Wissen kompakt – Diluent für CCR Tauchgänge richtig planen

Beginnen wir zunächst mit etwas bekanntem – der Berechnung eines Best Mix, wohl bekannt aus dem Nitrox oder Trimix Kurs und benutzen dabei die bekannten Konventionen

Konvention Nummer 1:           Ab 36m ist Schluss mit Luft

Konvention Nummer 2:           Sauerstoff und Stickstoff sind beide narkotisch

Für unseren Gas Mix bedeuted das, dass ein kombinierter Sauerstoff + Stickstoff Partialdruck von 4,6 bar auf Maximaltiefe nicht überschritten werden darf.

Aber wie ermitteln wir nun den korrekten Sauerstoffanteil ?

Wir kalibrieren unseren Rebreather vor dem Tauchgang gegen reinen Sauerstofff, also gegen einen Sauerstoffpartialdruck von 1bar auf Meereshöhe. Und hier fangen die Probleme bereits an, denn selten befinden wir uns exakt auf Meereshöhe und noch seltener haben wir einen atmosphärischen Luftdruck von 1bar. Bei normalem Luftdruck auf Meereshöhe haben wir eben nicht 1 bar Luftdruck, sondern 1,013 bar Luftdruck, bei schönem Wetter mit Sonnenschein auch schon mal 1,04 bar und bei entsprechend schlechtem Wetter können das auch mal 0,95 bar sein. Daher verwenden wir als FO2 für die Sensorkalibrierung bei Rebreathern keine 100% sondern einen geringfügig kleineren Wert von 98% (schließlich enthalten die Sauerstoffflaschen auch keine 100% Sauerstoff sondern 99,5%  Sauerstoff).

Nehmen wir nun an, wir tauchen ab auf 50m mit unserem Rebreather und haben diesen auf einen Setpoint von 1,3 eingestellt. Unser Controller Display zeigt nun auf einmal für den pO2 folgende Werte:   1,29     1,66      1,31

Welchem Sensor sollen wir nun glauben – entweder denen die 1,3 anzeigen oder demjenigen der 1,66 anzeigt. Um das herauszufinden, müssen wir die Loop mit einem Gas spülen, dessen pO2 auf der Tiefe, auf der wir uns befinden, exakt kennen – in diesem Fall unseren Diluenten, den wir entsprechend unserer Kalibrierung des Geräts auf reinen Sauerstoff (98%) mit einem pO2 von 1,0 auf Maximaltiefe geplant haben. Die korrekt funktionierenden Sensoren sollten demnach nach dem Diluent Flush einen pO2 von 1,0 anzeigen, der oder die abweichenden Sensoren entsprechend mehr oder weniger.

Daher die Konvention Nummer 3 für unsere Diluent – Planung: Der pO2 auf Zieltiefe beträgt 1,0.

Also los geht’s mit der Planung:

Wir planen einen Tauchgang auf 50m mit unserem Kreisel

1.       Ermittlung des Sauerstoffanteils

Umgebungsdruck auf 50m Pamb = 6 bar

Sauerstoffpartialdruck: pO2 = 1bar

FO2 = pO2 / Pamb

FO2 = 1/6 = 16,66 %                                             Wir runden hier auf 17% auf

2.       Ermittlung des Heliumanteils

Wir wenden die Konvention 1 an

pO2 + pN2 = 4,6                                     woraus folgt

pN2 = 4,6 – pO2

pN2 = 4,6 – 1,0 = 3,6                           und damit

FN2 = 3,6/6 = 0,6 = 60%                  woraus folgt

FHe = 100% - FN2 – FO2

FHe = 100% - 60% - 17% = 23%

Der Heliumanteil im Mix beträgt 23%. Somit wäre ein Trimix 17/23 der ideale Diluent für unseren 50m Tauchgang. Allerdings müssen wir noch eine Anpassung vornehmen, denn wir können bei tiefen Tauchgängen die Gasdichte nicht unberücksichtigt lassen. Und ebenso müssen wir berücksichtigen, dass wir auf Tiefe keinen Sauerstoffpartialdruck von 1,0 sondern von 1,3 atmen. Dem entsprechend müssen wir den Heliumanteil noch ein wenig anpassen:

Wir verwenden wieder die Konvention 2

pO2 + pN2 = 4,6

pN2 = 4,6 – 1,3 = 3,3

FN2 = pN2/Pamb = 3,3/6 = 55%

Für den Sauerstoffanteil im Mix verwenden wir den auf einen pO2 von 1,0 geplanten Wert, also in unserem Fall 17%

Der Heliumanteil ergibt sich dann zu

FHe = 100% - FO2 – FN2 = 100% - 55% - 17% = 28%

Der korrekte Diluent wäre somit ein 17/28. Im Interesse des Gasblenders wäre es hier angebracht, den Heliumanteil auf 30% aufzurunden, also ein 17/30 zu tauchen. Die Gasdichte für diesen Mix bei 50m liegt bei 5,76, was für Tauchgänge mit geringer Taskload völlig akzeptabel ist. Bei höherer Taskload würde man den Heliumanteil noch ein wenig erhöhen, um die Gasdichte in Richtung 5,0 zu drücken – hier wäre ein 17/40 angemessen, was eine Gasdichte von 5,09 ausweist.

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Wie lange kann ich mit meinem Scrubber tauchen ?

Eine einfache Frage, die sich allerdings nicht so einfach beantworten lässt. Die Hersteller von Rebreathern geben durch die Bank die Empfehlung, ab, mit einem 2.5 kg Scrubber nicht länger als 180 min zu tauchen, und doch hören wir immer wieder Heldengeschichten von 8 Stunden Tauchgängen mit einem 2.5kg Scrubber und fragen uns, ob diese Geschichten wahr sein können, oder ins Reich der „Geschichten aus dem Paulanergarten“ gehören.

Schauen wir uns zunächst einmal ein paar Fakten an:

1. Die normale Einatemluft enthält 20% Sauerstoff, die Ausatemluft 16% Sauerstoff
2. Die Ausatemluft enthält 4% CO2
3. Bei einem Atemminutenvolumen in Ruhe von 20llpm produziert der Körper somit 0,8lpm CO2, bei einem Atermminutenvolumen von 40lpm produziert der Körper demzufolge 1.6lpm CO2
4. 1kg Sofnolime 797 hat eine theoretische CO2 Aufnahmekapazität von 75g CO2, pro kg, CO2 hat eine Dichte von 1,98g/l, also annährend 2. Somit kann 1kg Sofnoilime 797 150l CO2 binden, ein 2.5 kg Scrubber demzufolge 375l CO2
5. Bei einem Atemminutenvolumen von 20lpm und einer CO2 Produktion von 0,8lpm wäre die Scubberstandzeit demzufolge bei 375/0.8 = 468 Minuten oder 7,81 Stunden (bezogen auf einen Körper in Ruhe und eine Umgebungstemperatur von 20°C)

Soweit die Theorie, die allerdings so einige Haken hat, denn konstruktionsbedingt ist es weder bei axialen noch bei radialen Scrubbern möglich, dass auch das letzte Mikrogramm Sofnolime mit dem vorhandenen CO2 reagiert.

Von einem Scrubber breakthrough sprechen wir dann, wenn ein PCO2 von 1kpa (0.01 bar) erreicht wird. Axhtug, der pCO2 Anstieg bei einem verbrauchten Scrubber ist steil exponentiell, sprich, von dem Zeitpunkt wo ein pCO2 von 1kPa erreicht wird bis hin zur völligen Handlungsunfähigkeit pCO2 = 5kPa vergeht nur wenig Zeit, teilweise nicht einmal eine Minute. Selbst einen pCO2 von 0.5 kPa bemerkt der Körper bereits und reagiert mit einem Anstieg der Atemfrequenz.

Um zu einer realistischen Einschätzung der Scrubbstandzeit zu gelangen, können wir daher nicht das theoretische Bindungsvermögen verwenden, sondern müssen diesen Wert nach unten korrigieren.

Die Scrubberstandzeit wird noch durch weitere Faktoren beeinflusst:

1). Atemgasdichte: Je geringer die Atemgasdichte, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein CO2 Molekül eine freie Sofnolime Bindungsstelle findet, und somit aus dem Atemkreislauf entfernt wird.

2). Umgebunbgstemperatur: Je kälter die Umgebungstemperatur, desto höher der metabolische Grundumsatz des Körpers und die damit verbundene CO2 Produktion, denn der Körper muss mehr Energie umsetzen und verbraucht daher mehr Sauerstoff. Bei kalten Temperaturen (<4°C) wird 2-3 mal soviel Sauerstoff metabolisch verbraucht, wie unter warmen Temperaturen (>20°C).

3). Körperliche Aktivität

Alle bisher dargestellten Werte gehen von einem Körper im Ruhezustand aus. Allerdings trifft das beim Tauchen mal abgesehen von der Dekompression an einem Rigg oder einem Tauchgang mit Scooter selten zu. Bei moderater köperlicher Aktivitöt steigt der Sauerstoffverbrauch um das 1.5 fache, bei starker Aktivität, z.B. Schwimmen gegen eine Strömung um das 2-2,5 fache.

4). Atemarbeit

Besonders Gasdichte und körperliche Aktivität haben einen Einfluss auf die Atemarbeit. Und diese wiederum beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Scrubber. Je höher die Atemarbeit, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit. Und je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto niedriger ist die Filterleistung des Scrubbers.

Wenden wir nun die Punkte 1-4 noch einmal auf die Berechnung der Scrubberstandzeit an:

1. TCA (theoretische Scrubberkapazitöt) = 375l CO2 - korrigieren wir auf 90%  338l CO2
2. Im Kaltwasser gehen wir von einem 1,5 fachen Grundumsatz aus  1,2 lpm CO2 statt 0.8 lpm bezogen auf ein Standard AMV von 20 lpm
3. Wir planen mit moderater körperlicher Aktivitöt (1,5 facher Grundumsatz)  1,8 lpm CO2 immer noch bezogen auf ein Standard AMV von 20 lpm
4. Atemgasdichte und WOB lassen wir erst einmal aussen vor
5. Wir kommen nun auf eine angepasste Scrubberstandzeit von 187 Minuten

Die korrigierte Scubberstandzeit von 187 min ist ziemlich identisch mit den Empfehlungen der Hersteller (180 min) bzw. den Werten, die Harvey et al., Diving & Hyperbaric medicine, 46 (2) 92-97 (2016) mit 198 – 213 min experimentell ermittelt haben

Wissen kompakt – Wieviel Bailout Gas brauche ich ?

Auf diese an sich simple Frage gibt es leider nur eine ebenso simple wie korrekte Antwort: Es kommt darauf an ! Zunächst einmal fangen wir mit dieser Antwort nicht allzu viel an, aber es wird klar, wenn wir uns ein paar Fakten wieder ins Gedächtnis rufen.

Die Atmung wird im menschlichen Körper durch den CO2 Gehalt im Blut gesteuert – CO2 liegt im Blut in 2 mit einander im Gleichgewicht stehenden Formen vor, einmal in physikalisch gelöster Form als CO2 und einmal in chemisch gelöster Form als CO₃^2-/ HCO₃^- im Carbonat/Hydrogencarbonat Puffersystem.

CO2 Rezeptoren liegen im verlängerten Rückenmark, dem sogenannten Hirnstamm. Diese „messen“ kontinuierlich den CO2 Partialdruck und reagieren auf einen Anstieg des pCO2 mit einer Erhöhung der Atemfrequenz und damit des Atemminutenvolumens.

Die normale Ausatemluft enthält, ohne dass sie über einen Scrubber vom CO2 befreit wird, etwa 4Vol% CO2, was bei normalem Luftdruck einem Partialdruck von 0,04bar oder 4 kPa entspricht. Bereits auf geringste Erhöhungen des pCO2 reagiert der Körper mir einem Anstieg der Atemfrequenz und damit des Atemminutenvolumens (AMV). Bei einem pCO2 von 6 kPa steigt das AMV von einem Ruhewert von 7-11 lpm auf einen Wert von 30 lpm. Bei einem pCO2 von 9kPa steigt das AMV auf den maximalen Wert von etwa 70 lpm an und sinkt danach stark ab, weil bereits eine Atemlähmung eintritt, die zur Bewusstlosigkeit führt. Jetzt die große Frage – wie lange dauert es, bis wir merken, dass unser Scrubber nicht mehr funktioniert ?

Die metabolische CO2 Produktion liegt bei 0,04 Vol% pro Minute, also bei einem Ruheatemvolumen von 20 lpm bei etwa 0,8 lpm. Das Systemvolumen beim Rebreather bestehend aus Scrubber, Gegenlunge, Loop und Lungen können wir mit etwa 12 bis 15l annehmen. Demnach würde bereits 1min nach dem Scubberdurchbruch bei 5kPa liegen und nach etwa 90 Sekunden den kritischen Wert von 6kPa übersteigen und mit einer Verdreifachung des Atemminutenvolumens reagieren. Wird unmittelbar Abhilfe geschaffen, zum Beispiel durch den Wechsel auf das Bailout Gas, wird es ungefähr 10-15 Minuten dauern, bis sich das Atemminutenvolumen wieder normalisiert hat.

Damit haben wir alle Elemente für die Bailout Planung beisammen:

Wir brauchen das AMV in Ruhe, die aktuelle Tiefe und die Zeit bis zur Oberfläche (TTS) für die Bailout Planung.

Beispiel: Wir tauchen auf 50m, haben eine TTS von 20 min und tauchen mit 2 Bailout Gasen, einem 20/30 und ein Nitrox 50.

Der Aufstieg wird sich dann wie folgt gestalten

50m -> 40m                     1min

40m -> 30m                     1min

30m -> 20m                     1 min

20m                                  Gaswechsel 2 min

20m -> 15m                     1 min

15m                                  2 min

12 m                                 3 min

9 m                                   4 min

6 m                                   7 min

6m -> 0m                         2 min

Wir atmen also 4 min das tiefe 20/35 und 17 min das Nitrox 50 Dekogas

Mittlere Tiefe Bailout Gas: 35m, mittlere Tiefe Dekogas: 10m

Gasbedarf Bailout     = AMV x 3 x Pamb x Zeit

                                                    = 20lpm x 3 x 4,5bar x 4min

                                                    = 1080 bar x l

Gasbedarf Deko          = AMV x 3 x Pamb x (15min – Zeit auf Bailout Gas) + AMV x Pamb x (TTS – 15 min)

                                       = 20lpm x 3 x 2bar x (15min-4min) + 20lpm x 2bar x (21min-15min)

                                       = 1320 bar x l + 480 bar x l

                                       = 1800 bar x l

Wir brauchen also in jedem Fall 2 x 80cf Bailout Gas zur sicheren Durchführung des Tauchgangs. Und daraus ergibt sich auch unmittelbar die Antwort, wieviel Dekompressionszeit (TTS) ein Air Diluent Dekompression Diver maximal akkumulieren darf, um mit einer Bailout Stage wieder sicher an die Oberfläche zu kommen

Gehen wir mal von einem 40m , 20 min TTS Tauchgang aus

40m -> 30m                    1min                      4,5bar                  60lpm                  270l

30m -> 20m                    1min                      3,5 bar                 60lpm                  150l

20m -> 18m                     1 min                    2,9 bar                 60lpm                  174l

18m                                  1 min                    2,8 bar                 60lpm                  168l

15 m                                 2 min                    2,5 bar                 60lpm                  300l

12m                                  3 min                    2,2 bar                 60lpm                  396l

9m                                    4 min                    1,9 bar                 60lpm                  456l

6m                                    7 min                    1,6 bar                 20lpm                  224l

6m -> 0m                         2 min                    1,3 bar                 20lpm                    52l

                                                                                                                                                                                                                                                                                  2190l

Mit einer 80cf Stage käme man mit einem Restdruck von 5 bar aus dem Wasser !!!!

Anders ausgedrückt, ein Mod 1 Taucher mit einer Bailout Stage sollte eine Dekompressionszeit (TTS) von 15 min nicht überschreiten, denn sonst wird es sehr sehr eng mit dem Bailout Gas.