Un rebreather es un aparato de respiración que absorbe el dióxido de carbono del aliento exhalado por un usuario para permitir la reinhalación (reciclaje) del contenido de oxígeno sustancialmente no utilizado , y el contenido inerte no utilizado cuando está presente, de cada respiración. Se agrega oxígeno para reponer la cantidad metabolizada por el usuario. Esto difiere del aparato de respiración de circuito abierto, donde el gas exhalado se descarga directamente al medio ambiente. El propósito es extender la resistencia respiratoria de un suministro de gas limitado, al mismo tiempo que se eliminan las burbujas producidas de otro modo por un sistema de circuito abierto. La última ventaja sobre otros sistemas es útil para operaciones militares encubiertas por parte de hombres rana , así como para la observación tranquila de la vida silvestre submarina. Un rebreather generalmente se entiende como un aparato portátil llevado por el usuario. Es más probable que la misma tecnología en un vehículo o una instalación no móvil se denomine sistema de soporte vital .
La tecnología de rebreather se puede utilizar donde el suministro de gas respirable es limitado, como bajo el agua, en el espacio, donde el ambiente es tóxico o hipóxico (como en la lucha contra incendios), en el rescate de minas, en operaciones a gran altitud o donde el gas respirable está especialmente enriquecido o contiene componentes costosos, como diluyente de helio o gases anestésicos.
Los rebreathers se utilizan en muchos entornos: bajo el agua, los rebreathers de buceo son un tipo de aparato de respiración subacuático autónomo que tiene provisiones tanto para un suministro de gas primario como de emergencia. En tierra se utilizan en aplicaciones industriales donde puede haber gases venenosos o puede faltar oxígeno, en la lucha contra incendios , donde puede requerirse que los bomberos operen en una atmósfera inmediatamente peligrosa para la vida y la salud durante períodos prolongados, en sistemas de respiración de anestesia hospitalaria para suministrar concentraciones controladas de gases anestésicos a los pacientes sin contaminar el aire que respira el personal, y a gran altitud, donde la presión parcial de oxígeno es baja, para el montañismo a gran altitud. En la industria aeroespacial hay aplicaciones en aeronaves no presurizadas y para lanzamientos en paracaídas a gran altitud, y por encima de la atmósfera terrestre, en trajes espaciales para actividades extravehiculares . Se utiliza una tecnología similar en sistemas de soporte vital en submarinos, sumergibles, trajes de buceo atmosférico , hábitats de saturación submarinos y de superficie , naves espaciales y estaciones espaciales, y en sistemas de recuperación de gas utilizados para recuperar grandes volúmenes de helio utilizados en el buceo de saturación .
El reciclado de gas respirable se produce a costa de una complejidad tecnológica y de riesgos específicos, algunos de los cuales dependen de la aplicación y del tipo de rebreather utilizado. La masa y el volumen pueden ser mayores o menores que en circuito abierto según las circunstancias. Los rebreathers de buceo controlados electrónicamente pueden mantener automáticamente una presión parcial de oxígeno entre límites superiores e inferiores programables, o puntos de ajuste, y pueden integrarse con computadoras de descompresión para monitorear el estado de descompresión del buceador y registrar el perfil de inmersión .
Cuando una persona respira, el cuerpo consume oxígeno y produce dióxido de carbono . El metabolismo básico requiere alrededor de 0,25 L/min de oxígeno a partir de una frecuencia respiratoria de unos 6 L/min, y una persona en forma que trabaja duro puede respirar a una frecuencia de 95 L/min pero solo metabolizará alrededor de 4 L/min de oxígeno. [1] El oxígeno metabolizado es generalmente alrededor del 4% al 5% del volumen inspirado a presión atmosférica normal , o alrededor del 20% del oxígeno disponible en el aire a nivel del mar . El aire exhalado a nivel del mar contiene aproximadamente entre el 13,5% y el 16% de oxígeno. [2]
La situación es aún más desperdiciada de oxígeno cuando la fracción de oxígeno del gas respirable es mayor, y en el buceo submarino, la compresión del gas respirable debido a la profundidad hace que la recirculación del gas exhalado sea aún más deseable, ya que se desperdicia una proporción aún mayor de gas del circuito abierto. La reinhalación continua del mismo gas agotará el oxígeno a un nivel que ya no sustentará la conciencia y, eventualmente, la vida, por lo que se debe agregar gas que contenga oxígeno al gas respirable para mantener la concentración requerida de oxígeno. [3]
Sin embargo, si esto se hace sin eliminar el dióxido de carbono, se acumulará rápidamente en el gas reciclado, lo que provocará casi inmediatamente una dificultad respiratoria leve y una rápida evolución hacia otras etapas de hipercapnia o toxicidad por dióxido de carbono. Por lo general, es necesaria una alta tasa de ventilación para eliminar el producto metabólico dióxido de carbono (CO 2 ). El reflejo respiratorio se desencadena por la concentración de CO 2 en la sangre, no por la concentración de oxígeno, por lo que incluso una pequeña acumulación de CO 2 en el gas inhalado se vuelve rápidamente intolerable; si una persona intenta volver a respirar directamente su gas respirable exhalado, pronto sentirá una aguda sensación de asfixia , por lo que los rebreathers deben eliminar el CO 2 en un componente conocido como depurador de dióxido de carbono . [4]
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. [4]
La duración de un rebreather, es decir, el tiempo durante el cual se puede utilizar de forma segura y cómoda, depende del suministro de oxígeno a la tasa de consumo de oxígeno del usuario y de la capacidad del depurador para eliminar el dióxido de carbono a la tasa de producción del mismo. Estas variables están estrechamente relacionadas, ya que el dióxido de carbono es un producto del consumo metabólico de oxígeno, aunque no el único producto. Esto es independiente de la profundidad, excepto por el aumento del trabajo respiratorio debido al aumento de la densidad del gas. [4]
Hay dos sistemas básicos que controlan el flujo de gas respirable dentro del rebreather, conocidos como sistemas de péndulo y de bucle.
En la configuración de péndulo, el usuario inhala gas del contrapulmón a través de una manguera de respiración y el gas exhalado regresa al contrapulmón fluyendo de regreso a través de la misma manguera. El depurador generalmente se encuentra entre la manguera de respiración y la bolsa del contrapulmón, y el flujo de gas es bidireccional. Todos los pasajes de flujo entre el usuario y el absorbente activo en el depurador son espacios muertos , volumen que contiene gas que se vuelve a respirar sin modificación por parte del rebreather. El espacio muerto aumenta a medida que se agota el absorbente. El volumen de la manguera de respiración debe minimizarse para limitar el espacio muerto.
En la configuración de bucle, el usuario inhala gas a través de una manguera y exhala a través de una segunda manguera. El gas exhalado fluye hacia el depurador desde un lado y sale por el otro lado. Puede haber un contrapulmón grande, a cada lado del depurador, o dos contrapulmones más pequeños, uno a cada lado del depurador. El flujo es en una dirección, reforzado por válvulas antirretorno, que generalmente se encuentran en las mangueras de respiración donde se unen a la boquilla. Solo el paso de flujo en la boquilla antes de la división entre las mangueras de inhalación y exhalación es espacio muerto, y esto no se ve afectado por el volumen de la manguera. [6]
Existen algunos componentes que son comunes a casi todos los rebreathers portátiles personales. Entre ellos se incluyen los componentes de volumen respiratorio a presión ambiental, generalmente denominados circuito respiratorio en un rebreather de flujo circulante, y el sistema de suministro y control de gas de reposición.
El contrapulmón es una bolsa hermética de material fuerte y flexible que contiene el volumen del gas exhalado hasta que se inhala nuevamente. Puede haber un solo contrapulmón o uno a cada lado del depurador, lo que permite un flujo de gas más uniforme a través del depurador, lo que puede reducir el trabajo respiratorio y mejorar la eficiencia del depurador mediante un tiempo de permanencia más constante .
El depurador es un recipiente lleno de material absorbente de dióxido de carbono, principalmente bases fuertes , a través del cual pasa el gas exhalado para eliminar el dióxido de carbono. El absorbente puede ser granular o en forma de cartucho moldeado. [7] El absorbente granular se puede fabricar rompiendo trozos de cal y clasificando los gránulos por tamaño, o moldeando gránulos en un tamaño y forma consistentes. [8] El flujo de gas a través del depurador puede ser en una dirección en un rebreather de bucle, o en ambas direcciones en un rebreather de péndulo. El recipiente del depurador generalmente tiene una entrada en un lado y una salida en el otro lado.
Un absorbente típico es la cal sódica , que está compuesta de hidróxido de calcio Ca(OH) 2 e hidróxido de sodio NaOH. El componente principal de la cal sódica es el hidróxido de calcio, que es relativamente barato y se consigue fácilmente. Otros componentes pueden estar presentes en el absorbente. Se añade hidróxido de sodio para acelerar la reacción con el dióxido de carbono. Se pueden añadir otros productos químicos para evitar productos de descomposición no deseados cuando se utiliza con anestésicos de inhalación halogenados estándar. Se puede incluir un indicador para mostrar cuándo el dióxido de carbono se ha disuelto en el agua de la cal sódica y ha formado ácido carbónico, cambiando el pH de básico a ácido, ya que el cambio de color muestra que el absorbente ha alcanzado la saturación con dióxido de carbono y debe cambiarse. [8]
El dióxido de carbono se combina con agua o vapor de agua para producir un ácido carbónico débil: CO 2 + H 2 O -> H 2 CO 3 . Este reacciona con los hidróxidos para producir carbonatos y agua en una reacción exotérmica. [6] En la reacción intermedia, el ácido carbónico reacciona exotérmicamente con hidróxido de sodio para formar carbonato de sodio y agua: H 2 CO 3 + 2NaOH -> Na 2 CO 3 + 2H 2 O + calor. En la reacción final, el carbonato de sodio reacciona con la cal apagada (hidróxido de calcio) para formar carbonato de calcio e hidróxido de sodio: Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 -> CaCO 3 + 2NaOH. El hidróxido de sodio está entonces disponible de nuevo para reaccionar con más ácido carbónico. [8] 100 gramos (3,5 oz) de este absorbente pueden eliminar alrededor de 15 a 25 litros (0,53 a 0,88 pies cúbicos) de dióxido de carbono a presión atmosférica estándar. [6] [8] Este proceso también calienta y humidifica el aire, lo cual es deseable para bucear en agua fría o escalar a grandes altitudes, pero no para trabajar en ambientes cálidos.
En circunstancias especiales se pueden utilizar otras reacciones. El hidróxido de litio y, en particular, el peróxido de litio se pueden utilizar cuando la masa es baja, como en las estaciones espaciales y los trajes espaciales. El peróxido de litio también repone el oxígeno durante la reacción de depuración. [9]
Otro método de eliminación de dióxido de carbono que se utiliza ocasionalmente en los rebreathers portátiles es congelarlo, lo que es posible en un rebreather criogénico que utiliza oxígeno líquido. El oxígeno líquido absorbe el calor del dióxido de carbono en un intercambiador de calor para convertir el oxígeno en gas, lo que es suficiente para congelar el dióxido de carbono. Este proceso también enfría el gas, lo que a veces, pero no siempre, es deseable.
Una manguera de respiración o, a veces, un tubo de respiración en un rebreather es un tubo flexible por el que pasa el gas respirable a presión ambiente. Se distinguen de las mangueras de baja, intermedia y alta presión que también pueden ser partes del aparato de rebreather. Tienen un orificio lo suficientemente ancho para minimizar la resistencia al flujo a la presión ambiente en el rango operativo del equipo, suelen tener una sección transversal circular y pueden estar corrugadas para permitir que la cabeza del usuario se mueva sin que el tubo se colapse en los pliegues. [6]
Cada extremo tiene una conexión hermética al componente adyacente, y pueden contener una válvula unidireccional para mantener el gas circulando de la manera correcta en un sistema de bucle. Dependiendo del servicio, pueden estar hechos de un polímero flexible, un elastómero , un elastómero reforzado con fibra o tela, o un elastómero cubierto con una tela tejida para refuerzo o resistencia a la abrasión. Si la capa tejida está adherida a la superficie exterior, protege la goma de daños por raspaduras, pero hace que sea más difícil lavar los contaminantes. [6] Las mangueras de respiración generalmente vienen en dos tipos de corrugación. Las corrugaciones anulares, como se muestra en la foto, se benefician de una reparación de campo más fácil si se produce un desgarro o un agujero, mientras que las corrugaciones helicoidales permiten un drenaje eficiente después de la limpieza. [10]
Las mangueras de respiración suelen ser lo suficientemente largas como para conectar el aparato a la cabeza del usuario en todas las posiciones de la cabeza, pero no deben ser innecesariamente largas, ya que esto provocaría peso adicional, resistencia hidrodinámica , riesgo de enganche en objetos o contendría un exceso de espacio muerto en un rebreather de péndulo. Las mangueras de respiración se pueden atar a los hombros del buceador o lastrar para lograr una flotabilidad neutra y así minimizar las cargas en la boquilla.
Se proporciona una boquilla con agarre de mordida , una máscara oronasal , una máscara facial completa o un casco sellado para que el usuario pueda respirar desde la unidad con manos libres.
Un depósito de oxígeno, generalmente como gas comprimido en un cilindro de alta presión, pero a veces como oxígeno líquido , que alimenta oxígeno gaseoso al volumen de respiración a presión ambiente, ya sea de forma continua o cuando el usuario opera la válvula de adición de oxígeno, o a través de una válvula de demanda en un rebreather de oxígeno, cuando el volumen de gas en el circuito de respiración se vuelve bajo y la presión cae, o en un rebreather de gas mixto controlado electrónicamente, después de que un sensor ha detectado una presión parcial de oxígeno insuficiente y activa una válvula solenoide.
Se necesitan válvulas para controlar el flujo de gas en el volumen de respiración y la alimentación de gas desde el recipiente de almacenamiento. Estas válvulas incluyen:
Los sensores de oxígeno se pueden utilizar para monitorear la presión parcial de oxígeno en rebreathers de gases mixtos para garantizar que no caiga fuera de los límites seguros, pero generalmente no se utilizan en rebreathers de oxígeno, ya que el contenido de oxígeno se fija al 100% y su presión parcial varía solo con la presión ambiental.
Los respiradores de respiración artificial se pueden clasificar principalmente como respiradores de buceo, diseñados para uso hiperbárico, y otros respiradores de respiración artificial utilizados a presiones que van desde ligeramente más altas que la presión atmosférica normal a nivel del mar hasta presiones ambientales significativamente más bajas a grandes altitudes y en el espacio. Los respiradores de buceo a menudo deben lidiar con las complicaciones de evitar la toxicidad del oxígeno hiperbárico, mientras que las aplicaciones normobáricas e hipobáricas pueden utilizar la tecnología relativamente simple de los respiradores de oxígeno, donde no hay necesidad de monitorear la presión parcial de oxígeno durante el uso, siempre que la presión ambiental sea suficiente.
Los rebreathers también pueden subdividirse según su principio funcional en rebreathers de circuito cerrado y rebreathers de circuito semicerrado.
Este es el primer tipo de rebreather y fue utilizado comúnmente por las armadas para el escape submarino y el trabajo de buceo en aguas poco profundas, para el rescate de minas, el montañismo y el vuelo a gran altitud, y en aplicaciones industriales desde principios del siglo XX. Los rebreathers de oxígeno pueden ser notablemente simples y mecánicamente confiables, y fueron inventados antes del buceo de circuito abierto. Solo suministran oxígeno, por lo que no hay necesidad de controlar la composición del gas más allá de eliminar el dióxido de carbono. [11]
En algunos rebreathers, el cilindro de oxígeno tiene mecanismos de suministro de oxígeno en paralelo. Uno es de flujo constante ; el otro es una válvula de encendido y apagado manual llamada válvula de derivación; ambos alimentan la misma manguera que alimenta el contrapulmón. [12] Otros se suministran a través de una válvula de demanda en el contrapulmón. Esto agregará gas en cualquier momento en que el contrapulmón se vacíe y el buceador continúe inhalando. El oxígeno también se puede agregar manualmente mediante un botón que activa la válvula de demanda. [13] Algunos rebreathers de oxígeno simples no tenían un sistema de suministro automático, sino 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.
Todos los rebreathers que no sean de oxígeno pueden considerarse rebreathers de gas mixto, ya que el gas respirable es una mezcla de oxígeno y gas diluyente metabólicamente inactivo. Estos pueden dividirse en rebreathers de circuito semicerrado, donde el gas de suministro es una mezcla respirable que contiene oxígeno y diluyentes inertes, generalmente nitrógeno y helio, y que se repone añadiendo más mezcla a medida que se consume el oxígeno, suficiente para mantener una presión parcial respirable de oxígeno en el circuito, y rebreathers de circuito cerrado, donde se utilizan dos suministros de gas paralelos: el diluyente, para proporcionar la mayor parte del gas, y que se recicla, y el oxígeno, que se gasta metabólicamente. El dióxido de carbono se considera un producto de desecho y, en un rebreather que funciona correctamente, se elimina eficazmente cuando el gas pasa a través del depurador.
Existen algunos diseños de rebreathers (por ejemplo, el Oxylite) que utilizan superóxido de potasio , que libera oxígeno al absorber dióxido de carbono, como absorbente de dióxido de carbono: 4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3O 2 . Se necesita un cilindro de oxígeno de pequeño volumen para llenar y purgar el circuito al comienzo del uso. [14] Esta tecnología se puede aplicar tanto a rebreathers de oxígeno como de gases mixtos, y se puede utilizar para buceo y otras aplicaciones. El superóxido de potasio reacciona vigorosamente con el agua líquida, liberando calor y oxígeno considerables y provocando un riesgo de incendio, por lo que las aplicaciones más exitosas han sido para trajes espaciales, extinción de incendios y rescate en minas. [15]
Se puede utilizar un suministro de oxígeno líquido para los rebreathers de oxígeno o de gases mixtos. Si se utiliza bajo el agua, el contenedor de oxígeno líquido debe estar bien aislado contra la transferencia de calor desde el agua. Los equipos industriales de este tipo pueden no ser adecuados para el buceo, y los equipos de buceo de este tipo pueden no ser adecuados para su uso fuera del agua debido a requisitos contradictorios de transferencia de calor. El tanque de oxígeno líquido del equipo debe llenarse inmediatamente antes de su uso. Algunos ejemplos de este tipo son:
Un rebreather criogénico elimina el dióxido de carbono congelándolo en una "caja de nieve" mediante la baja temperatura que se produce cuando el oxígeno líquido se evapora para reemplazar el oxígeno utilizado.
Esto puede compararse con algunas aplicaciones de los aparatos de respiración de circuito abierto:
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En el buceo se utiliza la mayor variedad de tipos de rebreather, ya que las consecuencias de respirar bajo presión complican los requisitos, y hay una amplia gama de opciones disponibles según la aplicación específica y el presupuesto disponible. Un rebreather de buceo es un equipo de soporte vital de seguridad crítica : algunos modos de falla pueden matar al buceador sin previo aviso, mientras que otros pueden requerir una respuesta inmediata y apropiada para sobrevivir.
Se utiliza un sistema de recuperación de helio (o sistema push-pull) para recuperar el gas respirable a base de helio después de su uso por parte del buceador cuando esto resulta más económico que perderlo en el medio ambiente en sistemas de circuito abierto. El gas recuperado pasa por un sistema de depuración para eliminar el dióxido de carbono, se filtra para eliminar los olores y se presuriza en contenedores de almacenamiento, donde se puede mezclar con oxígeno hasta obtener la composición necesaria para su reutilización, ya sea de inmediato o en una fecha posterior.
El sistema de soporte vital proporciona gas respirable y otros servicios para sustentar la vida del personal bajo presión en las cámaras de acomodación y la campana de buceo cerrada. Incluye los siguientes componentes: [22]
El sistema de soporte vital de la campana proporciona y controla el suministro principal de gas respirable, y la estación de control supervisa el despliegue y las comunicaciones con los buzos. El suministro principal de gas, la energía y las comunicaciones con la campana se realizan a través de un umbilical de campana, formado por una serie de mangueras y cables eléctricos trenzados entre sí y desplegados como una unidad. [23] Este se extiende a los buzos a través de los umbilicales de los buzos. [22]
El sistema de soporte vital del alojamiento mantiene el ambiente de la cámara dentro de los límites aceptables para la salud y el confort de los ocupantes. Se supervisan y controlan la temperatura, la humedad, la calidad del gas respirable, los sistemas de saneamiento y el funcionamiento del equipo. [23]
Un traje de buceo atmosférico es un pequeño sumergible articulado para una persona de forma aproximadamente antropomórfica, con articulaciones en las extremidades que permiten la articulación bajo presión externa mientras se mantiene una presión interna de una atmósfera. El suministro de gas respirable puede ser desde la superficie a través de un cordón umbilical o desde un rebreather que se lleva en el traje. También se puede instalar un rebreather con suministro de gas de emergencia en un traje con suministro desde la superficie o con rebreather para el gas respirable primario. Como la presión interna se mantiene a una atmósfera, no hay riesgo de toxicidad aguda por oxígeno. Esta es una aplicación de buceo submarino, pero tiene más en común con las aplicaciones industriales que con los rebreathers de buceo a presión ambiental.
Se aplican diferentes criterios de diseño a los rebreathers SCBA para uso exclusivo fuera del agua:
Los respiradores para montañismo proporcionan oxígeno en una concentración más alta que la disponible en el aire atmosférico en un entorno naturalmente hipóxico. Deben ser livianos y confiables en condiciones de frío extremo, lo que incluye evitar que se ahoguen con la escarcha depositada. [25] No se ha solucionado la alta tasa de fallas del sistema debido al frío extremo. [ cita requerida ] Respirar oxígeno puro da como resultado una presión parcial elevada de oxígeno en la sangre: un escalador que respira oxígeno puro en la cima del Monte Everest tiene una presión parcial de oxígeno mayor que la que respira aire a nivel del mar. Esto da como resultado la capacidad de realizar un mayor esfuerzo físico en la altitud. La reacción exotérmica ayuda a evitar que el contenido del depurador se congele y ayuda a reducir la pérdida de calor del usuario.
Tanto el oxígeno químico como el gas comprimido se han utilizado en sistemas experimentales de oxígeno en circuito cerrado: el primero en el Monte Everest en 1938. La expedición de 1953 utilizó un equipo de oxígeno de circuito cerrado desarrollado por Tom Bourdillon y su padre para el primer equipo de asalto de Bourdillon y Evans ; con un cilindro de oxígeno comprimido "dural" de 800 l y un bote de cal sódica (el segundo equipo de asalto (exitoso) de Hillary y Tenzing utilizó equipo de circuito abierto). [26]
Los requisitos y el entorno de trabajo son similares a los del montañismo, pero el peso es un problema menor. El respirador soviético IDA71 también se fabricó en una versión para grandes altitudes, que se utilizaba como respirador de oxígeno.
Las máquinas de anestesia pueden configurarse como rebreathers para proporcionar oxígeno y gases anestésicos a un paciente durante una cirugía u otros procedimientos que requieren sedación. La máquina cuenta con un absorbente para eliminar el dióxido de carbono del circuito. [27]
Se pueden utilizar sistemas de circuito semicerrado y completamente cerrado para máquinas de anestesia, y se utilizan sistemas de flujo bidireccional de empuje-tracción (péndulo) y de bucle unidireccional. [28] El circuito de respiración de una máquina configurada en bucle tiene dos válvulas unidireccionales de modo que solo el gas depurado fluye hacia el paciente mientras que el gas espirado regresa a la máquina. [27]
La máquina de anestesia también puede proporcionar gas a pacientes ventilados que no pueden respirar por sí solos. [29] Un sistema de eliminación de gases residuales elimina todos los gases del quirófano para evitar la contaminación ambiental. [30]
Una de las funciones de un traje espacial es proporcionar gas respirable al usuario. Esto se puede hacer a través de un cordón umbilical desde los sistemas de soporte vital de la nave espacial o el hábitat, o desde un sistema de soporte vital primario que se lleva en el traje. Ambos sistemas utilizan tecnología de recirculación de oxígeno, ya que ambos eliminan el dióxido de carbono del gas respirable y agregan oxígeno para compensar el oxígeno utilizado por el usuario. Los trajes espaciales generalmente utilizan recirculadores de oxígeno, ya que esto permite una presión más baja en el traje, lo que le da al usuario una mayor libertad de movimiento.
Los submarinos , los hábitats submarinos , los refugios antiaéreos, las estaciones espaciales y otros espacios habitables ocupados por varias personas durante períodos medianos a largos con un suministro de gas limitado, son equivalentes en principio a los rebreathers de circuito cerrado, pero generalmente dependen de la circulación mecánica del gas respirable a través de los depuradores.
Existen varios problemas de seguridad con los equipos de rebreather y estos tienden a ser más graves en los rebreathers de buceo.
Algunos de los peligros se deben al modo en que funciona el equipo, mientras que otros están relacionados con el entorno en el que se utiliza el equipo, ya que los rebreathers suelen emplearse donde no hay atmósfera ambiental respirable disponible.
La hipoxia puede ocurrir en cualquier rebreather que contenga suficiente gas inerte para permitir la respiración sin activar la adición automática de gas.
En un rebreather de oxígeno, esto puede ocurrir si el circuito no se purga lo suficiente al comienzo del uso. La purga es el reemplazo del contenido de gas original por gas fresco y puede ser necesario repetirla para eliminar por completo el gas inerte. La purga debe realizarse mientras se respira fuera de la unidad para que el gas inerte en los pulmones y los tejidos corporales del usuario que llega al circuito también se elimine del sistema.
La acumulación de dióxido de carbono se producirá si el medio depurador está ausente, mal empaquetado, es inadecuado o está agotado. El cuerpo humano normal es bastante sensible a la presión parcial de dióxido de carbono y el usuario notará una acumulación. Sin embargo, no suele haber mucho que se pueda hacer para rectificar el problema, excepto cambiar a otro suministro de gas respirable hasta que se pueda volver a empaquetar el depurador. El uso continuo de un rebreather con un depurador ineficaz no es posible durante mucho tiempo, ya que los niveles se volverán tóxicos y el usuario experimentará una dificultad respiratoria extrema, que finalmente provocará la pérdida de conciencia y la muerte. La velocidad a la que se desarrollan estos problemas depende del volumen del circuito y de la tasa metabólica del usuario en ese momento.
La acumulación de dióxido de carbono también puede ocurrir cuando una combinación de esfuerzo y trabajo respiratorio excede la capacidad del usuario. Si esto ocurre y el usuario no puede reducir el esfuerzo lo suficiente, puede ser imposible corregirlo. Este problema es más probable que ocurra con rebreathers de buceo a profundidades donde la densidad del gas respirable es muy elevada. [31] [32] [33] El único recurso es ventilar el aliento expulsado fuera del sistema cerrado, por lo tanto, no reutilizar el oxígeno y, por lo tanto, aumentar el uso de la mezcla de gases, pero esta no es una opción en todos los campos de aplicación.
Los rebreathers industriales se utilizan a menudo cuando el aire ambiente está contaminado y puede ser tóxico. Algunas partes del circuito estarán a una presión ligeramente inferior a la del ambiente externo durante la inhalación y, si el circuito no es hermético, pueden filtrarse gases externos. Este es un problema particular en el borde de una máscara facial completa, donde el faldón de goma de la máscara debe sellarse contra la cara del usuario.
Las altas presiones parciales de oxígeno aumentan considerablemente el riesgo de incendio y muchos materiales que son autoextinguibles en el aire atmosférico arderán continuamente en una alta concentración de oxígeno. Esto es más peligroso para aplicaciones terrestres, como el rescate y la lucha contra incendios, que para el buceo, donde el riesgo de ignición es relativamente bajo.
Provocada por una inundación del bucle que llega al recipiente absorbente, por lo que solo es aplicable en aplicaciones sumergidas.
El término "ruptura" significa que el depurador no logra seguir eliminando suficiente dióxido de carbono del gas que circula en el circuito. Esto ocurrirá inevitablemente si el depurador se utiliza durante demasiado tiempo, pero puede ocurrir de forma prematura en algunas circunstancias. Hay varias formas en las que el depurador puede fallar o volverse menos eficiente:
Alrededor de 1620, Cornelius Drebbel descubrió que calentar salitre ( nitrato de potasio ) generaría oxígeno. [34]
El primer rebreather básico basado en la absorción de dióxido de carbono fue patentado en Francia en 1808 por Pierre-Marie Touboulic de Brest , un mecánico de la Armada Imperial de Napoleón . Este diseño temprano de rebreather funcionaba con un depósito de oxígeno, que era suministrado progresivamente por el buzo y circulaba en un circuito cerrado a través de una esponja empapada en agua de cal , una solución de hidróxido de calcio en agua. [35] [36] Touboulic llamó a su invento Ichtioandre (del griego "hombre-pez"). [37] [ cita requerida ] No hay evidencia de que se haya fabricado un prototipo.
En 1849, Pierre Aimable De Saint Simon Sicard construyó un prototipo de rebreather [38].
En 1853, el profesor T. Schwann presentó un rebreather en la Academia Belga de Ciencias. [39] [36] Tenía un gran tanque de oxígeno montado en la parte posterior con una presión de trabajo de aproximadamente 13,3 bar y dos depuradores que contenían esponjas empapadas en una solución de soda cáustica . [36]
El primer equipo de buceo de circuito cerrado comercialmente práctico fue diseñado y construido por el ingeniero de buceo Henry Fleuss en 1878, mientras trabajaba para Siebe Gorman en Londres. [40] [12] Su aparato de respiración autónomo consistía en una máscara de goma conectada a una bolsa de respiración, con (estimado) 50-60% de O 2 suministrado desde un tanque de cobre y CO 2 depurado por hilo de cuerda empapado en una solución de potasa cáustica; el sistema daba una duración de aproximadamente tres horas. [12] [41] Fleuss probó su dispositivo en 1879 pasando una hora sumergido en un tanque de agua, luego una semana después buceando a una profundidad de 5,5 m en aguas abiertas, ocasión en la que resultó levemente herido cuando sus asistentes lo sacaron abruptamente a la superficie.
Su aparato fue utilizado por primera vez en condiciones operativas en 1880 por Alexander Lambert, el buzo líder en el proyecto de construcción del túnel Severn , que pudo viajar 1000 pies en la oscuridad para cerrar varias compuertas sumergidas en el túnel; esto había frustrado sus mejores esfuerzos con el traje de buceo estándar debido al peligro de que la manguera de suministro de aire se ensuciara con escombros sumergidos y las fuertes corrientes de agua en las obras. [12] En 1880, Fleuss, utilizó un rebreather para inspeccionar Seaham Colliery en el Reino Unido después de una explosión de gas. [36]
Fleuss y Siebe Gorban desarrollaron el aparato de respiración Proto para el rescate en minas en 1911. [36]
Fleuss mejoró continuamente su aparato, añadiendo un regulador de demanda y tanques capaces de contener mayores cantidades de oxígeno a mayor presión. Sir Robert Davis , director de Siebe Gorman , mejoró el rebreather de oxígeno en 1910 [12] [41] con su invención del aparato de escape sumergido Davis , el primer rebreather práctico que se fabricó en grandes cantidades. Aunque estaba destinado principalmente a ser un aparato de escape de emergencia para tripulaciones de submarinos , pronto se utilizó también para el buceo , siendo un práctico aparato de buceo en aguas poco profundas con una autonomía de treinta minutos, [41] y como equipo de respiración industrial .
El equipo estaba compuesto por una bolsa de goma para respirar y flotar que contenía un bote de hidróxido de bario para limpiar el CO2 exhalado y , en un bolsillo en el extremo inferior de la bolsa, un cilindro de presión de acero que contenía aproximadamente 56 litros de oxígeno a una presión de 120 bar. El cilindro estaba equipado con una válvula de control y estaba conectado a la bolsa de respiración . Al abrir la válvula del cilindro, el oxígeno entraba en la bolsa y se cargaba a la presión del agua circundante. El equipo también incluía una bolsa de flotabilidad de emergencia en la parte delantera para ayudar a mantener al usuario a flote. El DSEA fue adoptado por la Marina Real después de un mayor desarrollo por parte de Davis en 1927. [42] Varios rebreathers de oxígeno industriales como el Siebe Gorman Salvus y el Siebe Gorman Proto , ambos inventados a principios de la década de 1900, se derivaron de él.
El profesor Georges Jaubert inventó el compuesto químico Oxylithe en 1907. Era una forma de peróxido de sodio ( Na2O2 ) o superóxido de sodio (NaO2 ) . A medida que absorbe dióxido de carbono en el depurador de un rebreather, emite oxígeno. Este compuesto fue incorporado por primera vez en un diseño de rebreather por el capitán SS Hall y el Dr. O. Rees de la Marina Real en 1909. Aunque estaba destinado a usarse como un aparato de escape submarino, nunca fue aceptado por la Marina Real y en su lugar se utilizó para el buceo en aguas poco profundas. [41]
En 1912, la empresa alemana Dräger inició la producción en serie de su propia versión del traje de buceo estándar con suministro de aire mediante un rebreather. El aparato había sido inventado unos años antes por Hermann Stelzner, un ingeniero de la empresa Dräger, [43] para el rescate en minas . [44]
En la década de 1930, después de algunos accidentes trágicos en la década de 1920, la Armada de los Estados Unidos comenzó a equipar a los submarinos de clase Porpoise y Salmon con rebreathers primitivos llamados pulmones Momsen , que estuvieron en uso hasta la década de 1960.
En la década de 1930, los pescadores submarinos deportivos italianos comenzaron a utilizar el rebreather Davis ; los fabricantes italianos recibieron una licencia de los titulares de patentes ingleses para producirlo. Esta práctica pronto llamó la atención de la Marina italiana , que desarrolló un modelo ampliamente mejorado diseñado por Teseo Tesei y Angelo Belloni que fue utilizado por su unidad de marineros Decima Flottiglia MAS con buenos resultados durante la Segunda Guerra Mundial. [41]
Durante la Segunda Guerra Mundial , los rebreathers capturados de los hombres rana italianos influyeron en los diseños mejorados de los rebreathers británicos. [41] Muchos equipos de respiración de los hombres rana británicos usaban cilindros de oxígeno para respirar de la tripulación rescatados de aviones derribados de la Luftwaffe alemana . El primero de estos equipos de respiración puede haber sido un aparato de escape sumergido Davis modificado ; sus máscaras faciales completas eran del tipo destinado al Siebe Gorman Salvus , pero en operaciones posteriores se usaron diseños diferentes, lo que llevó a una máscara facial completa con una gran ventana facial, al principio circular u ovalada y luego rectangular (en su mayoría plana, pero los lados curvados hacia atrás para permitir una mejor visión lateral). Los primeros rebreathers de los hombres rana británicos tenían contrapulmones rectangulares en el pecho como los rebreathers de los hombres rana italianos, pero los diseños posteriores tenían un hueco cuadrado en la parte superior del contrapulmón para que pudiera extenderse más hacia los hombros. En el frente tenían un collar de goma que se sujetaba alrededor del recipiente absorbente. [41] Algunos buzos de las fuerzas armadas británicas usaban trajes de buceo gruesos y voluminosos llamados trajes Sladen ; Una versión tenía una placa frontal única abatible para ambos ojos para permitir que el usuario pudiera llevar los binoculares a sus ojos cuando estaba en la superficie.
Los rebreathers Dräger, especialmente los modelos DM20 y DM40, fueron utilizados por los buzos con casco y los hombres rana alemanes durante la Segunda Guerra Mundial . Los rebreathers para la Marina de los EE. UU. fueron desarrollados por el Dr. Christian J. Lambertsen para la guerra submarina. [45] [46] Lambertsen realizó el primer curso de rebreathers de oxígeno de circuito cerrado en los Estados Unidos para la unidad marítima de la Oficina de Servicios Estratégicos en la Academia Naval el 17 de mayo de 1943. [46] [47]
Durante y después de la Segunda Guerra Mundial , en las fuerzas armadas surgió la necesidad de bucear a mayor profundidad de la permitida por el oxígeno puro. Esto impulsó, al menos en Gran Bretaña, el diseño de variantes simples de "rebreather de mezcla" de flujo constante de algunos de sus rebreathers de oxígeno para buceo (= lo que ahora se llama " nitrox "): SCMBA a partir del SCBA ( Aparato de respiración para nadadores y piragüistas ) y CDMBA a partir del CDBA de Siebe Gorman , añadiendo un cilindro de suministro de gas adicional. Antes de una inmersión con un equipo de este tipo, el buceador tenía que saber la profundidad máxima o de trabajo de su inmersión y la velocidad con la que su cuerpo utilizaba su suministro de oxígeno, y a partir de ahí calcular en qué tasa de flujo de gas establecer su rebreather.
El pionero del buceo Hans Hass utilizó rebreathers de oxígeno Dräger a principios de la década de 1940 para la cinematografía submarina.
Debido a la importancia militar del rebreather, ampliamente demostrada durante las campañas navales de la Segunda Guerra Mundial , la mayoría de los gobiernos se mostraron reacios a hacer pública esta tecnología. En Gran Bretaña, el uso de rebreathers por parte de civiles fue insignificante y la BSAC prohibió formalmente su uso por parte de sus miembros. Las empresas italianas Pirelli y Cressi-Sub vendieron al principio un modelo de rebreather para buceo deportivo, pero después de un tiempo dejaron de fabricar esos modelos. Algunos rebreathers de fabricación casera fueron utilizados por buceadores de cuevas para penetrar en los sumideros de las cuevas .
La mayoría de los alpinistas que viajan a grandes altitudes utilizan equipos de oxígeno de circuito abierto; la expedición al Everest de 1953 utilizó equipos de oxígeno de circuito abierto y de circuito cerrado: véase oxígeno embotellado .
Finalmente, la Guerra Fría terminó y en 1989 el Bloque Comunista colapsó ; como resultado, el riesgo percibido de ataques de sabotaje por parte de buzos de combate disminuyó y las fuerzas armadas occidentales tenían menos motivos para requisar patentes de rebreathers civiles , y comenzaron a aparecer rebreathers de buceo recreativo automáticos y semiautomáticos con sensores de presión parcial de oxígeno .
Industrial/rescate:
Otros:
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