Un nuovo approccio alla possibilità di vita sottomarina: il rebreather
Le tecnologie ed il funzionamento alla base di questa innovazione per chi lavora sott'acqua


Miriam Surro ed il suo coautore, Domenico Lamboglia, spiegano i primi rudimenti di funzionamento e le diverse tipologie di respiratori artificiali subacquei di nuova generazione.

[11/10/2007]
Esplorare l'ambiente marino e svolgervi un'attività con libertà di movimento e la possibilità di trattenervisi a lungo è aspirazione antica. Gli sforzi per superare con l'ausilio di strumenti tecnologici i confini imposti a questa ambizione dalla fisiologia umana sono stati pressoché ininterrotti ed hanno effettivamente portato al progressivo abbattimento di barriere che sembravano insormontabili.
L’introduzione dell’erogatore di Cousteau e Gagnan negli anni 40 e del “computer subacqueo” negli anni ’70 sono le innovazioni tecnologiche che hanno più significativamente esteso i confini dell’esplorazione umana del fondo marino ed hanno consentito la pratica dell’immersione subacquea a scopi anche ricreativi.
Lo studio d’alcuni fenomeni fisici e chimici legati al comportamento del corpo umano ed in modo particolare dell’apparato respiratorio (o fisiologia), durante un’immersione subacquea i quali sono legati alle condizioni ambientali (pressione, temperatura ecc..) e di lavoro (riposo, medio o duro) ha costituito, negli ultimi anni, la base essenziale per le cosiddette “immersioni tecniche”.

Scopo principale è quello di ottimizzare le performance dell’immersione (durata, profondità, minimizzazione dello spreco di ossigeno etc.) intervenendo in modo opportuno su alcuni parametri (tipo di miscela da respirare, attrezzature etc.) col fine di salvaguardare la vita dell’operatore anche nelle condizioni estreme.
I rebreathers si distinguono in tre sottoclassi fondamentali:
1) Rebreather ad ossigeno
2) Rebreather a circuito semi-chiuso
3) Rebreather a circuito chiuso.
Ogni classe ha i sui vantaggi e svantaggi che saranno descritti in seguito.
Tutti i generi di rebreathers hanno alcuni elementi in comune come ad esempio un erogatore con tre valvole, due delle quali direzionano il flusso di respirazione: una d’ingresso (dalla quale proviene l’aria pulita da respirare) ed una d’uscita (verso la quale sono indirizzati i gas dell’espirazione che varranno opportunamente trattati).
Le due valvole prima descritte servono ad assicurare il verso di circolazione dei gas; il ciclo di respirazione si chiude tramite raccordi e tubi su un contenitore comune detto contro-polmone.
La terza valvola presente nell’erogatore serve ad isolare lo stesso dall’esterno evitando che l’acqua entri nel ciclo di respirazione quando esso non è indossato, questa valvola è sotto il controllo dell’operatore.
Se il circuito di respirazione descritto in precedenza fosse di costruzione rigida, l’operatore non potrebbe respirare! Infatti, accadrebbe che la pressione esterna alla quale è sottoposto in fase d’immersione non agirebbe anche sull’impianto di respirazione, con il risultato che l’operatore dovrebbe inspirare applicando una forza sul diaframma tale da poter compensare la differenza di pressione, data da quella che agisce esternamente sui suoi polmoni (pressione ambiente) e quella cui è sottoposto il gas da respirare.
Per l’operatore sarebbe come respirare nella lattina di una bibita!
Per questo motivo il contro-polmone del rebreather è in realtà un sacchetto collassabile, una specie di palloncino, tutt’altro che rigido, il cui compito è proprio quello di farsi condizionare dalla pressione esterna allo stesso modo dei polmoni dell’operatore (da cui il nome di contro-polmone).
Ad esempio se l’operatore s’immergesse a 10mt di profondità, la pressione che dovrebbe sopportare sarebbe di 2atm (1 atm ogni 10 metri + 1atm data dall’aria a livello del mare) e questa stessa pressione agirebbe sul contro-polmone e quindi sui gas in esso presenti annullando la differenza di pressione presente tra i polmoni dell’operatore ed i gas nel contro-polmone. In questo caso la respirazione può avvenire tranquillamente, poiché l’operatore non deve vincere più alcuna pressione esterna.
Se l’operatore dovesse continuare a respirare in questo contro-polmone il livello di anidride carbonica generata ad ogni atto respiratorio aumenterebbe nel tempo fino a raggiungere valori tossici. Per questo nel ciclo di respirazione del rebreather è sempre presente un filtro (tipo chimico es: calce sodata, idrossido di litio ecc.) che è capace di assorbire la CO2 prodotta dalla respirazione.
Naturalmente il ciclo del rebreather deve comprendere alcuni meccanismi che permettono di insufflare ossigeno all’interno del contro-polmone in modo da sopperire alla quantità di O2 consumata dal metabolismo durante la respirazione.
L’obiettivo sarebbe quello di arricchire la miscela dei gas aggiungendo una quantità di ossigeno proprio pari alla frazione (in volume) di O2 consumata dall’operatore ovvero l’ideale sarebbe realizzare un controllo in volume delle quantità di O2 ma ciò non è fattibile poiché non operiamo a pressione costante!

La differenza fondamentale fra i tre tipi di rebreather è nel modo in cui viene controllata la concentrazione dell’ossigeno nel contro-polmone e nelle modalità della sua aggiunta nel ciclo di respirazione.

Il rebreather ad ossigeno
Il rebreather ad ossigeno è quello più semplice e meno efficiente dei tre rebreather introdotti. Si usa, come si nota dalla (Fig.1), una bombola di ossigeno puro per rimpiazzare nel contro-polmone (6) l’ossigeno consumato dall’operatore.


Alcuni tipi di questi rebreather aggiungono ossigeno nel contro-polmone ad intervalli di tempo regolari.
Non si tiene conto che, il metabolismo dell’ossigeno di un essere umano varia al variare della profondità di immersione, dello sforzo compiuto (condizioni di lavoro), delle condizioni fisiche e psichiche. Quindi questo sistema aggiungerà più ossigeno del necessario (di quello consumato) nei periodi di riposo dell’operatore, mentre non aggiungerà abbastanza ossigeno durante i periodi di lavoro, ne consegue che l’operatore dovrà intervenire manualmente per iniettare ulteriore ossigeno nel contro-polmone durante i periodi di sforzo.
Risulta, inoltre, estremamente importante riempire di O2 puro il contro-polmone prima dell’immersione in modo che esso non contenga altri gas. In caso contrario, visto che gli altri gas non sono metabolizzati dall’organismo, essi resteranno all’interno del contro-polmone durante tutta l’immersione facendo sì che esso non collassi e che quindi non scatti la valvola di iniezione di O2 portando l’operatore a rischio di ipossia.
Il non poter diluire l’ossigeno con altri gas costringe l’operatore a respirare ossigeno puro il che può essere dannoso, infatti, l’ossigeno puro è tossico a determinate pressioni per questo l’uso di questo tipo di rebreather è possibile fino a 6 metri di profondità.

Il rebreather a ciclo semi chiuso
Il rebreather a ciclo semi chiuso a differenza del precedente non usa ossigeno puro ma usa una mescola di gas diversi. Vi sono due tipi di rebreather a ciclo semi chiuso:
ad aggiunta attiva (più comuni)
ad aggiunta passiva.

Il rebreather a ciclo semi chiuso ad aggiunta attiva
Sono simili ai rebreather ad ossigeno ad aggiunta attiva eccetto per il fatto che essi usano una miscela di gas invece che ossigeno puro. La miscela di gas viene iniettata nel ciclo di respirazione tramite aggiunta, indipendentemente dalla profondità, costante ad intervalli di tempo fissati. Questi ultimi devono essere calibrati a seconda della percentuale di O2 (rispetto agli altri gas) presente nella bombola, comunque accade sempre che la quantità di ossigeno iniettata eccede a volte ed altre no il consumo di ossigeno dell’operatore a seconda delle condizioni di lavoro.
Il vantaggio di questo tipo di rebreather rispetto ad un rebreather ad ossigeno è dato dal fatto che l’operatore può scendere a profondità maggiori senza correre grossi rischi legati alla tossicità dell’ossigeno.
Però anche lo svantaggio maggiore è dato dalla presenza di altri gas nella miscela (tipicamente azoto, elio o altro), anch’essi (insieme all’ossigeno) sono immessi nel ciclo di respirazione ad intervalli di tempo regolari. Questi gas non sono consumati dal metabolismo dell’operatore, per cui si accumulano all’interno del contro-polmone e per evitare una sovra-espansione dello stesso, sono periodicamente scaricati nell’ambiente circostante al di fuori del rebreather tramite un’apposita valvola. Purtroppo scaricando fuori questa miscela di gas sprechiamo anche la parte di O2 (il quale è mescolato in modo omogeneo al diluente) diminuendo l’autonomia di immersione.
Un altro problema di questo tipo di rebreather è che la concentrazione dell’ossigeno nel contro-polmone è variabile e non controllabile. Infatti, la percentuale di ossigeno nel ciclo di respirazione risulta leggermente inferiore rispetto a quella contenuta nella bombola di alimentazione.
Man mano che l’operatore consuma ossigeno, nel contro-polmone la percentuale di O2 diminuisce (visto che il diluente non è metabolizzato) poi, ad intervalli regolari viene aggiunta parte del gas contenuto nella bombola.

Rispetto alla condizione di sforzo normale, il consumo di O2 da parte del metabolismo può aumentare fino ad un fattore di 6x in condizioni di lavoro “pesante” e fino ad un fattore di 10x in condizioni estreme, ciò si traduce in fluttuazioni della percentuale di ossigeno presente nel contro-polmone.
Rebreather a ciclo semi chiuso ad aggiunta passiva.
Questo tipo di rebreather tenta di risolvere il problema della variabilità del consumo di O2 durante l’immersione. La soluzione adottata consiste nel variare l’intervallo di iniezione della mescola, a seconda del consumo. L’unico modo per ottenere questo risultato su questo tipo di macchina è quello di legare le quantità di ossigeno consumate con la velocità di respirazione (RMV respiratory minute volume – volume d’aria respirato nell’unità di tempo) poiché, vi è un legame quasi proporzionale tra queste due grandezze.
Quindi, tramite un apposito misuratore dell’RMV, viene iniettato più o meno gas nel contro-polmone a seconda se siamo in condizioni di RMV alto o RMV basso.

Visto che la proporzionalità non è proprio esatta, si riesce solo a smussare le fluttuazioni della percentuale di O2 respirata, inoltre, non si riesce ad impedire, che una parte di O2, venga periodicamente riversata nell’ambiente esterno per contenere il volume del contro-polmone, con ovvie conseguenze sulla durata massima dell’immersione.

Il rebreather a ciclo chiuso (CCR)
La prima differenza con i precedenti consiste nel modo in cui l’ossigeno è introdotto nel ciclo di respirazione. Mentre i rebreather a ciclo semi-chiuso iniettano ossigeno diluito con altri gas (azoto, elio, neon etc.) quelli a circuito chiuso sono dotati almeno di due bombole separate ed indipendenti.
ossigeno puro
diluente
L’ossigeno puro viene aggiunto al ciclo di respirazione per sopperire al consumo di quest'ultimo da parte dell’operatore,
Il diluente è formato o da aria compressa o da una speciale miscela di gas come nitrox (azoto-ossigeno), heliox (elio-ossigeno), neox(neon-ossigeno) o trimix (helio-azoto-ossigeno). Il diluente solitamente contiene sempre una percentuale di ossigeno tale che, questa miscela può essere respirata direttamente in caso di emergenza (failure del sistema di controllo o altro), usando la bombola di diluente a circuito aperto.

Durante un’immersione, il contro-polmone è sottoposto, man mano che si scende in profondità, ad una pressione esterna sempre più elevata da cui consegue una continua riduzione di volume dei gas in esso contenuti. Il diluente serve a rifornire di gas il contro-polmone durante la discesa in modo da mantenerne costante il volume.
La differenza sostanziale con i rebreather a ciclo semi-chiuso è nel modo in cui i due sistemi controllano la concentrazione di ossigeno nel ciclo di respirazione.
Infatti, i CCR controllano la pressione parziale di O2 presente nel contro-polmone e mantengono questa pressione parziale ad un set-point predefinito.
A parità di pressione esterna e quindi di profondità, durante la respirazione viene consumata una certa quantità di ossigeno, quindi la pressione parziale diminuisce ed il controllore provvede all’apertura di una valvola (a solenoide) che addizionando ossigeno riporta la pressione parziale al set-point predefinito.
Il controllore opera secondo lo schema classico del controllo a ciclo chiuso in retroazione. Per questo necessita di una serie di sensori di ossigeno (posti in genere nel contro-polmone) che misurano la pressione parziale di O2 corrente la quale costituisce l’ingresso per il controllore.

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