiene una presión interna de una atmósfera. El suministro de gas respirable podría ser suministrado desde la superficie por un umbilical, pero luego tendría que ser expulsado de regreso a la superficie para mantener la presión interna por debajo de la presión ambiental externa, lo cual es posible pero presenta riesgos de ruptura del casco presurizado si las mangueras umbilicales están dañadas, o desde un sistema de rebreather incorporado al traje. Como existe un problema similar en la ventilación del exceso de gas, la solución simple y eficiente es recuperar el oxígeno a medida que se consume y depurar el dióxido de carbono, sin cambiar el componente de gas inerte, que simplemente recircula. En efecto, un simple dispositivo de rebreather de oxígeno de circuito cerrado utilizado como un sistema de soporte vital . Dado que generalmente hay un suministro de energía adecuado para otros servicios, la circulación eléctrica a través del depurador normalmente no debería ser un problema para el servicio normal y es más cómodo para el operador, ya que mantiene el área de la cara despejada y facilita la comunicación por voz. Como la presión interna se mantiene a una atmósfera, no hay riesgo de toxicidad aguda por oxígeno. La resistencia depende de la capacidad del depurador y del suministro de oxígeno. La circulación a través del depurador podría ser impulsada por la respiración del buzo, y esta es una opción para un rebreather de respaldo de emergencia, que también puede instalarse en el traje. Un sistema impulsado por la respiración requiere la reducción del espacio muerto mecánico mediante el uso de una boquilla y un contrapulmón para formar un circuito cerrado.
Aunque existen varias variaciones de diseño de los rebreathers de buceo, todos los tipos tienen un depósito hermético para contener el gas respirable a presión ambiente que el buceador inhala y exhala. El depósito de gas respirable consta de varios componentes conectados entre sí por juntas herméticas al agua y al aire. El buceador respira a través de una boquilla o una máscara de buceo de cara completa con una válvula de cierre, la válvula de buceo/superficie, que se cierra cuando el buceador no está respirando desde la unidad para evitar que se inunde si el equipo está en el agua. Esta está conectada a una o dos mangueras de respiración que conducen el gas inhalado y exhalado entre el buceador y un contrapulmón o bolsa de respiración, que se expande para acomodar el gas cuando no está en los pulmones del buceador. El depósito también incluye un depurador que contiene material absorbente para eliminar el dióxido de carbono exhalado por el buceador. También habrá al menos una válvula que permita la adición de gas, como oxígeno, y a menudo un gas diluyente, desde un recipiente de almacenamiento de gas, al depósito. [16]
Puede haber válvulas que permitan la ventilación del gas, sensores para medir la presión parcial de oxígeno y posiblemente de dióxido de carbono, y un sistema de control y monitoreo. Los componentes críticos pueden duplicarse para lograr redundancia de ingeniería. [16]
Hay dos configuraciones básicas de paso de gas: el bucle y el péndulo.
La configuración de bucle utiliza una circulación unidireccional del gas respirable que, al exhalar, sale de la boquilla, pasa a través de una válvula antirretorno hacia la manguera de exhalación y luego a través del contrapulmón y el depurador, para regresar a la boquilla a través de la manguera de inhalación y otra válvula antirretorno cuando el buceador inhala. [16]
La configuración de péndulo utiliza un flujo bidireccional. El gas exhalado fluye desde la boquilla a través de una sola manguera hasta el depurador, hacia el contrapulmón y, al inhalar, el gas se extrae de nuevo a través del depurador y la misma manguera hasta la boquilla. El sistema de péndulo es estructuralmente más simple, pero contiene inherentemente un espacio muerto más grande de gas sin depurar en el tubo combinado de exhalación e inhalación, que se vuelve a respirar. Existen requisitos contradictorios para minimizar el volumen del espacio muerto y, al mismo tiempo, minimizar la resistencia al flujo de los conductos respiratorios.
Un rebreather de péndulo solo tiene un contrapulmón, en el lado más alejado del depurador de la manguera de respiración única. El buzo sopla el gas exhalado a través del depurador y luego lo succiona nuevamente durante la inhalación. La velocidad del flujo de gas a través del depurador depende de la frecuencia respiratoria del buzo.
Un contrapulmón simple en un rebreather de bucle puede ser un contrapulmón de exhalación o inhalación, o puede estar instalado entre dos recipientes depuradores divididos. [23] Si es un contrapulmón de exhalación, se infla al exhalar, pero no fluye gas a través del depurador hasta que comienza la inhalación, momento en el que el buceador succiona el gas a un ritmo forzado por el ritmo de inhalación. Si es un contrapulmón de inhalación, el buceador debe soplar gas a través del depurador durante la exhalación, pero inhala desde el contrapulmón de inhalación lleno, sin más flujo a través del depurador. Si está entre depuradores divididos, el buceador debe soplar el gas a través del depurador de exhalación durante la exhalación y succionarlo a través del depurador de inhalación. En todos estos casos no hay amortiguador y los índices de flujo máximo son relativamente altos, lo que significa que la resistencia al flujo máximo es relativamente alta y puede estar en una mitad del ciclo respiratorio o dividida entre ambas mitades, de manera análoga a la configuración de péndulo, pero sin el gran espacio muerto. [23]
Un rebreather de contrapulmón doble tiene dos bolsas de respiración, por lo que el gas exhalado infla el contrapulmón de exhalación mientras comienza a pasar a través del depurador y comienza a inflar el contrapulmón de inhalación. Para cuando el buceador comienza a inhalar, el contrapulmón de inhalación ha acumulado un volumen amortiguador, por lo que hay menos resistencia al flujo a medida que el gas continúa fluyendo a través del depurador durante la inhalación a un ritmo más lento que si solo hubiera un contrapulmón. Esto disminuye el trabajo respiratorio y también aumenta el tiempo de permanencia del gas en el depurador, ya que fluye a través de este durante la exhalación y la inhalación. La mayoría de los rebreathers de buceo con mezcla de gases utilizan esta disposición. [20]
Muchos rebreathers tienen sus componentes principales dentro de una carcasa rígida para brindarles soporte, protección y/o agilizarlos. Esta carcasa debe estar lo suficientemente ventilada y drenada para permitir que el agua o el aire circundantes entren y salgan libremente para permitir cambios de volumen a medida que el contrapulmón se infla y desinfla, y para evitar atrapar grandes volúmenes de aire flotante cuando el buceador se sumerge y de agua cuando emerge al aire. [16]
Los componentes pueden montarse en un marco o dentro de una carcasa para mantenerlos unidos. A veces, la estructura del recipiente depurador forma parte del armazón, en particular en la configuración de montaje lateral. La posición de la mayoría de las piezas no es crítica para el funcionamiento, pero los contrapulmones deben colocarse de manera que su centroide de volumen esté a una profundidad similar al centroide de los pulmones del buceador la mayor parte del tiempo mientras está bajo el agua, y los tubos de respiración de la boquilla no deben estorbar al buceador más de lo necesario y permitir el movimiento libre de la cabeza tanto como sea posible. [16]
Los primeros rebreathers de oxígeno a menudo se construían sin marco ni carcasa y dependían del arnés y de un contrapulmón fuerte para mantener unidos los componentes.
Las partes de un rebreather de buceo (contrapulmón, recipiente absorbente, cilindro(s) de gas, tubos y mangueras que los conectan) se pueden disponer en el cuerpo del usuario de cuatro maneras básicas, y la posición del contrapulmón tiene un efecto importante en el trabajo respiratorio.
El montaje posterior es común en las unidades más voluminosas y pesadas. Esto es bueno para soportar el peso fuera del agua y mantiene la parte delantera del buceador despejada para trabajar bajo el agua. El montaje posterior generalmente utiliza contrapulmones en la espalda o sobre el hombro, que tienen un centroide por encima del pulmón en las orientaciones más comunes del buceador, lo que da como resultado una respiración con presión ligeramente negativa .
El montaje en el pecho es bastante común en los rebreathers de oxígeno militares, que suelen ser relativamente compactos y ligeros. Permite un fácil acceso a los componentes bajo el agua y deja la espalda libre para otros equipos para operaciones anfibias. El rebreather se puede desenganchar de un arnés común sin alterar la carga en la espalda. Los contrapulmones montados en la parte delantera tienen un centroide que generalmente está ligeramente por debajo del centroide del pulmón y dan como resultado una respiración con presión ligeramente positiva para la mayoría de las orientaciones comunes del buceador.
El montaje lateral permite un perfil bajo para penetrar restricciones estrictas en el buceo en cuevas y naufragios, y es conveniente para llevar un rebreather de rescate. Un rebreather de montaje lateral como aparato de respiración principal se puede montar en un lado del cuerpo del buceador y se puede equilibrar en términos de peso e hidrodinámicamente mediante un cilindro de rescate grande montado lateralmente en el otro lado. Los rebreathers de montaje lateral son sensibles a la orientación del buceador, que puede cambiar el trabajo respiratorio hidrostático en un rango mayor que para el montaje en la espalda o el pecho, y el trabajo respiratorio resistivo también es relativamente grande debido a las largas mangueras de respiración y las múltiples curvas necesarias para ajustar los componentes en un formato largo y estrecho. A partir de 2019, ningún rebreather de montaje lateral había pasado la prueba CE para el trabajo respiratorio. Los rebreathers de montaje lateral también pueden ser más susceptibles a inundaciones importantes en el bucle debido a la falta de una posición conveniente de contrapulmón de exhalación para formar una trampa de agua. [18]
Los rebreathers de montaje lateral suelen utilizar un factor de forma equivalente a un cilindro de circuito abierto de montaje lateral único, que imita la aerodinámica de un cilindro de montaje lateral, pero presenta problemas de variabilidad del trabajo respiratorio hidrostático si la unidad no está perfectamente montada. El trabajo respiratorio solo se optimiza cuando el buzo está correctamente ajustado. [23]
El KISS Sidewinder es un MCCR de montaje lateral que reduce este problema al montar los dos recipientes depuradores relativamente pequeños a ambos lados del buceador, conectados por un único contrapulmón de 8 litros, a lo largo de la espalda del buceador, y se usa con un arnés de montaje lateral normal. Se afirma que esta configuración proporciona un buen trabajo de respiración en la mayoría de las orientaciones del buceador. Se transportan un pequeño cilindro de oxígeno transversal montado en el trasero y cilindros estándar de diluyente/rescate de montaje lateral (normalmente dos). [23]
Los rebreathers se pueden clasificar principalmente como rebreathers de buceo, destinados a uso hiperbárico, y otros rebreathers utilizados a presiones que van desde ligeramente más altas que la presión atmosférica normal a nivel del mar hasta presiones ambientales significativamente más bajas a grandes altitudes y en el espacio. Los rebreathers de buceo a menudo deben lidiar con las complicaciones de evitar la toxicidad del oxígeno hiperbárico, mientras que las aplicaciones normobáricas e hipobáricas pueden utilizar la tecnología relativamente simple de rebreathers de oxígeno, donde no hay necesidad de monitorear la presión parcial de oxígeno durante el uso, siempre que la presión ambiental sea suficiente.
Todos los rebreathers que no sean de oxígeno pueden considerarse rebreathers de gas mixto. Estos pueden dividirse en rebreathers de circuito semicerrado, donde el gas de suministro es una mezcla respirable que contiene oxígeno y diluyentes inertes, generalmente nitrógeno y helio, y que se repone añadiendo más mezcla a medida que se consume el oxígeno, suficiente para mantener una presión parcial respirable de oxígeno en el circuito, y rebreathers de circuito cerrado, donde se utilizan dos suministros de gas paralelos: el diluyente, para proporcionar la mayor parte del gas, y que se recicla, y el oxígeno, que se gasta metabólicamente. [13]
Estos se utilizan casi exclusivamente para el buceo submarino, ya que son más voluminosos, pesados y complejos que los rebreathers de oxígeno de circuito cerrado. Los buceadores militares y recreativos los utilizan porque ofrecen una mejor duración bajo el agua que los de circuito abierto, tienen una profundidad máxima de funcionamiento mayor que los rebreathers de oxígeno y pueden ser bastante simples y económicos. No dependen de la electrónica para controlar la composición del gas, pero pueden utilizar un control electrónico para mejorar la seguridad y lograr una descompresión más eficiente. Un término alternativo para esta tecnología es "extensor de gas".
Los equipos de circuito semicerrado generalmente suministran un gas respirable, como aire, nitrox o trimix, a la vez. El gas se inyecta en el circuito a una velocidad constante para reponer el oxígeno consumido por el buceador. El exceso de gas debe ser purgado constantemente del circuito en pequeños volúmenes para dejar espacio para el gas fresco rico en oxígeno. Como el oxígeno del gas purgado no puede separarse del gas inerte, el circuito semicerrado desperdicia tanto oxígeno como componentes inertes. [24]
Se debe utilizar una mezcla de gases que tenga una profundidad operativa máxima que sea segura para la profundidad de la inmersión que se está planeando y que proporcione una mezcla respirable en la superficie, o será necesario cambiar las mezclas durante la inmersión. [16]
A medida que la cantidad de oxígeno requerido por el buceador aumenta con el ritmo de trabajo, la tasa de inyección de gas debe elegirse y controlarse cuidadosamente para evitar la pérdida de conocimiento en el buceador debido a la hipoxia . [25] Una mayor tasa de adición de gas reduce la probabilidad de hipoxia pero desperdicia más gas.
Este tipo de rebreather funciona según el principio de añadir gas fresco para compensar la reducción de volumen en el circuito respiratorio. Se descarga una parte del gas respirado que es, de algún modo, proporcional al consumo de oxígeno. Generalmente es una fracción volumétrica fija del flujo respiratorio, pero se han desarrollado sistemas más complejos que expulsan una aproximación cercana de una proporción al caudal respiratorio de superficie. Estos se describen como sistemas compensados en profundidad o parcialmente compensados en profundidad. La adición de gas se activa cuando el volumen del contrapulmón es bajo, lo que activa una válvula de demanda.
El caso simple de una descarga de proporción fija se puede lograr mediante contrapulmones con fuelles concéntricos , donde el gas exhalado expande ambos contrapulmones y, mientras que el fuelle externo de mayor volumen descarga de nuevo al circuito cuando el buceador inhala la siguiente respiración, el fuelle interno descarga su contenido al entorno, utilizando válvulas antirretorno para garantizar un flujo unidireccional. La cantidad procesada durante cada respiración depende del volumen corriente de esa respiración.
Hacia el final de la inhalación, el fuelle toca fondo y activa una válvula adicional, de forma muy similar a como un diafragma regulador activa la válvula de demanda , para compensar el gas descargado por el fuelle interior. Por lo tanto, este tipo de rebreather tiende a funcionar con un volumen mínimo.
Los sistemas de proporción fija suelen descargar entre el 10% (1/10) y el 25% (1/4) del volumen de cada respiración por la borda. Como resultado, la resistencia del gas es de 10 a 4 veces mayor que la del circuito abierto, y depende de la frecuencia respiratoria y la profundidad de la misma manera que para el circuito abierto. La fracción de oxígeno en el circuito depende de la proporción de descarga y, en menor medida, de la frecuencia respiratoria y la tasa de trabajo del buceador. Como parte del gas se recicla después de respirar, la fracción de oxígeno siempre será menor que la del gas de reposición, pero puede aproximarse mucho al gas de reposición después de una descarga del circuito, por lo que generalmente se elige el gas para que sea respirable a la profundidad máxima, lo que permite su uso para el rescate del circuito abierto. La fracción de oxígeno del gas del circuito aumentará con la profundidad, ya que la tasa de masa del uso metabólico del oxígeno permanece casi constante con un cambio de profundidad. Esta es la tendencia opuesta a lo que se hace en un rebreather de circuito cerrado, donde la presión parcial de oxígeno se controla para que sea más o menos la misma dentro de los límites durante toda la inmersión. El sistema de proporción fija se ha utilizado en los rebreathers DC55 y Halcyon RB80 . Los rebreathers de adición pasiva con proporciones de descarga pequeñas pueden volverse hipóxicos cerca de la superficie cuando se utiliza gas de suministro de fracción de oxígeno moderada o baja, lo que hace necesario cambiar de gas entre inmersiones profundas y superficiales. [26]
Los sistemas de compensación de profundidad descargan una parte del volumen corriente del buceador que varía en proporción inversa a la presión absoluta. En la superficie, generalmente descargan entre el 20% (1/5) y el 33% (1/3) de cada respiración, pero este valor disminuye con la profundidad, para mantener la fracción de oxígeno en el circuito aproximadamente constante y reducir el consumo de gas. Un sistema totalmente compensado en profundidad descargará un volumen de gas, inversamente proporcional a la presión, de modo que el volumen descargado a 90 m de profundidad (presión absoluta de 10 bares) será el 10% de la descarga en la superficie. Este sistema proporcionará una fracción de oxígeno aproximadamente fija independientemente de la profundidad, cuando se utiliza con el mismo gas de reposición, porque la descarga de masa efectiva permanece constante.
Los sistemas de compensación parcial de profundidad se encuentran a medio camino entre los sistemas de relación fija y los de compensación de profundidad. Proporcionan una alta relación de descarga cerca de la superficie, pero la relación de descarga no es fija ni como proporción del volumen ni de la masa respirados. La fracción de oxígeno del gas es más difícil de calcular, pero se encontrará en algún punto entre los valores límite para los sistemas de relación fija y los de compensación total. El Halcyon PVR-BASC utiliza un sistema de fuelle interno de volumen variable para compensar la profundidad.
Un sistema de adición activa agrega gas de alimentación al circuito de respiración y el exceso de gas se vierte al medio ambiente. Estos rebreathers tienden a funcionar cerca del volumen máximo.
El sistema más común de adición activa de gas de reposición en rebreathers semicerrados es mediante el uso de un inyector de flujo másico constante, también conocido como flujo estrangulado . Esto se logra fácilmente utilizando un orificio sónico, ya que siempre que la caída de presión sobre el orificio sea suficiente para garantizar el flujo sónico, el flujo másico para un gas específico será independiente de la presión aguas abajo. [27] El flujo másico a través de un orificio sónico es una función de la presión aguas arriba y la mezcla de gases, por lo que la presión aguas arriba debe permanecer constante para el rango de profundidad de trabajo del rebreather para proporcionar una mezcla predecible y confiable en el circuito de respiración, y se utiliza un regulador modificado que no se ve afectado por los cambios en la presión ambiental. La adición de gas es independiente del uso de oxígeno, y la fracción de gas en el circuito depende en gran medida del esfuerzo del buceador: es posible agotar peligrosamente el oxígeno por un esfuerzo físico excesivo.
Sólo se ha comercializado un modelo que utiliza este principio de control de la mezcla de gases. Se trata del Interspiro DCSC . El principio de funcionamiento consiste en añadir una masa de oxígeno proporcional al volumen de cada respiración. Este enfoque se basa en el supuesto de que la frecuencia respiratoria volumétrica de un buceador es directamente proporcional al consumo metabólico de oxígeno, lo que, según indican las pruebas experimentales, es lo suficientemente aproximado como para funcionar. [28]
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 completamente 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. [28]
El resultado es la adición de una masa de gas proporcional al volumen de ventilación y la fracción de oxígeno es estable en el rango normal de esfuerzo.
El volumen de la cámara de dosificación se adapta a una mezcla de gas de suministro específica y cambia cuando se cambia el gas. El DCSC utiliza dos mezclas estándar de nitrox: 28% y 46%. [28]
Este es el primer tipo de rebreather y fue utilizado comúnmente por las armadas y para el rescate de minas desde principios del siglo XX. Los rebreathers de oxígeno pueden tener diseños notablemente simples y fueron inventados antes del buceo de circuito abierto. Solo suministran oxígeno, por lo que no es necesario controlar la mezcla de gases más allá de purgarla antes de usarla y eliminar el dióxido de carbono. [29]
En algunos rebreathers, por ejemplo, el Siebe Gorman Salvus , el cilindro de oxígeno tiene dos mecanismos de suministro de oxígeno en paralelo. Uno es de flujo constante y el otro es una válvula de encendido y apagado manual llamada válvula de derivación. Ambos alimentan el contrapulmón . [30] No hay necesidad de una segunda etapa y el gas se puede abrir y cerrar en la válvula del cilindro.
Otros, como el USN Mk25 UBA, se suministran automáticamente a través de una válvula de demanda en el contrapulmón, que agregará gas en cualquier momento en que el contrapulmón se vacíe y el buceador continúe inhalando. El oxígeno también se puede agregar manualmente mediante un botón que activa la válvula de demanda, equivalente al botón de purga en una válvula de demanda de circuito abierto. [15]
Algunos rebreathers de oxígeno simples no tenían un sistema de suministro automático, solo la válvula de alimentación manual, y el buceador tenía que operar la válvula a intervalos para rellenar la bolsa de respiración a medida que el volumen de oxígeno disminuía por debajo de un nivel cómodo. Esto es una carga de trabajo, pero el buceador no puede ignorar la necesidad de rellenar. El control del volumen en el circuito también controlaría la flotabilidad.
Los buceadores militares, fotográficos y recreativos utilizan rebreathers de circuito cerrado porque permiten inmersiones prolongadas y no producen burbujas. [31] Los rebreathers de circuito cerrado suministran dos gases respirables al circuito: uno es oxígeno puro y el otro es un diluyente o gas diluyente como aire, nitrox, heliox o trimix. [32]
Una de las principales funciones del rebreather de circuito cerrado es controlar la presión parcial de oxígeno en el circuito y advertir al buceador si se vuelve peligrosamente baja o alta. Una concentración demasiado baja de oxígeno produce hipoxia que conduce a la inconsciencia y, en última instancia, a la muerte. Una concentración demasiado alta de oxígeno produce hiperoxia, que conduce a toxicidad por oxígeno , una afección que causa convulsiones que pueden hacer que el buceador pierda la boquilla cuando ocurren bajo el agua y pueden provocar ahogamiento . El sistema de monitoreo utiliza celdas de combustible electrogalvánicas sensibles al oxígeno para medir la presión parcial de oxígeno en el circuito. La presión parcial de oxígeno en el circuito generalmente se puede controlar dentro de una tolerancia razonable de un valor fijo. Este punto de ajuste se elige para proporcionar un riesgo aceptable de toxicidad por oxígeno tanto a largo plazo como aguda, al tiempo que minimiza los requisitos de descompresión para el perfil de inmersión planificado. [32]
En los rebreathers de circuito cerrado controlados manualmente, el buzo controla la mezcla de gases. El buzo puede controlar manualmente la mezcla añadiendo gas diluyente u oxígeno. Añadir diluyente puede evitar que la mezcla de gases del circuito cerrado se vuelva demasiado rica en oxígeno, y se añade oxígeno para aumentar la concentración de oxígeno.
En los sistemas de circuito cerrado totalmente automáticos, una válvula solenoide controlada electrónicamente inyecta oxígeno en el circuito cuando el sistema de control detecta que la presión parcial de oxígeno en el circuito ha caído por debajo del nivel requerido. Los CCR controlados electrónicamente pueden cambiarse a control manual en caso de que se produzcan algunas fallas en el sistema de control. [32]
La adición de gas para compensar la compresión durante el descenso generalmente se realiza mediante una válvula diluyente automática. [16]
En 1912, la empresa alemana Drägerwerk de Lübeck introdujo una versión del traje de buceo estándar que utilizaba un suministro de gas de un respirador de oxígeno y no un suministro de superficie. El sistema utilizaba un casco de buceo de cobre y un traje de buceo pesado estándar con un conjunto de cilindros y depurador montados en la espalda. El gas respirable circulaba mediante un sistema de inyector en el circuito alimentado por el gas añadido. Este sistema se desarrolló aún más con el casco "Bubikopf" Modelo 1915 y el sistema de respirador de oxígeno DM20 para profundidades de hasta 20 m, y el respirador de gas mixto DM40 que utilizaba un cilindro de oxígeno y un cilindro de aire para el suministro de gas, produciendo una mezcla de nitrox, para profundidades de hasta 40 m. [33]
La Marina de los EE. UU. desarrolló una variante del sistema Mark V para buceo con heliox. Estos se utilizaron con éxito durante el rescate de la tripulación y el salvamento del USS Squalus en 1939. El casco de gas mixto heliox Mark V Mod 1 de la Marina de los EE. UU. se basa en el casco Mark V estándar, con un recipiente depurador montado en la parte posterior del casco y un sistema de inyección de gas de entrada que recircula el gas respirable a través del depurador para eliminar el dióxido de carbono y, por lo tanto, conservar el helio. El casco de helio usa la misma coraza que un Mark V estándar, excepto que el mecanismo de bloqueo se reubica en la parte delantera, no hay grifo, hay una conexión eléctrica adicional para ropa interior calentada y en versiones posteriores se instaló una válvula de escape de dos o tres etapas para reducir el riesgo de inundación del depurador. [8] El suministro de gas al buzo estaba controlado por dos válvulas. La "válvula Hoke" controlaba el flujo a través del inyector hacia el "aspirador" que hacía circular el gas desde el casco a través del depurador, y la válvula de control principal se utilizaba para el rescate del circuito abierto, el lavado del casco y para el suministro de gas adicional durante el trabajo duro o el descenso. El caudal de la boquilla del inyector era nominalmente de 0,5 pies cúbicos por minuto a 100 psi por encima de la presión ambiental, lo que haría pasar 11 veces el volumen del gas inyectado a través del depurador. [9]
Ambos sistemas eran semicerrados y no controlaban las presiones parciales de oxígeno. Ambos utilizaban un sistema de inyección para recircular el gas respirable y no aumentaban el trabajo respiratorio.
Ha habido algunos diseños de rebreather (por ejemplo, el Oxylite) que tenían un recipiente absorbente lleno de superóxido de potasio , que emite oxígeno al absorber dióxido de carbono: 4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3O 2 ; tenía un cilindro de oxígeno muy pequeño para llenar el circuito al comienzo de la inmersión. [34] Este sistema es peligroso debido a la reacción explosivamente caliente que ocurre si el agua entra en contacto con el superóxido de potasio. El rebreather militar y naval ruso IDA71 fue diseñado para funcionar en este modo o como un rebreather común.
Las pruebas realizadas con el IDA71 en la Unidad de Buceo Experimental de la Marina de los Estados Unidos en la ciudad de Panamá, Florida, demostraron que el IDA71 podía proporcionar un tiempo de inmersión significativamente más largo con superóxido en uno de los recipientes que sin él. [34]
Esta tecnología se puede aplicar tanto a rebreathers de oxígeno como de gases mixtos, y puede utilizarse para buceo y otras aplicaciones.
Se puede utilizar un suministro de oxígeno líquido para los rebreathers de oxígeno o de gases mixtos. Si se utiliza bajo el agua, el contenedor de oxígeno líquido debe estar bien aislado contra la transferencia de calor desde el agua. Los equipos industriales de este tipo pueden no ser adecuados para el buceo, y los equipos de buceo de este tipo pueden no ser adecuados para su uso fuera del agua debido a los requisitos contradictorios de transferencia de calor. El tanque de oxígeno líquido del equipo debe llenarse inmediatamente antes de su uso.
Un rebreather criogénico elimina el dióxido de carbono congelándolo en una "caja de nieve" por la baja temperatura que se produce cuando el oxígeno líquido se evapora para reemplazar el oxígeno utilizado.
Sub-Marine Systems Corporation construyó un prototipo de rebreather criogénico llamado S-1000. Tenía una duración de 6 horas y una profundidad máxima de inmersión de 200 metros (660 pies). Su ppO2 podía ajustarse a cualquier valor de entre 0,2 y 2 bares (3 a 30 psi) sin electrónica, controlando la temperatura del oxígeno líquido, controlando así la presión de equilibrio del gas oxígeno sobre el líquido. El diluyente podía ser nitrógeno o helio dependiendo de la profundidad de la inmersión. La presión parcial de oxígeno se controlaba mediante la temperatura, que se controlaba controlando la presión a la que se permitía que el nitrógeno líquido hirviera, que se controlaba mediante una válvula de alivio de presión ajustable. No se necesitaban válvulas de control aparte de la válvula de alivio de presión de nitrógeno. También se utilizó baja temperatura para congelar hasta 230 gramos de dióxido de carbono por hora del circuito, lo que corresponde a un consumo de oxígeno de 2 litros por minuto, ya que el dióxido de carbono se congela a partir del estado gaseoso a -43,3 °C o menos. Si el oxígeno se consumía más rápido debido a una gran carga de trabajo, se necesitaba un depurador normal. No se necesitaba electrónica, ya que todo seguía el ajuste de la presión de liberación de nitrógeno de la unidad de refrigeración, y la refrigeración por evaporación del nitrógeno líquido mantenía una temperatura constante hasta que se agotaba el nitrógeno líquido. El flujo de gas del circuito pasaba por un intercambiador de calor de contracorriente, que recalentaba el gas que regresaba al buzo enfriando el gas que se dirigía a la caja de nieve (el depurador criogénico). El primer prototipo, el S-600G, se completó y se probó en aguas poco profundas en octubre de 1967. El S1000 se anunció en 1969, [35] [36] pero los sistemas nunca se comercializaron. [37]
Los rebreathers criogénicos se utilizaron ampliamente en la oceanografía soviética en el período de 1980 a 1990. [37] [38] [39]
El buceador respira desde el circuito del rebreather a través de una boquilla con mordida o una máscara oronasal que puede ser parte de una máscara facial completa o un casco de buceo . La boquilla está conectada al resto del rebreather mediante mangueras de respiración flexibles. La boquilla de un rebreather de buceo generalmente incluirá una válvula de cierre y puede incorporar una válvula de inmersión/superficie o una válvula de rescate o ambas. En los rebreathers configurados en bucle, la boquilla suele ser el lugar donde se colocan las válvulas antirretorno para el bucle. [16]
La válvula de buceo/superficie (DSV) es una válvula en la boquilla que puede alternar entre el circuito y el entorno ambiental. Se utiliza para cerrar el circuito en la superficie y permitir que el buceador respire aire atmosférico, y también se puede utilizar bajo el agua para aislar el circuito de modo que no se inunde si se saca la boquilla de la boca. [16]
Una válvula de inmersión/superficie que se puede conmutar para cerrar el circuito y abrir simultáneamente una conexión a una válvula de demanda de circuito abierto se conoce como válvula de rescate (BOV), ya que su función es cambiar al rescate de circuito abierto sin tener que quitar la boquilla. Un dispositivo de seguridad importante cuando se produce una intoxicación por dióxido de carbono . [40]
Una correa de retención de boquilla (MRS) es un elemento del equipo de seguridad que es una característica de diseño obligatoria para los rebreathers vendidos en la UE y el Reino Unido, de acuerdo con la norma europea para rebreathers EN14143:2013. La experiencia de la marina durante varios años ha demostrado que las correas de retención de boquilla son efectivas para proteger las vías respiratorias en un buceador con rebreather inconsciente como alternativa a una máscara facial completa. El dispositivo debe ser ajustable o autoajustable, para sujetar la boquilla de manera firme y cómoda en la boca del usuario y mantener un sello. La MRS también reduce la tensión en la mandíbula durante la inmersión. [41]
Se utilizan mangueras de caucho sintético corrugado flexible para conectar la boquilla al resto del circuito respiratorio, ya que permiten el libre movimiento de la cabeza del buceador. Estas mangueras están corrugadas para permitir una mayor flexibilidad y, al mismo tiempo, mantener una alta resistencia al colapso. Las mangueras están diseñadas para proporcionar una baja resistencia al flujo del gas respirable. Se utiliza una sola manguera de respiración para la configuración de péndulo (push-pull) y dos mangueras para una configuración de bucle unidireccional. [16] Se pueden utilizar pesos en las mangueras para reducir la flotabilidad excesiva.
El contrapulmón es una parte del circuito cuyo volumen está diseñado para cambiar en la misma cantidad que el volumen corriente del usuario al respirar. Esto permite que el circuito se expanda y contraiga cuando el usuario respira, lo que permite que el volumen total de gas en los pulmones y el circuito permanezca constante durante todo el ciclo respiratorio. El volumen del contrapulmón debe permitir el máximo volumen de respiración probable de un usuario, pero generalmente no necesita coincidir con la capacidad vital de todos los posibles usuarios. [42] [16]
Bajo el agua, la posición del contrapulmón (sobre el pecho, sobre los hombros o sobre la espalda) tiene un efecto sobre el trabajo hidrostático de la respiración . Esto se debe a la diferencia de presión entre el contrapulmón y el pulmón del buceador causada por la distancia vertical entre ambos. [42]
Los buceadores recreativos, técnicos y muchos profesionales pasan la mayor parte del tiempo bajo el agua nadando boca abajo y en posición horizontal. Los contrapulmones deberían funcionar bien con poco esfuerzo respiratorio en esta posición y con el buceador en posición vertical.
El diseño de los contrapulmones también puede afectar la aerodinámica del buceador debido a la ubicación y la forma de los contrapulmones, si no están en una carcasa.
Un rebreather que utiliza contrapulmones de goma que no están dentro de una carcasa cerrada debe protegerse de la luz solar cuando no esté en uso, para evitar que la goma se deteriore debido a la luz ultravioleta .
La mayoría de los rebreathers de buceo semicerrados con adición pasiva controlan la mezcla de gases eliminando una proporción volumétrica fija del gas exhalado y reemplazándolo con gas de alimentación fresco desde una válvula de demanda, que se activa cuando el volumen del contrapulmón es bajo.
Para ello se utilizan contrapulmones con fuelle concéntricos: el contrapulmón está configurado como un fuelle con una parte superior e inferior rígidas y tiene una membrana corrugada flexible que forma las paredes laterales. En el interior hay un segundo fuelle más pequeño, también conectado a las superficies superior e inferior rígidas del contrapulmón, de modo que a medida que las superficies rígidas se acercan y se alejan entre sí, los volúmenes del fuelle interior y exterior cambian en la misma proporción.
El gas exhalado expande los contrapulmones y parte de él fluye hacia el fuelle interior. Al inhalar, el buceador solo respira desde el contrapulmón exterior; el flujo de retorno desde el fuelle interior está bloqueado por una válvula antirretorno. El fuelle interior también se conecta a otra válvula antirretorno que se abre al ambiente exterior y, por lo tanto, el gas del fuelle interior se descarga del circuito en una proporción fija del volumen de la respiración inhalada. Si el volumen del contrapulmón se reduce lo suficiente como para que la cubierta rígida active la válvula de demanda de gas de alimentación, se agregará gas hasta que el buceador termine esa inhalación.
Los gases exhalados se dirigen a través del depurador químico, un recipiente lleno de un absorbente de dióxido de carbono adecuado, como una forma de cal sodada , que elimina el dióxido de carbono de la mezcla de gases y deja el oxígeno y otros gases disponibles para volver a respirar. [43]
Algunos de los productos químicos absorbentes se producen en formato granulado para aplicaciones de buceo, como Atrasorb Dive, Sofnolime , Dragersorb o Sodasorb. Otros sistemas utilizan un cartucho preenvasado basado en Cortina de Plástico Reactivo (RPC): [44] El término Cortina de Plástico Reactivo se utilizó originalmente para describir las cortinas absorbentes de Micropore para uso submarino de emergencia por parte de la Marina de los EE. UU., y más recientemente RPC se ha utilizado para referirse a sus Cartuchos de Plástico Reactivo, que se afirma que brindan un rendimiento mejor y más confiable que el mismo volumen de material absorbente granular. [45]
El dióxido de carbono que pasa a través del absorbente del depurador se elimina cuando reacciona con el absorbente en el recipiente; esta reacción química es exotérmica . La mayor parte de esta reacción ocurre a lo largo de un "frente", que es una región a través del flujo de gas a través de la cal sodada en el recipiente. Este frente se mueve a través del recipiente del depurador, desde el extremo de entrada de gas hasta el extremo de salida de gas, a medida que la reacción consume los ingredientes activos. Este frente sería una zona con un espesor que depende del tamaño del grano, la reactividad y la velocidad del flujo de gas porque el dióxido de carbono en el gas que pasa a través del recipiente necesita tiempo para alcanzar la superficie de un grano de absorbente, y luego tiempo para penetrar al interior de cada grano de absorbente a medida que el exterior del grano se agota. Finalmente, el gas con dióxido de carbono restante alcanzará el extremo más alejado del recipiente y se producirá un "rotura". Después de esto, el contenido de dióxido de carbono del gas depurado tenderá a aumentar a medida que la eficacia del depurador disminuye hasta que se vuelve perceptible para el usuario, y luego irrespirable. [16]
En el buceo con rebreather, la duración efectiva típica del depurador será de media hora a varias horas de respiración, dependiendo de la distribución del tamaño de grano y la composición del absorbente, la temperatura ambiente, el tamaño del recipiente, el tiempo de permanencia del gas en el material absorbente y la producción de dióxido de carbono por parte del buceador.
El diseño y el tamaño del depurador son un compromiso entre el volumen, el costo de los consumibles y el trabajo respiratorio. El volumen afecta el tamaño de la unidad y la cantidad de peso de lastre necesario, lo que afecta la logística de la inmersión. El trabajo respiratorio puede ser crítico para la seguridad a mayores profundidades, donde puede convertirse en una parte significativa de la capacidad de trabajo aeróbico disponible del buceador y puede ser abrumador cuando excede el límite del buceador.
La disposición habitual es un solo depurador, pero se han utilizado configuraciones con dos depuradores, como el IDA71 , que tiene los depuradores montados en paralelo (para algunas aplicaciones uno de ellos puede llenarse con un absorbente de tipo superóxido, que genera oxígeno para reemplazar el dióxido de carbono) y el KISS Sidewinder, que tiene los depuradores en serie, con un solo contrapulmón montado en la espalda entre los depuradores para que no se produzcan cambios de flotabilidad transversales durante el ciclo respiratorio. [46]
La trayectoria del flujo de gas del depurador puede ser axial, donde el gas fluye hacia adentro por un extremo y hacia afuera por el otro, o radial, donde el gas fluye desde el centro del depurador hacia la periferia (generalmente) o viceversa. [47] La trayectoria del flujo debe tener una longitud constante para minimizar la ruptura temprana de algunas partes del depurador, lo que restringe los diseños radiales a cilindros circulares con una relación longitud-diámetro variable, y los depuradores axiales a una forma seccional aproximadamente constante a lo largo del eje de flujo (longitud).
La distribución de los tamaños de grano del sorbente afecta la porosidad del recipiente lleno. Una distribución más amplia del tamaño de grano da como resultado una porosidad baja. La porosidad varía desde aproximadamente el 32% para granos aproximadamente esféricos de tamaño uniforme (bien clasificados) hasta menos del 12% para tamaños de grano mal clasificados con una gran desviación estándar, donde los gránulos más pequeños ocupan gran parte del espacio entre los gránulos más grandes. Una porosidad baja requiere una mayor velocidad de flujo para el mismo caudal volumétrico en el mismo recipiente depurador. Un caudal alto produce una alta resistencia a la fricción y un bajo tiempo de residencia (tiempo de permanencia). La alta resistencia provoca un alto trabajo respiratorio y el bajo tiempo de residencia hace que la penetración de dióxido de carbono desde el otro lado del sorbente se produzca antes, es decir, una duración más corta del recipiente. [47]
La velocidad de reacción del absorbente depurador (sorb) se reduce a temperaturas más bajas debido a la menor energía cinética de las moléculas de gas, lo que reduce el tiempo medio antes del contacto con el material reactivo ( ecuación de Arrhenius ). La reacción del sorb libera calor, y los alrededores de agua fría absorben calor a través de las paredes del recipiente, por lo que el frente de reacción se mueve desde el extremo de entrada al extremo de salida, calentando el sorb, y el calor se pierde a través de las paredes, que están alrededor de los lados en los recipientes de flujo axial. El dióxido de carbono llega más lejos a través de las partes más frías del sorb antes de ser absorbido, por lo que tiende a atravesar primero las paredes. La ruptura ocurre en la práctica aproximadamente al 50% de la resistencia teórica del recipiente en agua a 1,7 °C. Este efecto se puede reducir aislando las paredes del recipiente donde están en contacto con el material absorbente [47]
Durante el ascenso, el gas del circuito respiratorio se expandirá y debe tener alguna vía de escape antes de que la diferencia de presión provoque lesiones al buceador o daños en el circuito. La forma más sencilla de hacerlo es que el buceador permita que el exceso de gas escape alrededor de la boquilla o por la nariz, pero una válvula de sobrepresión simple es confiable y se puede ajustar para controlar la sobrepresión permitida. La válvula de sobrepresión generalmente se monta en el contrapulmón y en los rebreathers de buceo militares puede estar equipada con un difusor, que ayuda a ocultar la presencia del buceador enmascarando la liberación de burbujas, al dividirlas en tamaños que son menos fáciles de detectar. Un difusor también reduce el ruido de las burbujas. [48] [42]
Muchos rebreathers tienen "trampas de agua" en los contrapulmones o en la carcasa del depurador, para evitar que grandes volúmenes de agua entren en el medio depurador si el buzo se quita la boquilla bajo el agua sin cerrar la válvula, o si los labios del buzo se aflojan y dejan que entre agua. [42] Algunos rebreathers tienen bombas manuales para eliminar el agua de las trampas de agua, y algunos de los SCR de adición pasiva bombean automáticamente el agua junto con el gas durante la carrera de escape del contrapulmón de fuelle. [28] [49] Otros utilizan la presión interna para expulsar el agua a través de la válvula de descarga anulada manualmente cuando está en una posición baja. [50]
Un rebreather debe tener una fuente de oxígeno para reponer el que consume el buceador. Dependiendo de la variante de diseño del rebreather, la fuente de oxígeno será oxígeno puro o una mezcla de gases respirables , que casi siempre se almacena en un cilindro de gas . En algunos casos, el oxígeno se suministra como oxígeno líquido o a partir de una reacción química. [16]
El oxígeno puro no se considera seguro para el buceo recreativo a más de 6 metros de profundidad, por lo que los rebreathers de circuito cerrado para uso a mayor profundidad también tienen un cilindro de gas diluyente . Este cilindro de diluyente puede llenarse con aire comprimido u otra mezcla de gases de buceo como nitrox , trimix o heliox . El diluyente reduce el porcentaje de oxígeno respirado y aumenta la profundidad máxima de funcionamiento del rebreather. El diluyente normalmente no es un gas libre de oxígeno, como nitrógeno puro o helio, y es respirable, por lo que puede usarse en una emergencia para limpiar el circuito con gas respirable de una composición conocida o como gas de rescate. Los buceadores suelen denominar al gas diluyente, diluyente o simplemente "dil". [16] La composición del gas diluyente también afecta la densidad del gas y, por lo tanto, el trabajo de respiración en profundidad. [17]
Se debe agregar gas al circuito de respiración si el volumen se vuelve demasiado pequeño o si es necesario cambiar la composición del gas. [16]
Esta válvula tiene una función similar a la de una válvula de demanda de circuito abierto y, en muchos casos, utiliza el mecanismo de una válvula de demanda de circuito abierto comúnmente disponible. Agrega gas al circuito si el volumen en el circuito es demasiado bajo. El mecanismo es operado por un diafragma dedicado, como en una segunda etapa de buceo, o puede ser operado por la parte superior de un contrapulmón tipo fuelle que alcanza el fondo de su recorrido. [42]
Los rebreathers de circuito cerrado generalmente permiten al buceador agregar gas manualmente. En los rebreathers de oxígeno, esto es solo oxígeno, pero los rebreathers de gas mixto generalmente tienen una válvula de adición manual separada para oxígeno y diluyente, ya que cualquiera de ellos podría ser necesario para corregir la composición de la mezcla del circuito , ya sea como método operativo estándar para CCR controlados manualmente o como un sistema de respaldo en CCR controlados electrónicamente. [42] La adición manual de diluyente a veces se realiza mediante un botón de purga en el ADV.
La adición de gas con flujo másico constante se utiliza en rebreathers semicerrados de adición activa, donde es el método normal de adición a profundidad constante, y en muchos rebreathers de circuito cerrado, donde es el método principal de adición de oxígeno, a una tasa menor que la requerida metabólicamente por el buzo en reposo, y el resto lo compone el sistema de control a través de una válvula solenoide, o manualmente por el buzo.
El flujo másico constante se logra mediante el flujo sónico a través de un orificio. El flujo de un fluido compresible a través de un orificio está limitado al flujo a velocidad sónica en el orificio. Esto se puede controlar mediante la presión aguas arriba y el tamaño y la forma del orificio, pero una vez que el flujo alcanza la velocidad del sonido en el orificio, cualquier reducción adicional de la presión aguas abajo no tiene influencia en el caudal. Esto requiere una fuente de gas a una presión fija y solo funciona a profundidades que tienen una presión ambiental lo suficientemente baja como para proporcionar un flujo sónico en el orificio.
Los reguladores que tienen sus componentes de control aislados de la presión ambiente se utilizan para suministrar gas a una presión independiente de la profundidad.
En los rebreathers de adición pasiva semicerrados, el gas se añade normalmente mediante una válvula de demanda que se activa mediante el contrapulmón del fuelle cuando el fuelle está vacío. Se trata de la misma condición de activación que la válvula de diluyente automática de cualquier rebreather, pero el mecanismo de activación real es ligeramente diferente. Un rebreather de adición pasiva de este tipo no necesita una válvula de demanda independiente, ya que la válvula de adición pasiva ya cumple esta función, aunque, por razones de redundancia de ingeniería, se pueden instalar dos válvulas de demanda de este tipo, que funcionan simultáneamente. [51] [52]
Los rebreathers de gas mixto de circuito cerrado controlados electrónicamente pueden tener parte de la alimentación de oxígeno suministrada por un orificio de flujo másico constante, pero el control fino de la presión parcial se realiza mediante válvulas operadas por solenoide accionadas por los circuitos de control. La apertura temporizada de la válvula solenoide se activará cuando la presión parcial de oxígeno en la mezcla del circuito caiga por debajo del punto de ajuste inferior.
Si el orificio de flujo másico constante se ve comprometido y no entrega el flujo correcto, el circuito de control lo compensará activando la válvula solenoide con mayor frecuencia.
En algunos rebreathers para buceo técnico es posible conectar un suministro de gas alternativo al rebreather, generalmente mediante un sistema de conexión rápida húmeda. Esta suele ser una característica de los rebreathers de emergencia y otros rebreathers de montaje lateral, donde la unidad de rebreather se mantiene intencionalmente lo más compacta posible y el suministro de gas puede colgarse del otro lado del buceador para mayor comodidad y equilibrio. Esta función también permite que todo el gas que lleva un buceador se suministre potencialmente a través de un rebreather. [53]
El gas de rescate y el procedimiento de rescate están estrechamente relacionados. El procedimiento debe ser apropiado para la configuración del suministro de gas. El rescate inicial al circuito abierto es a menudo el primer paso, incluso cuando se lleva un rebreather de rescate, ya que es simple y robusto, y se necesita algo de tiempo para preparar el rebreather de rescate para su uso. [54] El suministro de gas de rescate debe ser suficiente para un regreso seguro a la superficie desde cualquier punto de la inmersión planificada, incluida cualquier descompresión requerida, por lo que no es inusual llevar dos cilindros de rescate y que el cilindro de diluyente se use como el primer rescate para llegar a una profundidad donde se pueda usar el otro gas. En una inmersión profunda o una penetración larga, el rescate de circuito abierto puede ser fácilmente más pesado y más voluminoso que el rebreather, y para algunas inmersiones, un rebreather de rescate es una opción más práctica. [55]
Los requisitos fundamentales para el control de la mezcla de gases en el circuito respiratorio para cualquier aplicación de rebreather son que el dióxido de carbono se elimine y se mantenga a un nivel tolerable, y que la presión parcial de oxígeno se mantenga dentro de límites seguros. Para los rebreathers que se utilizan a presiones normobáricas o hipobáricas, esto solo requiere que haya suficiente oxígeno, lo que se logra fácilmente en un rebreather de oxígeno. Las aplicaciones hiperbáricas, como en el buceo, también requieren que la presión parcial máxima de oxígeno sea limitada, para evitar la toxicidad del oxígeno , que es técnicamente un proceso más complejo y puede requerir la dilución del oxígeno con un gas metabólicamente inerte.
Si no se añade suficiente oxígeno, la concentración de oxígeno en el circuito puede ser demasiado baja para sustentar la vida. En los seres humanos, la necesidad de respirar normalmente se debe a una acumulación de dióxido de carbono en la sangre, más que a la falta de oxígeno. La hipoxia puede provocar un desmayo con poca o ninguna advertencia, seguido de la muerte. [16]
El método utilizado para controlar el rango de presión parcial de oxígeno en el circuito de respiración depende del tipo de rebreather.
El volumen del circuito normalmente se controla mediante una válvula de diluyente automática activada por presión o volumen y una válvula de alivio de sobrepresión. La válvula de diluyente automática funciona según el mismo principio que una válvula de demanda para agregar diluyente cuando la presión en el circuito se reduce por debajo de la presión ambiental, como durante el descenso o si se pierde gas del circuito. El equipo también puede tener una válvula de adición manual, a veces llamada bypass. En algunos de los primeros rebreathers de oxígeno, el usuario tenía que abrir y cerrar manualmente la válvula del cilindro de oxígeno para rellenar el contrapulmón cada vez que el volumen bajaba. [16]
La instrumentación puede variar desde la profundidad mínima, el tiempo y la presión de gas restante necesarios para un rebreather de oxígeno de circuito cerrado o un rebreather de nitrox semicerrado hasta controladores electrónicos redundantes con múltiples sensores de oxígeno, computadoras de descompresión integradas redundantes, sensores de monitoreo de dióxido de carbono y una pantalla de visualización frontal de luces de advertencia y alarma con una alarma de sonido y vibración.
Se pueden proporcionar alarmas para algunos fallos de funcionamiento. Las alarmas se controlan electrónicamente y pueden depender de la información de un sensor y del procesamiento por parte del circuito de control. Estas pueden incluir: [16]
Visualizaciones de alarma: [16]
Si suena la alarma del rebreather, existe una alta probabilidad de que la mezcla de gases se esté desviando de la mezcla establecida. Existe un alto riesgo de que el gas en el circuito del rebreather pronto no sea adecuado para mantener la conciencia. Una buena respuesta general es agregar gas diluyente al circuito, ya que se sabe que es respirable. Esto también reducirá la concentración de dióxido de carbono si es alta. [16]
El trabajo respiratorio es el esfuerzo necesario para respirar. Parte del trabajo respiratorio se debe a factores fisiológicos inherentes, parte a la mecánica del aparato respiratorio externo y parte a las características del gas respirable. Un trabajo respiratorio elevado puede provocar la acumulación de dióxido de carbono en el buceador y reducir su capacidad para realizar un esfuerzo físico útil. En casos extremos, el trabajo respiratorio puede superar la capacidad de trabajo aeróbico del buceador, con consecuencias fatales. [17]
El trabajo respiratorio de un rebreather tiene dos componentes principales: el trabajo respiratorio resistivo se debe a la restricción del flujo de los conductos de gas que provoca resistencia al flujo del gas respirable y existe en todas las aplicaciones donde no hay ventilación externa. El trabajo respiratorio hidrostático solo es aplicable a aplicaciones de buceo y se debe a la diferencia de presión entre los pulmones del buceador y los contrapulmones del rebreather. Esta diferencia de presión se debe generalmente a una diferencia de presión hidrostática causada por una diferencia de profundidad entre el pulmón y el contrapulmón, pero se puede modificar lastrando el lado móvil de un contrapulmón con fuelle. [28]
El trabajo respiratorio resistivo es la suma de todas las restricciones al flujo debido a curvas, corrugaciones, cambios de dirección del flujo, presiones de agrietamiento de válvulas, flujo a través de medios depuradores, etc., y la resistencia al flujo del gas, debido a la inercia y la viscosidad, que están influenciadas por la densidad, que es una función del peso molecular y la presión. El diseño del rebreather puede limitar los aspectos mecánicos de la resistencia al flujo, particularmente mediante el diseño del depurador, los contrapulmones y las mangueras de respiración. Los rebreathers de buceo están influenciados por las variaciones del trabajo respiratorio debido a la elección de la mezcla de gases y la profundidad. El contenido de helio reduce el trabajo respiratorio y el aumento de la profundidad lo aumenta. El trabajo respiratorio también puede aumentar por la humedad excesiva del medio depurador, generalmente como consecuencia de una fuga en el circuito de respiración, o por el uso de un tamaño de grano de absorbente demasiado pequeño. [17]
Los sistemas de rebreather semicerrados desarrollados por Drägerwerk a principios del siglo XX como suministro de gas para el equipo de buceo estándar , que usaba oxígeno o nitrox, y el casco Mark V Heliox de la Marina de los EE. UU. desarrollado en la década de 1930 para buceo profundo, hacían circular el gas respirable a través del casco y el depurador mediante un sistema de inyector donde el gas agregado arrastraba el gas del bucle y producía una corriente de gas depurado más allá del buzo dentro del casco, lo que eliminaba el espacio muerto externo y el trabajo resistivo de la respiración, pero no era adecuado para frecuencias respiratorias altas. [57]
Existen problemas de seguridad específicos de los equipos de rebreather, que tienden a ser más graves en los rebreather de buceo. Los métodos para abordar estos problemas se pueden clasificar como enfoques operativos y de ingeniería. El desarrollo de soluciones de ingeniería para estos problemas está en curso y ha sido relativamente rápido, pero depende de la disponibilidad asequible de tecnología adecuada, y algunos de los problemas de ingeniería, como la fiabilidad de la medición de la presión parcial de oxígeno, han sido relativamente intratables. [58] Otros problemas, como la monitorización de la ruptura del depurador y el control automatizado de la mezcla de gases, han avanzado considerablemente en el siglo XXI, pero siguen siendo relativamente caros. El trabajo respiratorio es otro problema que tiene margen de mejora y es una limitación grave de la profundidad máxima aceptable de operación, ya que la circulación de gas a través del depurador casi siempre está impulsada por los pulmones del buceador. El diseño tolerante a fallos puede ayudar a hacer que los fallos sean superables. [5]
Algunos de los peligros se deben a la forma en que funciona el equipo, mientras que otros están relacionados con el entorno en el que se utiliza el equipo.
La hipoxia puede ocurrir en cualquier rebreather que contenga suficiente gas inerte para permitir la respiración sin activar la adición automática de gas.
En un rebreather de oxígeno, esto puede ocurrir si el circuito no se purga lo suficiente al comienzo del uso. La purga debe realizarse mientras se respira fuera de la unidad para que el gas inerte de los pulmones del usuario también se elimine del sistema.
Una presión parcial de oxígeno peligrosamente alta puede ocurrir en el circuito respiratorio por varias razones:
La acumulación de dióxido de carbono se producirá si el medio depurador está ausente, mal empaquetado, es inadecuado o está agotado. El cuerpo humano normal es bastante sensible a la presión parcial de dióxido de carbono y el usuario notará una acumulación. Sin embargo, no suele haber mucho que se pueda hacer para rectificar el problema, excepto cambiar a otro suministro de gas respirable hasta que se pueda volver a empaquetar el depurador. El uso continuo de un rebreather con un depurador ineficaz no es posible durante mucho tiempo, ya que los niveles se volverán tóxicos y el usuario experimentará una dificultad respiratoria extrema, seguida de pérdida de conciencia y muerte. La velocidad a la que se desarrollan estos problemas depende del volumen del circuito y de la tasa metabólica del usuario.
La acumulación de dióxido de carbono también puede ocurrir cuando una combinación de esfuerzo y trabajo respiratorio excede la capacidad del usuario. Si esto ocurre y el usuario no puede reducir el esfuerzo lo suficiente, puede ser imposible corregirlo. En este caso, no es el depurador el que no logra eliminar el dióxido de carbono, sino la incapacidad del buceador para hacer circular el gas de manera eficiente a través del depurador contra la resistencia de fricción del circuito lo que causa el problema. Es más probable que esto ocurra con los rebreathers de buceo a profundidades donde la densidad del gas respirable es muy elevada, o cuando el agua en el depurador obstruye el flujo de gas. [17]
Las altas presiones parciales de oxígeno aumentan considerablemente el riesgo de incendio y muchos materiales que se autoextinguen en el aire atmosférico arderán continuamente en una alta concentración de oxígeno. Esto supone un mayor riesgo para aplicaciones terrestres, como el rescate y la lucha contra incendios, que para el buceo, donde el riesgo de ignición es relativamente bajo.
La inundación del circuito que llega al depurador puede provocar un "cóctel cáustico" cuando los componentes alcalinos de los materiales absorbentes de dióxido de carbono se mezclan con el agua. Esta mezcla es cáustica y puede provocar quemaduras químicas en las mucosas y la piel. La mezcla es generalmente un líquido o una suspensión acuosa con un sabor a tiza y amargo, lo que debería incitar al buceador a cambiar a una fuente alternativa de gas respirable y enjuagarse inmediatamente la boca con agua. Algunos absorbentes de rebreather de buceo modernos están diseñados para no producir un "cóctel cáustico" si se mojan. [ cita requerida ]
Los rebreathers de buceo son susceptibles a algunos modos de falla que no pueden ocurrir en otros aparatos de respiración.
El término "ruptura" significa que el depurador no logra seguir eliminando suficiente dióxido de carbono del gas que circula en el circuito. Esto ocurrirá inevitablemente si el depurador se utiliza durante demasiado tiempo, pero puede ocurrir de forma prematura en algunas circunstancias. Hay varias formas en las que el depurador puede fallar o volverse menos eficiente:
La inundación del circuito de respiración puede ocurrir debido a una fuga en un punto bajo del circuito donde la presión interna del gas es menor que la presión externa del agua. Una de las formas más comunes en que esto puede suceder es si la boquilla se desencaja o se retira de la boca del buceador sin cerrar primero la válvula de inmersión/superficie o cambiar a rescate. Esto puede suceder debido a un impacto accidental o por una falta de atención momentánea. Dependiendo de la disposición del circuito y la actitud del rebreather en el agua, la cantidad de ingreso de agua puede variar, al igual que la distancia que recorre en los conductos de aire del circuito de respiración. En algunos modelos de rebreather, una cantidad moderada de agua quedará atrapada en un punto bajo en un contrapulmón o en la carcasa del depurador, y se evitará que llegue al absorbente en el depurador. Algunos rebreathers tienen un sistema para expulsar el agua atrapada de esta manera, ya sea automáticamente a través de la válvula de ventilación, como en el Halcyon RB80 y el Interspiro DCSC , [28] o manualmente utilizando una pequeña bomba.
Existen varios lugares en un rebreather donde la fuga de gas puede causar problemas. La fuga puede ocurrir en los componentes de presión alta e intermedia y en el circuito, a una presión ligeramente superior a la ambiental. Los efectos sobre la integridad del sistema dependen de la gravedad de la fuga. Si solo se pierden pequeños volúmenes de gas, la fuga puede ser tolerable durante el resto de la inmersión, pero una fuga puede volverse más grave, dependiendo de la causa, y en algunos casos puede empeorar catastróficamente.
Una falla en el control del oxígeno puede provocar una presión parcial incorrecta de oxígeno en el gas respirable. Las consecuencias pueden incluir hipoxia, hiperoxia e información incorrecta sobre la descompresión, las tres potencialmente mortales.
Los métodos disponibles para monitorear el estado del depurador y predecir e identificar una ruptura inminente incluyen:
La tolerancia a fallos es la propiedad que permite que un sistema siga funcionando correctamente en caso de que falle alguno de sus componentes. Si su calidad operativa disminuye, la disminución es proporcional a la gravedad del fallo, en comparación con un sistema diseñado de forma ingenua, en el que incluso un fallo pequeño puede provocar un colapso total. La tolerancia a fallos es particularmente importante en sistemas de alta disponibilidad o críticos para la seguridad . La capacidad de mantener la funcionalidad cuando fallan partes de un sistema se conoce como degradación elegante. [62]
El rebreather básico de oxígeno de circuito cerrado es un dispositivo muy simple y mecánicamente confiable, pero tiene severas limitaciones operativas debido a la toxicidad del oxígeno. Los métodos para extender de forma segura el rango de profundidad requieren una mezcla variable de gases de respiración. Los rebreathers semicerrados tienden a ser ineficientes para la descompresión y no son completamente predecibles en cuanto a la composición del gas en comparación con un rebreather de circuito cerrado controlado con precisión. El monitoreo de la composición del gas en el circuito de respiración solo se puede realizar mediante sensores eléctricos, lo que lleva la confiabilidad subacuática del sistema de detección electrónica a la categoría de componente crítico para la seguridad. [5]
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. [5]
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. [5] Las entradas incluyen señales de 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, una interfaz de entrada de usuario en forma de interruptores de botón y posiblemente alarmas de audio y vibratorias. [5]
En un sistema de control de la combustión interna 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, las válvulas solenoides o la unidad de control. [5]
The purely mechanical components are relatively robust and reliable and tend to degrade non-catastrophically, and are bulky and heavy, so the electronic sensors and control systems have been the components where improved fault tolerance has generally been sought. Oxygen cell failures have been a particular problem, with predictably serious consequences, so the use of multiple redundancy in oxygen partial pressure monitoring has been an important area of development for improving reliability. A problem in this regard is the cost and relatively short lifespan of oxygen sensors, along with their relatively unpredictable time to failure, and sensitivity to the environment.[5]
To automatically detect and identify oxygen sensor malfunction, either the sensors must be calibrated with a known gas, which is very inconvenient at most times during a dive, but is possible as an occasional test when a fault is suspected, or several cells can be compared and the assumption made that cells with near identical output are functioning correctly. This voting logic requires a minimum of three cells, and reliability increases with number.[5] To combine cell redundancy with monitoring circuit, control circuit and display redundancy, the cell signals should all be available to all monitoring and control circuits in normal conditions. This can be done by sharing signals at the analog or digital stage – the cell output voltage can be supplied to the input of all monitoring units, or the voltages of some cells can be supplied to each monitor, and the processed digital signals shared. The sharing of digital signals may allow easier isolation of defective components if short circuits occur. The minimum number of cells in this architecture is two per monitoring unit, with two monitoring units for redundancy, which is more than the minimum three for basic voting logic capability.[5]
The three aspects of a fault tolerant rebreather are hardware redundancy, robust software and a fault detection system. The software is complex and comprises several modules with their own tasks, such as oxygen partial pressure measurement, ambient pressure measurement, Oxygen injection control, decompression status calculation and the user interface of status and information display and user inputs. It is possible to separate the user interface hardware from the control and monitoring unit, in a way that allows the control system to continue to operate if the relatively vulnerable user interface is compromised.[5]
Characteristics that would improve safety include:[4]
Rebreathers are more complex to use than open circuit scuba, and have more potential points of failure, so acceptably safe use requires a greater level of skill, attention and situational awareness, which is usually derived from understanding the systems, diligent maintenance and overlearning the practical skills of operation and fault recovery. Fault tolerant design can make a rebreather less likely to fail in a way that immediately endangers the user, and reduces the task loading on the diver which in turn may lower the risk of operator error.
Rebreather technology has advanced considerably, often driven by the growing market in recreational diving equipment, particularly in underwater cave exploration. Innovations include:
Accurate and reliable oxygen partial pressure measurement is one of the most problematic factors in rebreather diving safety. Control systems using this data have developed to the extent that they are robust and reliable, and the use of an independent backup improves the reliability to about as good as for any other component. The weakest point is the sensors, which are prone to several modes of failure, some of which are relatively insidious as the cell may pass a normobaric calibration and fail when the partial pressure is near the high end of the acceptable working range, which is also the range in which constant partial pressure diving has the maximum benefit. When it has been possible to infer the cause, the leading cause of rebreather fatalities is hypoxia, at approximately 17%, with hyperoxia assumed in an additional 4% of cases. If these trends extend into the range of indeterminate cases, it is possible that inappropriate oxygen content is involved in 30% of rebreather fatalities.[63]
The standard method for improving reliability of oxygen monitoring has been multiple redundancy – the use of 3 or more sensors – and using the multiple data inputs with a voting logic system to try to identify failure of a sensor in time to make a controlled and safe termination of the dive. Voting logic normally assumes that if one sensor produces a reading significantly differing from two or more others when exposed to the same environment, the outlier is faulty, and the input of the others is assumed accurate. Unfortunately this is not always the case, and there have been cases where the outlier sensor was most correct. It has been shown that the reliability of this system is lower than originally expected due to a lack of sufficient statistical independence of the three sensors, and that outcomes are not symmetrical – the effects of faulty low or high partial pressure readings are also depth dependent.[63]
If a sensor gives relatively static output with little response to variations in depth and temperature, and changes in gas composition due to use, gas addition, incomplete mixing or loop turbulence, it is likely that the sensor may not be responding correctly, and when two sensors follow a similar pattern of response this is a warning that both may be defective. Algorithms that track sensor output against expected output taking known changes into account can indicate reliability of the sensors. This method of monitoring sensors is known as passive sensor validation (PSV), can be used to improve reliability of sensor integrity assessment, and can be used in the control system to make more reliable decisions on which sensors are most likely to be giving trustworthy output in comparison with voting logic based only on calibration values for the sensors. PSV is an improvement on simple voting logic but is still susceptible to errors related to statistical independence of components.[63]
Early work on design of an automatic sensor validation system, in which the rebreather control system would periodically inject gas of known composition onto the oxygen sensors during the dive and use the output to determine the viability of the sensor response with greater precision and accuracy than a human diver, was started in 2002, and further developed to be used on the Poseidon/Cis-Lunar MK-VI rebreather. This "Active Sensor Validation" (ASV) system has been refined over thousands of hours of field test diving in varied conditions[63]
The ASV system has become more sophisticated than the manual implementation in the Cis-Lunar MK-5P. It involves more than comparing the measured PO2 value from the sensor with the calculated PO2 of the diluent at the current depth. In the implementation in the Poseidon rebreathers the computer automatically injects either diluent or oxygen directly onto a single primary oxygen sensor every five minutes during a dive. The algorithm takes into account current depth, FO2 of the injected gas, ambient temperature, duration of gas injection, and calibration values for the sensor for that dive to predict how the sensor should respond over the next few seconds after each gas injection, and compares that with the measured results to produce a confidence level for correct sensor performance.[63]
This type of sensor validation test can identify several modes of failure by the ways the measured values deviate from expected values with variations of calculated partial pressure of the test gas, and is capable of detecting failures due to incorrect temperature readings, incorrect input of the FO2 of the diluent condensation on the oxygen sensor, a defective oxygen sensor, validation gas supply failure and other reasons that would not be detected by voting logic.[63]
The oxygen sensors for most rebreathers are calibrated at the surface before the dive using air or 100% oxygen at normal atmospheric pressure. These are reliable calibration points but the range of operational partial pressures may extend beyond these calibration points, and if the sensors are calibrated for a linear response between these conditions and the response is extrapolated, for set points above 1 bar, which is standard practice, the control system must operate outside of the range for which response is known to be linear. One of the most common modes of failure is for a cell to become current-limited as it ages. The internal impedance changes as the anode is consumed by the reaction which produces the output current, and the response becomes non-linear at higher oxygen partial pressures. The signal may indicate a lower partial pressure and does not increase proportionately as oxygen is added, leading to a loop oxygen partial pressure that may increase to dangerous levels without warning. A way of validating the sensors at high partial pressures is to expose the sensor to higher PO2 than the upper set point by exposing it to pure oxygen at a depth of 6 m, for a PO2 of 1.6 bar during the dive, or at 1.6 bar or more in a calibration pressure pot. Both these methods are cumbersome and the in-water method may cause spiking of the PO2 during descent. A variation of the ASV system using oxygen, called a hyperoxic linearity test (HLT), uses oxygen as the flushing gas at 6 m, which can check that the sensor is linear to 1.6 bar PO2, and if it fails, the set point can be automatically reduced to within the linear range established during calibration. A single sensor with PSV and ASV has been shown to be more reliable than three sensors with conventional voting logic. The effectiveness of cell validation algorithms is expected to improve with the acquisition of more field data gathered by the rebreather control systems.[63]
Hypercapnia has been identified as one of the most prevalent factors in rebreather diving fatalities. This is generally a consequence of scrubber failure to remove carbon dioxide as fast as it is produced, which may be caused by any one or a combination of spent, wet, or inadequately packed, absorbent material, incorrectly designed or assembled canisters, mismatch of absorbent and canister design, or absorbent used beyond its operational range. Higher carbon dioxide partial pressure in the loop leads to higher levels of carbon dioxide in the blood and tissue, which can have a range of symptoms including respiratory distress, increased susceptibility to CNS oxygen toxicity, disorientation, and loss of consciousness.[63]
Most rebreather designs have relied on very conservative time-based limits for absorbent duration based on experimental testing, using cold conditions and high workloads and high depth pressures. The usually unnecessarily high conservatism encourages divers to stretch the absorbent duration, which works well enough until it doesn't, often without warning, which can have serious consequences. A more sophisticated method is to base absorbent duration limits on metabolic oxygen consumption, as a proxy for metabolic carbon dioxide production, which is reasonably stable for most people most of the time, and can compensate fairly well for variations in exertion and base metabolism, but does not compensate reliably for depth and pressure effects on absorbent function.[63]
A more direct and empirical approach is to take advantage of the production of heat and rise in temperature of the active zone of the absorbent in the scrubber. More carbon dioxide is absorbed by the first zone of relatively unused absorbent that it reaches as the breathing gas passes through the scrubber, and this relatively active zone progresses through the canister as the zone first reached by the gas is exhausted, and more reaction occurs further along. This reaction front is at a higher temperature than the spent absorbent, and the absorbent not yet exposed to high carbon dioxide levels, and the front progresses along the scrubber until part of it reaches the end of the absorbent, and unscrubbed gas breaks through to the other side of the loop, after which there is a fairly constant and irreversible increase in inspired carbon dioxide.[63] Some rebreather manufacturers have developed linear temperature probes which identify the position of the reactive front, allowing the user to estimate the remaining duration of the canister.
None of these methods can detect canister bypass and they have little ability to identify completely spent absorbent, channeling, badly packed, or inappropriate absorbent material, but this can be done by a direct measurement of carbon dioxide partial pressure in the inhalation side of the loop.[63]
Research and development of carbon dioxide sensors goes back at least as far as the early 1990s when Teledyne Analytical Instruments and Cis-Lunar Development Laboratories worked on a sensor for the Cis-Lunar MK-III rebreather, which was accurate in laboratory conditions but in the field susceptible to high humidity and condensation causing unreliable readings, which was a recurring problem with real-time carbon dioxide measurement. High pressures also caused problems for depth compensation. In 2009 VR Technologies released a commercial CO2 sensor using hydrophobic membranes to keep the sensors dry without excessively reducing gas flow to the sensors.[63]
Since then other manufacturers have introduced their products to the market but they have not gained widespread use. They are relatively expensive, give unreliable readings in some circumstances, can only detect failure of the scrubber, and do not predict remaining duration. A combination of temperature measurement and post scrubber CO2 measurement can give both prediction and failure warning, for increased cost and complexity.[63]
Placement of the sensor in the loop can affect sensitivity to actual CO2 content of inspired gas. Measuring gas in the mouthpiece has problems due to dead space, and mounting in the inhalation hose near the mouthpiece makes the sensor sensitive to small leaks in the inhalation check valve, while also able to detect high CO2 due to major check valve leaks which would cause a big increase in dead space, which would not be detected if the sensor is further upstream in the loop.[63]
Furthermore, increased levels of CO2 in inspired gas is only one cause of hypercapnia. It is also affected by work of breathing, diver fitness, respiratory ventilation patterns, and other behavioural, physiological, and mechanical factors. A better option would be to measure both inhaled and exhaled CO2 levels, and this would require sensors that are fast and reliable in wet conditions, and reasonably inexpensive[63]
Following the strong endorsement by Rebreather Forum 3 of the use of written checklists to improve safety, Cis-Lunar Development Laboratories programmed an electronic pre-dive checklist into their MK-5P rebreather operating system, as a way to prevent the user from neglecting to carry out the recommended checks before use. This was considered successful and implemented on later generations in the Poseidon MK-VI and SE7EN rebreathers, and developed to include robust internal diagnostics for the core electronic components and software, and automatic calibration of the oxygen sensor cells at normobaric pressures. Failure to complete the full checklist results in a range of alarms if the user attempts to dive with the unit. While not entirely foolproof – Oxygen cells are not calibrated at hyperbaric working pressures – a number of safety critical errors will be picked up and the diver made aware of them. The software also logs the steps and data from the pre-dive check and this has been valuable for accident analysis. The pre-dive checks also take less time and require no paper or user logging effort. This system has been shown to reduce risk and has been adopted by several manufacturers.[63]
The user interface of the rebreather control system is where information is exchanged between the diver and the electronic control system, and is an area with several possibilities for errors, both of user input and data interpretation, some of which could have serious or fatal consequences. The intrinsically higher risk of mechanical failure due to high complexity can be compensated by engineering redundancy, both of the control system and bailout gas supply, and appropriate training. The design of the human–machine interface (HMI) can be improved to reduce the risk of misunderstanding and error, and training can focus on correct interpretation of the information and appropriate response. The HMI usually has two main components, displays and alarms, and many of the alarms are associated with specific visual information.[63]
A challenge of designing effective alarms is to ensure that the diver is not distracted by irrelevant information and that they are not triggered too easily, which habituates the diver to paying less attention, and while possibly fulfilling legal requirements regarding warnings and alarms, may make the equipment functionally less safe to use. One strategy to avoid this problem is to target different senses – auditory, visual and tactile – sometimes based on a vibratory output to the mouthpiece.[63]
An effective display ensures that the user gets the information they need when they need it, and the information they want when they want it, in a form that is immediately recognised and unambiguously understood. When too much information is presented at a time of stress, the user may be confused or unable to distinguish the useful information in time to use it effectively. At other times more detailed information may be useful or necessary to make a correct decision. Multiple displays, or multiple views on the same display can help with this.[63]
A trend in rebreather displays that is predicted to become more widespread,[63] is the use of advanced head-up displays, which can provide a wider range of information by using an array of coloured lights or more complex graphical or alphanumeric displays that remain peripherally visible to the diver at all times, and only require eye movement to become fully readable.[63]
A major logistical problem for long and deep rebreather dives is the volume of bailout equipment that must be carried to allow a safe return to the surface from any point of the dive after irrecoverable failure of the primary system. The open circuit option can become extremely bulky and awkward to manage, and while more compact and efficient, the rebreather option has its own set of logistic challenges.[63]
One of the main design challenges in developing a closed circuit bailout system for rebreathers is to maintain the bailout set in a condition ready for use at all depths. This implies breathable gas for the depth, though not necessarily optimised, as the mix can be brought to set point quite rabidly after bailout, and a gas volume that does not vary excessively, so that buoyancy control is not unduly complicated. The bulk of the system must be manageable, and the bailout set mouthpiece must be easily accessible, but secure. Since bailout rebreathers are most likely to be used on dives with large decompression obligations, the switch to bailout must be accommodated by the decompression management system. If real-time monitoring of oxygen partial pressure is included in decompression computation, it must be possible to transfer this facility between units, without compromising their independence. Task-loading of the diver in managing the two loops must not be excessive, as the diver is recognised as the least reliable aspect of the operation, and may be under significant stress when bailout becomes necessary.[63]
Data logged from rebreather dives is useful for accident analysis, testing and development of rebreathers, and for diver educational purposes. Dive profile logging by integrated decompression computers is also of value for research into effectiveness of decompression schedules. Aggregation of such data can provide insights into diving patterns across the population of users and help in analysing risk.[63]
The control systems of electronic rebreathers have continued to increase in processing and storage capacity, and in parallel, their capacity for capturing data at increased granularity and precision has increased. In 1994 the Cis-Lunar Mk-IV data logging system recorded data at several hundred points per hour of dive time, and by 1997 the Cis-Lunar Mk-5P was logging over a thousand points per hour. By 2007 the Poseidon MK-VI Discovery was logging between 15,000 and 25,000 points per hour, and in 2016 the Poseidon SE7EN recorded more than double that quantity, in alignment with the recommendations of Rebreather Forum 3, which states:[63]
The forum recommends that all rebreathers incorporate data-logging systems that record functional parameters relevant to the particular unit and dive data and that allow download of these data. Diagnostic reconstruction of dives with as many relevant parameters as possible is the goal of this initiative. An ideal goal would be to incorporate redundancy in data-logging systems and, as much as practical, to standardize the data to be collected[63]
Some of the logged data is specific to the rebreather model, and is not appropriate for general analysis, but some data is useful for external analysis of user population and diving practices which could improve understanding of behaviour and safety analysis.[63]
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