Un rebreather de buceo es un aparato de respiración subacuático que absorbe el dióxido de carbono del aliento exhalado de un buceador para permitir la reinhalación (reciclado) del contenido de oxígeno sustancialmente no utilizado , y del contenido inerte no utilizado cuando está presente, de cada respiración. Se añade oxígeno para reponer la cantidad metabolizada por el buceador. Esto se diferencia del aparato respiratorio de circuito abierto, donde el gas exhalado se descarga directamente al medio ambiente. El propósito es extender la resistencia respiratoria de un suministro limitado de gas y, para uso militar encubierto por parte de hombres rana o para observación de la vida submarina, eliminar las burbujas producidas por un sistema de circuito abierto. Generalmente se entiende por rebreather de buceo una unidad portátil que lleva el usuario y, por tanto, es un tipo de aparato respiratorio subacuático autónomo (buceo). 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 en superficie se denomine sistema de soporte vital .
La tecnología de rebreather de buceo se puede utilizar cuando el suministro de gas respirable es limitado, o cuando el gas respirable está especialmente enriquecido o contiene componentes costosos, como diluyente de helio . Los rebreathers de 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 reciclaje del gas respirable conlleva una complejidad tecnológica y 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 del 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 los límites superiores e inferiores programables, o puntos de ajuste, y estar integrados con computadoras de descompresión para monitorear el estado de descompresión del buceador y registrar el perfil de inmersión .
Los rebreathers de buceo se usan generalmente para aplicaciones de buceo , donde la cantidad de gas respirable que lleva el buzo es limitada, pero también se usan ocasionalmente como extensores de gas para buceo con suministro de superficie y como sistemas de rescate para buceo con equipo o buceo con suministro de superficie. [1] Los sistemas de recuperación de gas utilizados para el buceo profundo con heliox utilizan tecnología similar a los rebreathers, al igual que los sistemas de soporte vital para buceo de saturación , pero en estas aplicaciones el buzo no lleva el equipo de reciclaje de gas. Los trajes de buceo atmosféricos también cuentan con tecnología de rebreather para reciclar el gas respirable como parte del sistema de soporte vital.
Los rebreathers suelen ser más complejos de usar que los equipos de buceo de circuito abierto y tienen más puntos potenciales de falla , por lo que un uso aceptablemente seguro requiere un mayor nivel de habilidad, atención y conciencia situacional, que generalmente se deriva de la comprensión de los sistemas, el mantenimiento diligente y el sobreaprendizaje de los sistemas. Habilidades prácticas de operación y recuperación de fallas . El diseño tolerante a fallas puede hacer que un rebreather tenga menos probabilidades de fallar de manera que ponga inmediatamente en peligro al usuario y reduce la carga de tareas para el buceador, lo que a su vez puede reducir el riesgo de error del operador.
La tecnología de rebreather semicerrado también se utiliza en diluyentes de gas suministrados desde la superficie transportados por buzos, 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 cinco veces la duración de las operaciones de buceo del sistema de gas mixto Flyaway, manteniendo al mismo tiempo la huella original de almacenamiento de gas mezclado en el barco de apoyo. [2] El rebreather semicerrado soviético IDA-72 tiene una resistencia de lavado de 4 horas con suministro de superficie y una resistencia de rescate a 200 m de 40 minutos con gas a bordo. [3] El casco de heliox con mezcla de gases 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 así conservar el helio. [4] La boquilla del inyector soplaría 11 veces el volumen del gas inyectado a través del depurador. [5]
Los primeros intentos de fabricar rebreathers prácticos fueron simples rebreathers de oxígeno, cuando los avances en la metalurgia industrial hicieron posibles los cilindros de almacenamiento de gas a alta presión. A partir de 1878 se utilizaron para trabajos en atmósferas irrespirables en la industria y en la extinción de incendios, a gran altura, para escapar de submarinos; y ocasionalmente para nadar bajo el agua; pero la forma habitual de trabajar bajo el agua era con un traje de buceo estándar , respirando aire suministrado por la superficie en circuito abierto.
La Decima Flottiglia MAS italiana , la primera unidad de hombres rana de combate, se fundó 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 , surgieron en las fuerzas armadas la necesidad de bucear a mayor profundidad de la permitida por el oxígeno puro. Esto motivó, 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 del SCBA ( Swimmer Canoeist's Breathing Apparatus ) y CDMBA. del 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 conocer la profundidad máxima o de trabajo de su inmersión, y qué tan rápido su cuerpo utilizaba su suministro de oxígeno, y a partir de eso calcular a qué establecer el caudal de gas de su rebreather. [ cita necesaria ]
Durante este largo período anterior a la era moderna de los rebreathers deportivos automáticos de nitrox, existían algunos clubes deportivos de buceo con oxígeno, principalmente en los EE. UU. [ se necesita aclaración ] [ se necesita cita ]
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 tuvieron menos motivos para requisar patentes de rebreather civiles y rebreathers de buceo recreativo automáticos y semiautomáticos. con sensores de ppO2 comenzaron a aparecer. [ cita necesaria ]
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 una frecuencia respiratoria de aproximadamente 6 L/min, y una persona en forma que trabaja duro puede ventilar a una velocidad de 95 L/min pero sólo metabolizará alrededor de 4 L/min de oxígeno [6 ] 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 al nivel del mar . El aire exhalado al nivel del mar contiene aproximadamente entre un 13,5% y un 16% de oxígeno. [7]
La situación es aún más derrochadora 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 una proporción aún mayor de circuito abierto se desperdicia gas. 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. [8] [9]
Sin embargo, si esto se hace sin eliminar el dióxido de carbono, se acumulará rápidamente en el gas reciclado, lo que provocará casi de inmediato una dificultad respiratoria leve y rápidamente evolucionará hacia etapas posteriores de hipercapnia o toxicidad por dióxido de carbono. Generalmente es necesaria una tasa de ventilación alta para eliminar el producto metabólico dióxido de carbono (CO 2 ). El reflejo respiratorio es desencadenado 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 rápidamente se vuelve intolerable; Si una persona intenta volver a respirar directamente el gas exhalado, pronto sentirá una sensación aguda de asfixia , por lo que los respiradores deben eliminar químicamente el dióxido de carbono en un componente conocido como depurador de dióxido de carbono . [8] [9]
Al agregar 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 el gas deba ventilarse 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. [8]
En el buceo se utiliza la más amplia variedad de tipos de rebreather, ya que las consecuencias físicas y fisiológicas de respirar bajo presión complican los requisitos, y hay disponible una amplia gama de opciones de ingeniería según la aplicación específica y el presupuesto disponible. Un rebreather de buceo es un equipo de soporte vital crítico para la seguridad : algunos modos de falla pueden matar al buceador sin previo aviso, otros pueden requerir una respuesta inmediata y adecuada 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 buzos 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 necesaria ] En el pasado se han utilizado a mayor profundidad (hasta 20 metros (66 pies)) [ cita necesaria ] pero tales inmersiones eran más riesgosas de lo que ahora se considera aceptable. Los rebreather de oxígeno también se usan a veces cuando se descomprime una inmersión profunda en circuito abierto, [ cita necesaria ] ya que respirar oxígeno puro ayuda a que el nitrógeno se difunda fuera de los tejidos del cuerpo 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 rebreather de oxígeno: [11]
Los rebreathers de oxígeno ya no se usan comúnmente en el buceo recreativo debido al límite de profundidad impuesto por la toxicidad del oxígeno, pero se usan ampliamente para aplicaciones de nadadores de ataque militar donde no se requiere mayor profundidad, debido a su simplicidad, peso ligero y tamaño compacto.
Los rebreathers de circuito semicerrado (SCR) utilizados para el buceo pueden utilizar adición de gas activa o pasiva, y los sistemas de adición de gas pueden tener compensación de profundidad. Utilizan un gas de suministro mixto con una fracción de oxígeno más alta que la mezcla de gases del circuito de estado estacionario. Normalmente 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. [9]
Alcance operativo y restricciones de las SCR:
Los rebreathers de buceo de circuito cerrado pueden controlarse manual o electrónicamente y utilizan oxígeno puro y un diluyente de gas mixto respirable. [12]
Alcance operativo y restricciones de los CCR: los rebreathers de circuito cerrado están restringidos principalmente por limitaciones fisiológicas del buceador, como la profundidad operativa máxima de la mezcla de diluyente sin dejar de ser respirables hasta la superficie, aunque esto se puede solucionar cambiando de 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 del cual la hipercapnia aumenta y la angustia seguida de la pérdida del conocimiento y la 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 determinada. WoB también aumenta con el flujo turbulento , que se ve afectado por la velocidad del flujo ( número de Reynolds ). Hasta cierto punto, el trabajo respiratorio puede reducirse o limitarse mediante el diseño del circuito respiratorio, pero también existen límites fisiológicos, y el trabajo de hacer circular el gas a través del circuito respiratorio y el depurador puede ser una gran parte del trabajo respiratorio total. [13] [14]
Algunas agencias de certificación de buceadores recreativos distinguen una clase de rebreather que consideran adecuado para el buceo recreativo. Estos rebreathers no son adecuados para el buceo con descompresión y, cuando se controlan electrónicamente, no permitirán al buceador realizar inmersiones con descompresión obligatoria, permitiendo así un ascenso inmediato en cualquier punto de la inmersión planificada sin riesgo indebido de desarrollar enfermedad por descompresión sintomática. Esta limitación reduce la necesidad de llevar gas de rescate fuera de borda y la necesidad de tener las habilidades necesarias para realizar un rescate con una obligación de descompresión por etapas. Esta clase de buceo con rebreather brinda la oportunidad de vender capacitación y certificación que omite 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 indicaciones electrónicas para comprobaciones previas a la inmersión, control automático del punto de ajuste, advertencias de estado, una pantalla frontal para advertencias, una válvula de rescate, botes de depuración preenvasados y un sistema para estimar la duración del depurador. [15] [16] [17] Si bien estas limitaciones hacen que la clase recreativa de rebreather sea inherentemente menos peligrosa, no reducen el riesgo al mismo nivel que los equipos de circuito abierto para el mismo perfil de buceo. [18]
Un traje de buceo atmosférico es un pequeño sumergible articulado para un solo hombre 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 expulsarse 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 de presión si las mangueras umbilicales están dañadas, o por un sistema de rebreather integrado en el traje. Como existe un problema similar al ventilar el exceso de gas, la solución simple y eficiente es recuperar oxígeno a medida que se consume y eliminar el dióxido de carbono, sin cambiar el componente del gas inerte, que simplemente recircula. En efecto, se trata de un sencillo sistema de rebreather de oxígeno de circuito cerrado que se utiliza como sistema de soporte vital . Dado que suele haber un suministro eléctrico adecuado para otros servicios, la circulación eléctrica a través de la fregadora normalmente no debería ser un problema para el servicio normal, y es más cómoda para el operador, ya que mantiene la zona de la cara despejada y facilita la comunicación por voz. Como la presión interna se mantiene en 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 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 rebreather de buceo, todos los tipos tienen un depósito hermético para contener el gas respirable a presión ambiental desde el que el buceador inhala y exhala. El depósito de gas respirable consta de varios componentes conectados entre sí mediante 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 buzo no está respirando desde la unidad para evitar inundaciones si el equipo está en el agua. Este está conectado a una o dos mangueras de respiración que conducen el gas inhalado y exhalado entre el buzo 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 permitirá la adición de gas, tal como oxígeno, y a menudo un gas diluyente, desde un recipiente de almacenamiento de gas, al depósito. [12]
Puede haber válvulas que permitan la ventilación del gas, sensores para medir la presión parcial de oxígeno y posiblemente dióxido de carbono, y un sistema de seguimiento y control. Los componentes críticos pueden duplicarse para lograr redundancia de ingeniería. [12]
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 de retención 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 de retención cuando el buceador inhala. [12]
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 inhalarlo, el gas regresa a través del depurador y por la misma manguera de regreso a la boquilla. El sistema de péndulo es estructuralmente más simple, pero inherentemente contiene un espacio muerto más grande de gas no depurado 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 las vías respiratorias.
Un respirador 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 aspira durante la inhalación. El caudal de gas a través del depurador es forzado por la frecuencia respiratoria del buceador.
Un contrapulmón único en un rebreather de circuito puede ser un contrapulmón de exhalación o de inhalación. Si se trata de 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 aspira el gas a un ritmo forzado por la velocidad de inhalación. Si se trata de un contrapulmón de inhalación, el buceador debe soplar gas a través del depurador durante la exhalación, pero inhala desde el contrapulmón de inhalación completo, sin más flujo a través del depurador. En ambos casos no hay amortiguador y las tasas de flujo máximo son relativamente altas, lo que significa que la resistencia al flujo máximo es relativamente alta y se encuentra en la mitad del ciclo respiratorio.
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. Cuando el buceador comienza a inhalar, el contrapulmón de inhalación ha acumulado un volumen amortiguador, por lo que hay menos resistencia al flujo ya 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 trabajo de respiración y también aumenta el tiempo de permanencia del gas en el depurador, a medida que fluye a través del depurador tanto durante la exhalación como durante la inhalación. La mayoría de los rebreathers de buceo con mezcla de gases utilizan esta disposición. [dieciséis]
Muchos rebreathers tienen sus componentes principales en una carcasa dura para soporte, protección y/o racionalización. Esta carcasa debe estar lo suficientemente ventilada y drenada para permitir que el agua o el aire circundante entre y salga 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 buzo se sumerge y de agua cuando el buzo se sumerge. emerge al aire. [12]
Los componentes pueden montarse en un marco o dentro de una carcasa para mantenerlos unidos. A veces, la estructura del recipiente del depurador forma parte del marco, particularmente en la configuración de montaje lateral. La posición de la mayoría de las partes no es crítica para el funcionamiento, pero los contrapulmones deben ubicarse de modo que su centroide de volumen esté a una profundidad similar al centroide de los pulmones del buzo en la mayoría de los momentos mientras está bajo el agua, y los tubos de respiración hacia la boquilla no deben estorbar. al buceador más de lo necesario y permitir el libre movimiento de la cabeza tanto como sea posible. [12]
Los primeros rebreathers de oxígeno a menudo se construían sin marco ni carcasa, y dependían del arnés y de un fuerte contrapulmón para mantener unidos los componentes.
Las partes de un rebreather de buceo (contrapulmón, recipiente absorbente, cilindro(s) de gas, tubos y mangueras que los unen) pueden disponerse en el cuerpo del usuario de cuatro maneras básicas, teniendo la posición del contrapulmón un efecto importante en el trabajo de respiración.
El montaje trasero 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 trasero generalmente utiliza contrapulmones dorsales o sobre los hombros, que tienen un centroide por encima del pulmón en las orientaciones más comunes del buceador, lo que resulta en una respiración con presión ligeramente negativa .
El montaje en el pecho es bastante común para los respiradores de oxígeno militares, que suelen ser relativamente compactos y livianos. Permite un fácil acceso a los componentes bajo el agua y deja la parte trasera libre para otros equipos para operaciones anfibias. El rebreather se puede soltar de un arnés común sin alterar la carga en la espalda. Los contrapulmones montados en la parte frontal tienen un centroide que generalmente está ligeramente por debajo del centroide del pulmón y dan como resultado una respiración con presión ligeramente positiva para las orientaciones más comunes del buceador.
Sidemount permite un perfil bajo para superar restricciones estrictas en el buceo en cuevas y pecios, y es conveniente para llevar un rebreather de rescate. Un rebreather de montaje lateral como aparato respiratorio principal se puede montar en un lado del cuerpo del buceador y se puede equilibrar en términos de peso e hidrodinámicamente mediante un gran cilindro de rescate montado en el otro lado. Los rebreathers de montaje lateral son sensibles a la orientación del buceador, lo que puede cambiar el trabajo respiratorio hidrostático en un rango mayor que el de los montajes 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. En 2019, ningún rebreather de montaje lateral había pasado la prueba CE de trabajo respiratorio. Los rebreathers de montaje lateral también pueden ser más susceptibles a inundaciones importantes del circuito debido a la falta de una posición conveniente de exhalación contrapulmonar para formar una trampa de agua. [14]
Los rebreathers se pueden clasificar principalmente como rebreathers de buceo, destinados a uso hiperbárico, y otros rebreathers utilizados a presiones que van desde un poco más que la presión atmosférica normal al nivel del mar hasta una presión ambiental significativamente más baja en altitudes elevadas 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 usar la tecnología relativamente trivial de rebreather de oxígeno, donde no es necesario monitorear la presión parcial de oxígeno durante el uso, siempre que la presión ambiental sea suficiente.
Este es el primer tipo de rebreather y fue utilizado comúnmente por las armadas y para el rescate en minas desde principios del siglo XX. Los rebreathers de oxígeno pueden tener diseños notablemente simples y se inventaron antes del buceo de circuito abierto. Solo suministran oxígeno, por lo que no es necesario controlar la mezcla de gases más que purgar antes de su uso y eliminar el dióxido de carbono. [19]
En algunos rebreathers, por ejemplo el Siebe Gorman Salvus , la botella de oxígeno tiene dos mecanismos de suministro de oxígeno en paralelo. Una es de flujo constante y la otra es una válvula de cierre manual llamada válvula de derivación. Ambos alimentan el contrapulmón . [20] 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 se vacíe el contrapulmón y el buzo continúe inhalando. También se puede agregar oxígeno manualmente mediante un botón que activa la válvula de demanda, equivalente al botón de purga en una válvula de demanda de circuito abierto. [11]
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. Esta es una tarea de carga, pero el buceador no puede permanecer inconsciente de la necesidad de recargar. El control del volumen en el circuito también controlaría la flotabilidad.
Todos los rebreathers que no sean los de oxígeno pueden considerarse rebreathers de gases mixtos. Estos se pueden dividir en 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 agregando más mezcla a medida que se agota el oxígeno, suficiente para mantener un 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. [9]
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 proporcionan una mejor duración bajo el agua que el circuito abierto, tienen una profundidad operativa máxima más profunda 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 monitoreo electrónico para mejorar la seguridad y 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 ventilado constantemente del circuito en pequeños volúmenes para dejar espacio para gas fresco y rico en oxígeno. Como el oxígeno del gas ventilado no se puede separar del gas inerte, el circuito semicerrado desperdicia tanto oxígeno como componentes inertes. [21]
Se debe utilizar una mezcla de gases que tenga una profundidad operativa máxima que sea segura para la profundidad de la inmersión que se planea y que proporcione una mezcla respirable en la superficie, o será necesario cambiar las mezclas durante la inmersión. [12]
Como la cantidad de oxígeno requerida por el buceador aumenta con el ritmo de trabajo, la velocidad de inyección de gas debe elegirse y controlarse cuidadosamente para evitar la pérdida del conocimiento del buzo debido a la hipoxia . [22] Una tasa de adición de gas más alta reduce la probabilidad de hipoxia pero desperdicia más gas.
Este tipo de rebreather funciona según el principio de agregar gas fresco para compensar el volumen reducido en el circuito respiratorio. Se elimina una parte del gas respirado que es de alguna manera proporcional al consumo de oxígeno. Generalmente es una fracción volumétrica fija del flujo respiratorio, pero se han desarrollado sistemas más complejos que agotan una proporción cercana al caudal respiratorio superficial. Estos se describen como sistemas con compensación de profundidad o sistemas con compensación de profundidad parcial. La adición de gas se activa mediante un volumen contrapulmonar bajo que activa una válvula de demanda.
El caso simple de una descarga de proporción fija se puede lograr mediante contrapulmones de fuelle concéntricos , donde el gas exhalado expande ambos contrapulmones, y mientras que el fuelle externo de mayor volumen se descarga de regreso al bucle cuando el buceador inhala la siguiente respiración, el fuelle interno descarga su contenido al entorno, utilizando válvulas antirretorno para asegurar 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 la misma manera que un diafragma regulador activa la válvula de demanda , para compensar el gas descargado por el fuelle interno. Por tanto, este tipo de rebreather tiende a funcionar a un volumen mínimo.
Los sistemas de ratio fijo suelen descargar entre el 10% (1/10) y el 25% (1/4) del volumen de cada respiración al agua. Como resultado, la resistencia al gas es de 10 a cuatro veces mayor que la del circuito abierto y depende de la frecuencia respiratoria y la profundidad del mismo modo que en el circuito abierto. La fracción de oxígeno en el circuito depende de la relación de descarga y, en menor medida, de la frecuencia respiratoria y el ritmo 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 un lavado del circuito, por lo que generalmente se elige el gas para que sea respirable a la máxima profundidad. , lo que permite su uso para rescate en circuito abierto. La fracción de oxígeno del gas del circuito aumentará con la profundidad, ya que la tasa de masa de uso metabólico de oxígeno permanece casi constante con un cambio en la 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 unos límites durante toda la inmersión. El sistema de relación fija se ha utilizado en los rebreathers DC55 y Halcyon RB80 . Los rebreathers de adición pasiva con relaciones de descarga pequeñas pueden volverse hipóxicos cerca de la superficie cuando se utiliza gas de suministro con una fracción de oxígeno moderada o baja, lo que hace necesario cambiar los gases entre buceo profundo y superficial. [23]
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 eso 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 bar) será el 10% de la descarga en 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 parcialmente de compensación de profundidad están a medio camino entre los sistemas de relación fija y los sistemas de compensación de profundidad. Proporcionan una alta relación de descarga cerca de la superficie, pero la relación de descarga no está fija ni como proporción del volumen o masa respirado. La fracción de oxígeno del gas es más difícil de calcular, pero estará en algún punto entre los valores límite para sistemas de relación fija y totalmente compensados. El Halcyon PVR-BASC utiliza un sistema de fuelle interno de volumen variable para compensar la profundidad.
Un sistema de adición activa añade gas de alimentación al circuito respiratorio y el exceso de gas se vierte al medio ambiente. Estos rebreathers tienden a operar 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 usando un orificio sónico, ya que siempre que la caída de presión sobre el orificio sea suficiente para asegurar el flujo sónico, el flujo másico para un gas específico será independiente de la presión aguas abajo. [24] El flujo másico a través de un orificio sónico es función de la presión aguas arriba y la mezcla de gases, por lo que la presión aguas arriba debe permanecer constante para que el rango de profundidad de trabajo del rebreather proporcione una mezcla confiablemente predecible en el circuito respiratorio, y un 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 mediante un esfuerzo físico excesivo.
Sólo se ha comercializado un modelo que utiliza este principio de control de la mezcla de gases. Este es el Interspiro DCSC . El principio de funcionamiento es añadir una masa de oxígeno que es proporcional al volumen de cada respiración. Este enfoque se basa en la suposición de que la frecuencia respiratoria volumétrica de un buceador es directamente proporcional al consumo metabólico de oxígeno, lo que la evidencia experimental indica que es lo suficientemente cercano como para funcionar. [25]
La adición de gas fresco se realiza controlando la presión en una cámara de dosificación proporcional al volumen del fuelle contrapulmonar. 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 de 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 una vez que el fuelle está lleno. [25]
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%. [25]
Los buceadores militares, fotográficos y recreativos utilizan rebreathers de circuito cerrado porque permiten inmersiones largas y no producen burbujas. [26] 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. [27]
Una función principal del rebreather de circuito cerrado es controlar la presión parcial de oxígeno en el circuito y advertir al buceador si llega a ser peligrosamente alta o baja. Una concentración demasiado baja de oxígeno produce hipoxia que conduce a la pérdida del conocimiento y, en última instancia, a la muerte. Una concentración demasiado alta de oxígeno produce hiperoxia, lo que lleva a la toxicidad del oxígeno , una condición que causa convulsiones que pueden hacer que el buzo pierda la boquilla cuando ocurren bajo el agua y pueden provocar ahogamiento . El sistema de monitorización utiliza pilas 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 aguda y a largo plazo del oxígeno, minimizando al mismo tiempo los requisitos de descompresión para el perfil de inmersión planificado. [27]
La mezcla de gases es controlada por el buzo en rebreathers de circuito cerrado controlados manualmente. El buzo puede controlar manualmente la mezcla añadiendo gas diluyente u oxígeno. Agregar diluyente puede evitar que la mezcla de gases del circuito se vuelva demasiado rica en oxígeno, y la adición de oxígeno se realiza para aumentar la concentración de oxígeno.
En sistemas de circuito cerrado completamente 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 se pueden cambiar a control manual en caso de algunas fallas del sistema de control. [27]
La adición de gas para compensar la compresión durante el descenso generalmente se realiza mediante una válvula diluyente automática. [12]
En 1912, la empresa alemana Drägerwerk de Lübeck introdujo una versión de traje de buceo estándar que utilizaba un suministro de gas procedente de un rebreather de oxígeno y no tenía suministro de superficie. El sistema utilizaba un casco de buceo de cobre y un traje de buceo pesado estándar con un juego de cilindros y un limpiador montados en la parte trasera. El gas respirable se hizo circular mediante un sistema de inyector en el circuito alimentado por el gas añadido. Esto se desarrolló aún más con el casco "Bubikopf" modelo 1915 y el sistema de rebreather de oxígeno DM20 para profundidades de hasta 20 m, y el rebreather 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. [28]
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 de heliox Mark V Mod 1 de la Marina de los EE. UU. se basa en el casco Mark V estándar, con un recipiente de limpieza 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 así conservar el helio. El casco de helio utiliza 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 la ropa interior con calefacción y, en versiones posteriores, una válvula de escape de dos o tres etapas. Se instaló para reducir el riesgo de inundación del depurador. [4] El suministro de gas en el 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 usaba para el rescate al circuito abierto, para lavar el casco y para obtener gas adicional cuando se trabaja duro o se desciende. . 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 expulsaría 11 veces el volumen del gas inyectado a través del depurador. [5]
Ambos sistemas eran semicerrados y no monitoreaban las presiones parciales de oxígeno. Ambos utilizaron un sistema de inyector para recircular el gas respirable y no aumentaron el trabajo respiratorio.
Ha habido algunos diseños de rebreather (por ejemplo, el Oxylite) que tenían un recipiente absorbente lleno de superóxido de potasio , que desprende oxígeno al absorber dióxido de carbono: 4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3O 2 ; Tenía una bombona de oxígeno muy pequeña para llenar el circuito al inicio de la inmersión. [29] Este sistema es peligroso debido a la reacción explosiva que ocurre si el agua entra en contacto con el superóxido de potasio. El rebreather naval y militar ruso IDA71 fue diseñado para funcionar en este modo o como un rebreather ordinario.
Las pruebas realizadas con el IDA71 en la Unidad de Buceo Experimental de la Armada de los Estados Unidos en la ciudad de Panamá, Florida, demostraron que el IDA71 podía ofrecer un tiempo de inmersión significativamente más largo con superóxido en uno de los recipientes que sin él. [29]
Esta tecnología se puede aplicar tanto a respiradores de oxígeno como de gases mixtos, y se puede utilizar para buceo y otras aplicaciones.
Se puede utilizar un suministro de oxígeno líquido para respiradores de oxígeno o de gases mixtos. Si se utiliza bajo el agua, el recipiente de oxígeno líquido debe estar bien aislado contra la transferencia de calor del 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 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 producida cuando el oxígeno líquido se evapora para reemplazar el oxígeno utilizado.
Sub-Marine Systems Corporation construyó un prototipo de rebreather criogénico llamado S-1000. Tuvo una duración de 6 horas y una profundidad máxima de inmersión de 200 metros (660 pies). Su ppO 2 podría ajustarse entre 0,2 y 2 bares (3 a 30 psi) sin necesidad de electrónica, controlando la temperatura del oxígeno líquido, controlando así la presión de equilibrio del oxígeno gaseoso sobre el líquido. El diluyente puede ser nitrógeno o helio dependiendo de la profundidad de la inmersión. La presión parcial de oxígeno se controló mediante la temperatura, que se controló controlando la presión a la que se dejó hervir el nitrógeno líquido, que se controló mediante una válvula de alivio de presión ajustable. No se requirieron válvulas de control distintas a 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 congelará en 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 regular. No se necesitaron componentes electrónicos ya que todo siguió el ajuste de la presión de liberación de nitrógeno de la unidad de enfriamiento, y la refrigeración por evaporación del nitrógeno líquido mantuvo una temperatura constante hasta que se agotó el nitrógeno líquido. El flujo de gas del circuito pasó a través de un intercambiador de calor de contraflujo, que recalentó 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 probó en aguas poco profundas en octubre de 1967. El S1000 se anunció en 1969, [30] [31] pero los sistemas nunca se comercializaron. [32]
Los rebreathers criogénicos se utilizaron ampliamente en la oceanografía soviética en el período 1980 a 1990. [32] [33] [34]
El buceador respira desde el circuito del rebreather a través de una boquilla con agarre de mordida o una máscara oronasal que puede ser parte de una máscara facial completa o de un casco de buceo . La boquilla está conectada al resto del rebreather mediante mangueras de respiración. La boquilla de un rebreather de buceo generalmente incluirá una válvula de cierre y puede incorporar una válvula de buceo/superficie o una válvula de rescate o ambas. En los rebreathers configurados con bucle, la boquilla suele ser el lugar donde se instalan las válvulas de retención del bucle. [12]
La válvula de buceo/superficie (DSV) es una válvula en la boquilla que puede cambiar entre el bucle 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 usar bajo el agua para aislar el circuito de modo que no se inunde si se saca la boquilla de la boca. [12]
Una válvula de buceo/superficie que se puede cambiar para cerrar el circuito y abrir simultáneamente una conexión a una válvula de demanda de circuito abierto se conoce como válvula de rescate, ya que su función es cambiar a circuito abierto de rescate sin tener que quitar la boquilla. Un importante dispositivo de seguridad cuando se produce intoxicación por dióxido de carbono . [35]
Para conectar la boquilla al resto del circuito respiratorio se utilizan mangueras flexibles corrugadas de caucho sintético, ya que permiten el libre movimiento de la cabeza del buceador. Estas mangueras son corrugadas para permitir una mayor flexibilidad y al mismo tiempo conservar una alta resistencia al colapso. Las mangueras están diseñadas para proporcionar baja resistencia al flujo del gas respirable. Se utiliza una única manguera de respiración para la configuración de péndulo (empujar-jalar) y dos mangueras para una configuración de bucle unidireccional. [12] Se pueden utilizar pesos de manguera para reducir la flotabilidad excesiva.
El contrapulmón es una parte del bucle que está diseñado para cambiar de volumen 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, permitiendo 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 volumen máximo probable de respiración de un usuario, pero generalmente no es necesario que coincida con la capacidad vital de todos los posibles usuarios. [36] [12]
Bajo el agua, la posición del contrapulmón (en el pecho, sobre los hombros o en 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 provocada por la distancia vertical entre ambos. [36]
Los buceadores recreativos, técnicos y muchos profesionales pasarán la mayor parte de su tiempo bajo el agua nadando boca abajo y recortados horizontalmente. Los contrapulmones deberían funcionar bien con poco esfuerzo respiratorio en esta posición y con el buceador erguido.
El diseño de los contrapulmones también puede afectar la aerodinámica del buceador debido a la ubicación y forma de los contrapulmones, si no están en una carcasa.
Un rebreather que utiliza contrapulmones de caucho que no están en una carcasa cerrada debe protegerse de la luz solar cuando no esté en uso, para evitar que el caucho perezca debido a la luz ultravioleta .
La mayoría de los rebreathers de buceo semicerrados de adición pasiva controlan la mezcla de gases eliminando una proporción volumétrica fija del gas exhalado y reemplazándolo con gas de alimentación fresco de una válvula de demanda, que se activa por el bajo volumen del contrapulmón.
Esto se hace mediante el uso de contrapulmones de 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. Hay un segundo fuelle más pequeño en el interior, también conectado a las superficies rígidas superior e inferior del contrapulmón, de modo que a medida que las superficies rígidas se acercan y se alejan entre sí, los volúmenes de los fuelles interior y exterior cambian en la misma proporción.
El gas exhalado expande los contrapulmones y una parte fluye hacia el fuelle interno. Al inhalar, el buceador sólo respira desde el contrapulmón exterior; el flujo de retorno desde el fuelle interior está bloqueado por una válvula de retención. El fuelle interior también está conectado a otra válvula antirretorno que se abre al exterior y, por tanto, el gas del fuelle interior se expulsa 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 la 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. [37]
Algunos de los productos químicos absorbentes se producen en formato granular para aplicaciones de buceo, como Atrasorb Dive, Sofnolime , Dragersorb o Sodasorb. Otros sistemas utilizan un cartucho basado en Cortina de Plástico Reactivo (RPC) preempaquetado: [38] El término Cortina de Plástico Reactivo se usó 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 se ha usado RPC 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. [39]
El dióxido de carbono que pasa a través del absorbente del depurador se elimina cuando reacciona con el absorbente del recipiente; esta reacción química es exotérmica . Esta reacción se produce 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 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 del gas porque el dióxido de carbono en el gas que atraviesa el recipiente necesita tiempo para alcanzar la superficie de un grano de absorbente, y luego tiempo para penetrar hasta el centro de cada grano de absorbente a medida que el exterior del grano se agota. Con el tiempo, el gas con el dióxido de carbono restante llegará al otro extremo del recipiente y se producirá un "avance". Después de esto, el contenido de dióxido de carbono del gas depurado tenderá a aumentar a medida que disminuye la eficacia del depurador hasta que sea perceptible para el usuario y luego irrespirable. [12]
En el buceo con rebreather, la resistencia efectiva típica del depurador será de media hora a varias horas de respiración, dependiendo de la granularidad y 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 tamaño del depurador es 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 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 importante de la capacidad de trabajo aeróbico disponible del buceador, y puede ser abrumador cuando excede el límite del buceador.
Durante el ascenso, el gas en el circuito respiratorio se expandirá y debe tener alguna forma de escape antes de que la diferencia de presión cause lesiones al buceador o daños al circuito. La forma más sencilla de hacer esto 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 suele estar montada 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, rompiéndolas en tamaños que son menos fáciles de detectar. Un difusor también reduce el ruido de las burbujas. [40] [36]
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 del depurador si el buzo retira la boquilla bajo el agua sin cerrar la válvula, o si los labios del buceador se aflojan y dejan entrar agua. [36] Algunos rebreathers tienen bombas manuales para eliminar el agua de las trampas de agua, y algunos de los SCR de adición pasiva bombean agua automáticamente junto con el gas durante la carrera de escape del contrapulmón del fuelle. [25] [41] Otros usan presión interna para expulsar el agua a través de la válvula de descarga anulada manualmente cuando está en una posición baja. [42]
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 pura 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 mediante una reacción química. [12]
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 más profundo también tienen un cilindro de gas diluyente . Este cilindro de diluyente se puede llenar 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 operativa máxima 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 caso de emergencia para lavar el circuito con gas respirable de una composición conocida o como gas de rescate. Los buzos comúnmente se refieren al gas diluyente como diluyente, diluyente o simplemente "dil". [12] La composición del gas diluyente también afecta la densidad del gas y, por lo tanto, el trabajo de respirar en profundidad. [13]
Se debe agregar gas al circuito de respiración si el volumen es demasiado pequeño o si es necesario cambiar la composición del gas. [12]
Tiene una función similar a una válvula de demanda de circuito abierto. 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 llega al final de su recorrido. [36]
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 gases mixtos generalmente tienen una válvula de adición manual separada para oxígeno y diluyente, ya que podría ser necesario corregir la composición de la mezcla del circuito , ya sea como método operativo estándar para los CCR controlados manualmente, o como sistema de respaldo en CCR controlados electrónicamente. [36] La adición manual de diluyente a veces se realiza mediante un botón de purga en el ADV.
La adición de gas de 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 velocidad inferior a la metabólicamente. requerido por el buzo en reposo, y el resto lo compensa el sistema de control a través de una válvula solenoide, o manualmente por el buzo.
El flujo másico constante se logra mediante 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 puede controlarse mediante la presión aguas arriba y el tamaño y 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 ambiental se utilizan para suministrar gas a una presión independiente de la profundidad.
En los rebreathers semicerrados de adición pasiva, el gas generalmente se agrega mediante una válvula de demanda accionada por el contrapulmón del fuelle cuando el fuelle está vacío. Esta es la misma condición de actuación que la válvula de diluyente automática de cualquier rebreather, pero el mecanismo de disparo real es ligeramente diferente. Un rebreather pasivo de este tipo no necesita una ADV separada ya que la válvula de adición pasiva ya cumple esta función.
Los rebreathers de gases mixtos de circuito cerrado controlados electrónicamente pueden tener parte de la alimentación de oxígeno proporcionada 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 programada 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 más frecuencia.
En algunos rebreather de buceo técnico es posible conectar un suministro de gas alternativo al rebreather, normalmente utilizando un sistema húmedo de conexión rápida. Esta suele ser una característica de los rebreathers de rescate y otros rebreathers de montaje lateral, donde la unidad del rebreather se mantiene intencionalmente lo más compacta posible y el suministro de gas puede colgarse del otro lado del buzo para mayor comodidad y equilibrio. Esta instalación también permite que todo el gas que lleva un buzo se suministre potencialmente a través de un rebreather. [43]
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 a circuito abierto suele ser el primer paso, incluso cuando se lleva un rebreather de rescate, ya que es simple y robusto, y se necesita algo de tiempo para que el rebreather de rescate esté listo para su uso. [44] 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 que se lleven dos cilindros de rescate y que el cilindro de diluyente se utilice como primer rescate para llegar a una profundidad donde se pueda utilizar el otro gas. En una inmersión profunda o una penetración larga, el circuito abierto de rescate puede ser fácilmente más pesado y voluminoso que el rebreather, y para algunas inmersiones, un rebreather de rescate es una opción más práctica. [45]
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 en 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 sólo 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 agrega 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 es causada por una acumulación de dióxido de carbono en la sangre, más que por la falta de oxígeno. La hipoxia puede provocar un desmayo sin previo aviso, seguido de la muerte. [12]
El método utilizado para controlar el rango de presión parcial de oxígeno en el circuito respiratorio depende del tipo de rebreather.
El volumen en el circuito generalmente se controla mediante una válvula 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 ambiente, como durante el descenso o si se pierde gas del circuito. El conjunto también puede tener una válvula de adición manual, a veces llamada bypass. En algunos de los primeros recicladores 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. [12]
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 frontal. de luces de aviso y alarma con alarma sonora y vibratoria.
Es posible que se proporcionen alarmas para algunas averías. Las alarmas se controlan electrónicamente y pueden depender de la entrada de un sensor y del procesamiento del circuito de control. Estos pueden incluir: [12]
Pantallas de alarma: [12]
Si suena una alarma de 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 deje de ser 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. [12]
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 una 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 exceder la capacidad de trabajo aeróbico del buceador, con consecuencias fatales. [13]
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 causa resistencia al flujo del gas respirable y existe en todas las aplicaciones donde no hay ventilación alimentada externamente. El trabajo respiratorio hidrostático solo se aplica 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 generalmente se debe a una diferencia en la presión hidrostática causada por una diferencia de profundidad entre el pulmón y el contrapulmón, pero puede modificarse lastrando el lado móvil de un contrapulmón de fuelle. [25]
El trabajo resistivo de la respiración es la suma de todas las restricciones al flujo debido a curvaturas, corrugaciones, cambios de dirección del flujo, presiones de apertura 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 influenciados por la densidad, que es función del peso molecular y la presión. El diseño del rebreather puede limitar los aspectos mecánicos de la resistencia al flujo, particularmente por el diseño del depurador, los contrapulmones y las mangueras respiratorias. 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 aumenta el trabajo respiratorio. 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. [13]
Los sistemas de rebreather semicerrados desarrollados por Drägerwerk a principios del siglo XX como suministro de gas para equipos de buceo estándar , utilizando 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 de el casco y el depurador mediante el uso de un sistema de inyector donde el gas agregado arrastraba el gas del circuito y producía una corriente de gas depurado que pasaba por el buceador dentro del casco, lo que eliminaba el espacio muerto externo y el trabajo respiratorio resistivo, pero no era adecuado para frecuencias respiratorias elevadas. . [47]
Existen problemas de seguridad específicos del equipo con rebreather, y estos tienden a ser más graves en los rebreather de buceo. Los métodos para abordar estos problemas pueden clasificarse como enfoques operativos y de ingeniería. El desarrollo de soluciones de ingeniería a 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 confiabilidad de la medición de la presión parcial de oxígeno, han sido relativamente intratables. [48] Otros problemas, como el monitoreo de avance de los depuradores y el control automatizado de la mezcla de gases, han avanzado considerablemente en el siglo XXI, pero siguen siendo relativamente costosos. El trabajo respiratorio es otro tema que se puede mejorar y es una limitación severa en la profundidad máxima aceptable de operación, ya que la circulación de gas a través del depurador casi siempre es impulsada por los pulmones del buceador. El diseño tolerante a fallos puede ayudar a que se pueda sobrevivir a los fallos. [49]
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 inicio del uso. La purga se debe realizar mientras se respira la unidad para que el gas inerte de los pulmones del usuario también se elimine del sistema.
Puede producirse una presión parcial de oxígeno peligrosamente alta en el circuito respiratorio por varias razones:
Se producirá acumulación de dióxido de carbono si el medio depurador está ausente, mal empaquetado, inadecuado o agotado. El cuerpo humano normal es bastante sensible a la presión parcial del dióxido de carbono y el usuario notará una acumulación. Sin embargo, a menudo no se puede hacer mucho para rectificar el problema excepto cambiar a otro suministro de gas respirable hasta que se pueda volver a empaquetar el depurador. No es posible continuar usando un rebreather con un depurador ineficaz por mucho tiempo, ya que los niveles se volverán tóxicos y el usuario experimentará dificultad respiratoria extrema, seguida de pérdida del conocimiento 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 cuando 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 buzo para hacer circular el gas de manera eficiente a través del depurador contra la resistencia de fricción del circuito que causa el problema. Es más probable que esto ocurra con rebreathers de buceo a profundidades donde la densidad del gas respirable está muy elevada, o cuando el agua en el depurador obstruye el flujo de gas. [13]
Las altas presiones parciales de oxígeno aumentan en gran medida 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 rescate y extinción de incendios que para el buceo, donde el riesgo de ignición es relativamente bajo.
Causado por una inundación del circuito que llega al recipiente absorbente, por lo que solo se aplica en aplicaciones sumergidas.
Los rebreathers de buceo son susceptibles a algunos modos de falla que no pueden ocurrir en otros aparatos respiratorios.
El término "avance" significa que el depurador no logra continuar eliminando suficiente dióxido de carbono del gas que circula en el circuito. Esto sucederá inevitablemente si la fregadora se usa durante demasiado tiempo, pero puede ocurrir prematuramente en algunas circunstancias. Hay varias formas en 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 desaloja o se retira de la boca del buceador sin cerrar primero la válvula de buceo/superficie o cambiar al modo de rescate. Esto puede suceder debido a un impacto accidental o por falta de atención momentánea. Dependiendo del diseño del circuito y la actitud del rebreather en el agua, la cantidad de agua que ingresa puede variar, al igual que la distancia que recorre hacia 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 impedirá 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 , [25] o manualmente mediante el uso de una pequeña bomba.
Hay varios lugares en un rebreather donde las fugas de gas pueden causar problemas. Pueden ocurrir fugas desde los componentes de presión alta e intermedia, y desde 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 puede volverse más grave, dependiendo de la causa, y en algunos casos puede deteriorarse catastróficamente.
Un fallo en la monitorización de oxígeno puede provocar una presión parcial incorrecta de oxígeno en el gas respirable. Las consecuencias pueden incluir hipoxia, hiperoxia e información de descompresión incorrecta, las cuales son potencialmente mortales.
Los métodos disponibles para monitorear el estado del depurador y predecir e identificar un avance inminente incluyen:
La tolerancia a fallos es la propiedad que permite que un sistema siga funcionando correctamente en caso de fallo de alguno de sus componentes. Si su calidad operativa disminuye, la disminución es proporcional a la gravedad de la falla, en comparación con un sistema diseñado ingenuamente, en el que incluso una falla pequeña puede causar una falla total. La tolerancia a fallas es particularmente importante en sistemas de alta disponibilidad o críticos para la seguridad . La capacidad de mantener la funcionalidad cuando partes de un sistema fallan se conoce como degradación elegante. [53]
El rebreather de oxígeno de circuito cerrado básico es un dispositivo muy simple y mecánicamente confiable, pero tiene severas limitaciones operativas debido a la toxicidad del oxígeno. Los métodos para ampliar de forma segura el rango de profundidad requieren una mezcla de gases respirables variable. Los rebreathers semicerrados tienden a ser ineficientes para la descompresión y no totalmente 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 coloca la confiabilidad submarina del sistema de detección electrónica en la categoría de componente crítico para la seguridad. [49]
No existen estadísticas formales sobre las tasas de falla de la electrónica submarina, pero es probable que el error humano sea más frecuente que la tasa de error de las computadoras electrónicas de buceo, que son el componente básico de la electrónica de control del rebreather, que procesa información de múltiples fuentes y tiene un algoritmo. para controlar el solenoide de inyección de oxígeno. El paquete de computadora de buceo sellado ha existido durante suficiente tiempo como para que los modelos de mejor calidad se hayan vuelto confiables y robustos en diseño y construcción. [49]
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 muestra y realiza las acciones, en algunos casos utilizando retroalimentación en tiempo real para adaptar la señal de control. [49] 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 energía 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 vibración. [49]
En un eCCR mínimo el sistema es muy vulnerable. Una sola falla crítica puede requerir procedimientos manuales para la recuperación de fallas o la necesidad de recurrir a un suministro alternativo de gas respirable. Algunas fallas pueden tener consecuencias fatales si no se detectan y se solucionan rápidamente. Las fallas críticas incluyen la fuente de alimentación, el sensor de oxígeno no redundante, las válvulas solenoides o la unidad de control. [49]
Los componentes puramente mecánicos son relativamente robustos y confiables y tienden a degradarse de manera no catastrófica, y son voluminosos y pesados, por lo que los sensores electrónicos y los sistemas de control han sido los componentes donde generalmente se ha buscado una tolerancia mejorada a fallas. Las fallas de las celdas de oxígeno han sido un problema particular, con consecuencias previsiblemente graves, por lo que el uso de redundancia múltiple en el monitoreo de la presión parcial de oxígeno ha sido un área importante de desarrollo para mejorar la confiabilidad. Un problema a este respecto es el costo y la vida útil relativamente corta de los sensores de oxígeno, junto con su tiempo de falla relativamente impredecible y su sensibilidad al medio ambiente. [49]
Para detectar e identificar automáticamente el mal funcionamiento del sensor de oxígeno, los sensores deben calibrarse con un gas conocido, lo cual es muy inconveniente en la mayoría de los momentos durante una inmersión, pero es posible como prueba ocasional cuando se sospecha una falla, o se pueden comparar varias celdas. y se supone que las células con una producción casi idéntica funcionan correctamente. Esta lógica de votación requiere un mínimo de tres celdas y la confiabilidad aumenta con el número. [49] Para combinar la redundancia de celda con el circuito de monitoreo, el circuito de control y la redundancia de visualización, todas las señales de la celda deben estar disponibles para todos los circuitos de monitoreo y control en condiciones normales. Esto se puede hacer compartiendo señales en la etapa analógica o digital: el voltaje de salida de la celda se puede suministrar a la entrada de todas las unidades de monitoreo, o los voltajes de algunas celdas se pueden suministrar a cada monitor y compartir las señales digitales procesadas. Compartir señales digitales puede permitir un aislamiento más fácil de componentes defectuosos si se producen cortocircuitos. El número mínimo de celdas en esta arquitectura es dos por unidad de monitoreo, con dos unidades de monitoreo para redundancia, que es más que el mínimo de tres para la capacidad de lógica de votación básica. [49]
Los tres aspectos de un rebreather tolerante a fallas son redundancia de hardware, software robusto y un sistema de detección de fallas. El software es complejo y comprende varios módulos con sus propias tareas, como medición de la presión parcial de oxígeno, medición de la presión ambiental, control de la inyección de oxígeno, cálculo del estado de descompresión y la interfaz de usuario de visualización de estado e información y entradas del usuario. Es posible separar el hardware de la interfaz de usuario de la unidad de control y monitoreo, de una manera que permita que el sistema de control continúe funcionando si la interfaz de usuario relativamente vulnerable se ve comprometida. [49]
Los rebreathers son más complejos de usar que los equipos de buceo de circuito abierto y tienen más puntos potenciales de falla , por lo que un uso aceptablemente seguro requiere un mayor nivel de habilidad, atención y conciencia situacional, que generalmente se deriva de la comprensión de los sistemas, el mantenimiento diligente y el sobreaprendizaje de los aspectos prácticos. Habilidades de operación y recuperación de fallas . El diseño tolerante a fallas puede hacer que un rebreather tenga menos probabilidades de fallar de manera que ponga inmediatamente en peligro al usuario y reduce la carga de tareas para el buceador, lo que a su vez puede reducir el riesgo de error del operador.
La tecnología de los rebreather ha avanzado considerablemente, a menudo impulsada por el creciente mercado de equipos de buceo recreativo, particularmente en la exploración de cuevas submarinas. Las innovaciones incluyen:
La medición precisa y confiable de la presión parcial de oxígeno es uno de los factores más problemáticos en la seguridad del buceo con rebreather. Los sistemas de control que utilizan estos datos se han desarrollado hasta el punto de ser robustos y fiables, y el uso de una copia de seguridad independiente mejora la fiabilidad casi tan bien como la de cualquier otro componente. El punto más débil son los sensores, que son propensos a varios modos de falla, algunos de los cuales son relativamente insidiosos ya que la celda puede pasar una calibración normobárica y fallar cuando la presión parcial está cerca del extremo superior del rango de trabajo aceptable, que también es el rango en el que el buceo con presión parcial constante tiene el máximo beneficio. Cuando ha sido posible inferir la causa, la causa principal de muertes por rebreather es la hipoxia, en aproximadamente el 17%, y se asume hiperoxia en un 4% adicional de los casos. Si estas tendencias se extienden al rango de casos indeterminados, es posible que el contenido inadecuado de oxígeno esté involucrado en el 30% de las muertes por rebreather. [54]
El método estándar para mejorar la confiabilidad del monitoreo de oxígeno ha sido la redundancia múltiple (el uso de 3 o más sensores) y el uso de múltiples entradas de datos con un sistema lógico de votación para tratar de identificar la falla de un sensor a tiempo para realizar una terminación controlada y segura. de la inmersión. La lógica de votación normalmente supone que si un sensor produce una lectura significativamente diferente de dos o más otros cuando se expone al mismo entorno, el valor atípico es defectuoso y se supone que la entrada de los demás es precisa. Lamentablemente, este no es siempre el caso y ha habido casos en los que el sensor atípico era más correcto. Se ha demostrado que la confiabilidad de este sistema es menor de lo esperado originalmente debido a la falta de suficiente independencia estadística de los tres sensores, y que los resultados no son simétricos: los efectos de lecturas defectuosas de presión parcial alta o baja también dependen de la profundidad. [54]
Si un sensor proporciona una salida relativamente estática con poca respuesta a las variaciones de profundidad y temperatura, y a los cambios en la composición del gas debido al uso, la adición de gas, la mezcla incompleta o la turbulencia del circuito, es probable que el sensor no esté respondiendo correctamente y cuando dos Los sensores siguen un patrón similar de respuesta, esto es una advertencia de que ambos pueden estar defectuosos. Los algoritmos que rastrean la salida del sensor frente a la salida esperada teniendo en cuenta los cambios conocidos pueden indicar la confiabilidad de los sensores. Este método de monitoreo de sensores se conoce como validación pasiva de sensores (PSV), se puede usar para mejorar la confiabilidad de la evaluación de la integridad del sensor y se puede usar en el sistema de control para tomar decisiones más confiables sobre qué sensores tienen más probabilidades de brindar resultados confiables. en comparación con la lógica de votación basada únicamente en los valores de calibración de los sensores. PSV es una mejora de la lógica de votación simple, pero aún es susceptible a errores relacionados con la independencia estadística de los componentes. [54]
Trabajo inicial en el diseño de un sistema de validación automática de sensores, en el que el sistema de control del rebreather inyectaría periódicamente gas de composición conocida en los sensores de oxígeno durante la inmersión y utilizaría la salida para determinar la viabilidad de la respuesta del sensor con mayor precisión y exactitud que un buzo humano, se inició en 2002 y se desarrolló aún más para usarse en el rebreather Poseidon/Cis-Lunar MK-VI. Este sistema de "Validación de sensor activo" (ASV) se ha perfeccionado a lo largo de miles de horas de pruebas de campo de buceo en diversas condiciones [54]
El sistema ASV se ha vuelto más sofisticado que la implementación manual en el Cis-Lunar MK-5P. Implica algo más que comparar el valor de PO 2 medido por el sensor con el PO 2 calculado del diluyente a la profundidad actual. En la implementación de los rebreathers Poseidon, la computadora inyecta automáticamente diluyente u oxígeno directamente en un único sensor de oxígeno primario cada cinco minutos durante una inmersión. El algoritmo tiene en cuenta la profundidad actual, la FO 2 del gas inyectado, la temperatura ambiente, la duración de la inyección de gas y los valores de calibración del sensor para esa inmersión para predecir cómo debería responder el sensor durante los próximos segundos después de cada inyección de gas, y lo compara con los resultados medidos para producir un nivel de confianza para el rendimiento correcto del sensor. [54]
Este tipo de prueba de validación de sensores puede identificar varios modos de falla por las formas en que los valores medidos se desvían de los valores esperados con variaciones de la presión parcial calculada del gas de prueba, y es capaz de detectar fallas debido a lecturas de temperatura incorrectas, entrada incorrecta del FO 2 de la condensación de diluyente en el sensor de oxígeno, un sensor de oxígeno defectuoso, falla en el suministro de gas de validación y otras razones que no serían detectadas por la lógica de votación. [54]
Los sensores de oxígeno de la mayoría de los rebreathers se calibran en la superficie antes de la inmersión utilizando aire u oxígeno al 100 % a presión atmosférica normal. Estos son puntos de calibración confiables, pero el rango de presiones parciales operativas puede extenderse más allá de estos puntos de calibración, y si los sensores se calibran para una respuesta lineal entre estas condiciones y la respuesta se extrapola, para puntos de ajuste superiores a 1 bar, que es la práctica estándar, el sistema de control debe operar fuera del rango para el cual se sabe que la respuesta es lineal. Uno de los modos de falla más comunes es que una celda se vea limitada por la corriente a medida que envejece. La impedancia interna cambia a medida que el ánodo es consumido por la reacción que produce la corriente de salida, y la respuesta se vuelve no lineal a presiones parciales de oxígeno más altas. La señal puede indicar una presión parcial más baja y no aumenta proporcionalmente a medida que se agrega oxígeno, lo que genera una presión parcial de oxígeno en el circuito que puede aumentar a niveles peligrosos sin previo aviso. Una forma de validar los sensores a presiones parciales altas es exponer el sensor a una PO 2 superior al punto de ajuste superior exponiéndolo a oxígeno puro a una profundidad de 6 m, para una PO 2 de 1,6 bar durante la inmersión, o a 1,6 bar o más en un recipiente de presión de calibración. Ambos métodos son engorrosos y el método en el agua puede provocar picos de PO 2 durante el descenso. Una variación del sistema ASV que utiliza oxígeno, llamada prueba de linealidad hiperóxica (HLT), utiliza oxígeno como gas de lavado a 6 m, lo que puede comprobar que el sensor es lineal a 1,6 bar PO 2 y, si falla, el punto de ajuste. se puede reducir automáticamente dentro del rango lineal establecido durante la calibración. Se ha demostrado que un solo sensor con PSV y ASV es más confiable que tres sensores con lógica de votación convencional. Se espera que la eficacia de los algoritmos de validación celular mejore con la adquisición de más datos de campo recopilados por los sistemas de control del rebreather. [54]
La hipercapnia se ha identificado como uno de los factores más frecuentes en las muertes por buceo con rebreather. Esto generalmente es una consecuencia de que el depurador no elimina el dióxido de carbono tan rápido como se produce, lo que puede ser causado por cualquiera o una combinación de material absorbente gastado, húmedo o empaquetado inadecuadamente, recipientes mal diseñados o ensamblados, falta de coincidencia de los absorbentes. y diseño del recipiente, o absorbente utilizado más allá de su rango operativo. Una presión parcial de dióxido de carbono más alta en el circuito conduce a niveles más altos de dióxido de carbono en la sangre y los tejidos, lo que puede provocar una variedad de síntomas que incluyen dificultad respiratoria, mayor susceptibilidad a la toxicidad del oxígeno del SNC, desorientación y pérdida del conocimiento. [54]
La mayoría de los diseños de rebreather se han basado en límites de tiempo muy conservadores para la duración del absorbente basados en pruebas experimentales, utilizando condiciones frías y altas cargas de trabajo y presiones de profundidad elevadas. El conservadurismo, normalmente innecesario, anima a los buceadores a alargar la duración de la absorción, que funciona bastante bien, hasta que deja de funcionar, a menudo sin previo aviso, lo que puede tener graves consecuencias. Un método más sofisticado es basar los límites de duración de la absorción en el consumo metabólico de oxígeno, como indicador de la producción metabólica de dióxido de carbono, que es razonablemente estable para la mayoría de las personas la mayor parte del tiempo y puede compensar bastante bien las variaciones en el esfuerzo y el metabolismo base, pero no compensa de manera confiable los efectos de profundidad y presión sobre la función absorbente. [54]
Un enfoque más directo y empírico es aprovechar la producción de calor y el aumento de temperatura de la zona activa del absorbente en el depurador. Se absorbe más dióxido de carbono en la primera zona de absorbente relativamente no utilizado a la que llega cuando el gas respirable pasa a través del depurador, y esta zona relativamente activa progresa a través del recipiente a medida que la zona a la que llegó primero el gas se agota, y se produce más reacción. a lo largo de. Este frente de reacción está a una temperatura más alta que el absorbente gastado, y el absorbente aún no está expuesto a altos niveles de dióxido de carbono, y el frente avanza a lo largo del depurador hasta que parte de él llega al final del absorbente, y el gas sin depurar se abre paso hasta el otro lado del circuito, después del cual hay un aumento bastante constante e irreversible del dióxido de carbono inspirado. [54] Algunos fabricantes de rebreather han desarrollado sondas de temperatura lineales que identifican la posición del frente reactivo, lo que permite al usuario estimar la duración restante del recipiente.
Ninguno de estos métodos puede detectar la derivación del recipiente y tienen poca capacidad para identificar material absorbente completamente agotado, canalizado, mal empaquetado o material absorbente inadecuado, pero esto se puede hacer mediante una medición directa de la presión parcial de dióxido de carbono en el lado de inhalación del circuito. . [54]
La investigación y el desarrollo de sensores de dióxido de carbono se remontan al menos a principios de la década de 1990, cuando Teledyne Analytical Instruments y Cis-Lunar Development Laboratories trabajaron en un sensor para el rebreather Cis-Lunar MK-III, que era preciso en condiciones de laboratorio pero en el campo susceptible a la alta humedad y condensación que causaban lecturas poco confiables, lo cual era un problema recurrente con la medición de dióxido de carbono en tiempo real. Las altas presiones también causaron problemas en la compensación de profundidad. En 2009, VR Technologies lanzó un sensor de CO 2 comercial que utiliza membranas hidrofóbicas para mantener los sensores secos sin reducir excesivamente el flujo de gas a los sensores. [54]
Desde entonces, otros fabricantes han introducido sus productos en el mercado, pero no han logrado un uso generalizado. Son relativamente caros, dan lecturas poco fiables en algunas circunstancias, sólo pueden detectar fallos del depurador y no predicen la duración restante. Una combinación de medición de temperatura y medición de CO 2 posterior al depurador puede brindar tanto predicción como advertencia de falla, para aumentar el costo y la complejidad. [54]
La colocación del sensor en el circuito puede afectar la sensibilidad al contenido real de CO 2 del gas inspirado. La medición de gas en la boquilla tiene problemas debido al espacio muerto, y el montaje en la manguera de inhalación cerca de la boquilla hace que el sensor sea sensible a pequeñas fugas en la válvula de retención de inhalación, mientras que también es capaz de detectar altos niveles de CO 2 debido a fugas importantes en la válvula de retención que podrían causar un gran aumento en el espacio muerto, que no se detectaría si el sensor estuviera más arriba en el circuito. [54]
Además, los niveles elevados de CO 2 en el gas inspirado son sólo una de las causas de hipercapnia. También se ve afectado por el trabajo respiratorio, la aptitud del buceador, los patrones de ventilación respiratoria y otros factores conductuales, fisiológicos y mecánicos. Una mejor opción sería medir los niveles de CO 2 inhalados y exhalados , y esto requeriría sensores que sean rápidos y confiables en condiciones húmedas, y razonablemente económicos [54].
Tras el fuerte respaldo del Rebreather Forum 3 al uso de listas de verificación escritas para mejorar la seguridad, Cis-Lunar Development Laboratories programó una lista de verificación electrónica previa a la inmersión en su sistema operativo de rebreather MK-5P, como una forma de evitar que el usuario descuide llevar realice las comprobaciones recomendadas antes de su uso. Esto se consideró exitoso y se implementó en generaciones posteriores en los rebreathers Poseidon MK-VI y SE7EN, y se desarrolló para incluir diagnósticos internos sólidos para los componentes electrónicos y el software centrales, y calibración automática de las celdas del sensor de oxígeno a presiones normobáricas. Si no se completa la lista de verificación completa, se activarán una serie de alarmas si el usuario intenta bucear con la unidad. Si bien no es completamente infalible (las celdas de oxígeno no están calibradas a presiones de trabajo hiperbáricas), se detectarán una serie de errores críticos para la seguridad y se informará al buceador de ellos. El software también registra los pasos y los datos de la verificación previa a la inmersión, lo que ha resultado valioso para el análisis de accidentes. Las comprobaciones previas a la inmersión también toman menos tiempo y no requieren papel ni registro de usuario. Se ha demostrado que este sistema reduce el riesgo y ha sido adoptado por varios fabricantes. [54]
La interfaz de usuario del sistema de control del rebreather es donde se intercambia información entre el buceador y el sistema de control electrónico, y es un área con varias posibilidades de errores, tanto en la entrada del usuario como en la interpretación de los datos, algunos de los cuales podrían tener consecuencias graves o fatales. El riesgo intrínsecamente mayor de falla mecánica debido a la alta complejidad puede compensarse mediante redundancia de ingeniería, tanto del sistema de control como del suministro de gas de rescate, y una capacitación adecuada. El diseño de la interfaz hombre-máquina (HMI) se puede mejorar para reducir el riesgo de malentendidos y errores, y la capacitación puede centrarse en la interpretación correcta de la información y la respuesta adecuada. La HMI suele tener dos componentes principales, pantallas y alarmas, y muchas de las alarmas están asociadas con información visual específica. [54]
Un desafío al diseñar alarmas efectivas es garantizar que el buceador no se distraiga con información irrelevante y que no se activen con demasiada facilidad, lo que habitúa al buceador a prestar menos atención y, si bien posiblemente cumpla con los requisitos legales en materia de advertencias y alarmas, puede dificultar la equipo funcionalmente menos seguro de usar. Una estrategia para evitar este problema es apuntar a diferentes sentidos (auditivo, visual y táctil), a veces basándose en una salida vibratoria a la boquilla. [54]
Una visualización eficaz garantiza que el usuario obtenga la información que necesita cuando la necesita y la información que quiere cuando la quiere, en una forma que se reconoce inmediatamente y se comprende sin ambigüedades. Cuando se presenta demasiada información en un momento de estrés, el usuario puede sentirse confundido o incapaz de distinguir la información útil a tiempo para utilizarla de manera efectiva. En otras ocasiones puede resultar útil o necesaria información más detallada para tomar una decisión correcta. Varias pantallas o varias vistas en la misma pantalla pueden ayudar con esto. [54]
Una tendencia en las pantallas de rebreather que se prevé que se generalice [54] es el uso de pantallas frontales avanzadas, que pueden proporcionar una gama más amplia de información mediante el uso de una serie de luces de colores o pantallas gráficas o alfanuméricas más complejas que permanecen visible periféricamente para el buceador en todo momento y solo requiere el movimiento de los ojos para ser completamente legible. [54]
Un problema logístico importante para las inmersiones largas y profundas con rebreather es el volumen del equipo de rescate que se debe transportar para permitir un regreso seguro a la superficie desde cualquier punto de la inmersión después de una falla irrecuperable del sistema primario. La opción de circuito abierto puede volverse extremadamente voluminosa e incómoda de manejar y, aunque es más compacta y eficiente, la opción del rebreather tiene su propio conjunto de desafíos logísticos. [54]
Uno de los principales desafíos de diseño en el desarrollo de un sistema de rescate de circuito cerrado para rebreathers es mantener el conjunto de rescate en condiciones listas para su uso en todas las profundidades. Esto implica gas respirable para la profundidad, aunque no necesariamente optimizado, ya que la mezcla puede llevarse al punto de ajuste con bastante rapidez después del rescate, y un volumen de gas que no varía excesivamente, de modo que el control de la flotabilidad no sea excesivamente complicado. La mayor parte del sistema debe ser manejable y la boquilla del conjunto de rescate debe ser de fácil acceso, pero segura. Dado que es más probable que se utilicen rebreathers de rescate en inmersiones con grandes obligaciones de descompresión, el sistema de gestión de descompresión debe acomodar el cambio a rescate. Si en el cálculo de la descompresión se incluye la monitorización en tiempo real de la presión parcial de oxígeno, debe ser posible transferir esta instalación entre unidades, sin comprometer su independencia. La carga de tareas del buzo en el manejo de los dos circuitos no debe ser excesiva, ya que se reconoce que el buzo es el aspecto menos confiable de la operación y puede estar bajo un estrés significativo cuando se hace necesario el rescate. [54]
Los datos registrados de las inmersiones con rebreather son útiles para el análisis de accidentes, las pruebas y el desarrollo de rebreather, y para fines educativos de los buceadores. El registro del perfil de inmersión mediante ordenadores de descompresión integrados también es valioso para la investigación sobre la eficacia de los programas de descompresión. La agregación de dichos datos puede proporcionar información sobre los patrones de buceo en toda la población de usuarios y ayudar a analizar el riesgo. [54]
Los sistemas de control de los rebreathers electrónicos han seguido aumentando en capacidad de procesamiento y almacenamiento, y en paralelo, ha aumentado su capacidad de captura de datos con mayor granularidad y precisión. En 1994, el sistema de registro de datos Cis-Lunar Mk-IV registró datos a varios cientos de puntos por hora de tiempo de inmersión, y en 1997 el Cis-Lunar Mk-5P registraba más de mil puntos por hora. En 2007, el Poseidon MK-VI Discovery registraba entre 15 000 y 25 000 puntos por hora, y en 2016 el Poseidon SE7EN registró más del doble de esa cantidad, en consonancia con las recomendaciones del Rebreather Forum 3, que establece: [ 54]
El foro recomienda que todos los rebreathers incorporen sistemas de registro de datos que registren parámetros funcionales relevantes para la unidad particular y los datos de inmersión y que permitan la descarga de estos datos. La reconstrucción diagnóstica de inmersiones con tantos parámetros relevantes como sea posible es el objetivo de esta iniciativa. Un objetivo ideal sería incorporar redundancia en los sistemas de registro de datos y, en la medida de lo posible, estandarizar los datos que se recopilarán [54]
Algunos de los datos registrados son específicos del modelo de rebreather y no son apropiados para el análisis general, pero algunos datos son útiles para el análisis externo de la población de usuarios y las prácticas de buceo que podrían mejorar la comprensión del comportamiento y el análisis de seguridad. [54]
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Medios relacionados con rebreathers de buceo en Wikimedia Commons