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Teoria Generale

 

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sacco 1
L'idea di utilizzare un sacco nel quale respirare risale addirittura al tempo degli "Antichi Romani", Un sacco flessibile é sottoposto alla pressione esterna, altrettanto avviene per il gas in esso contenuto, quindi il sacco in questione fornisce il gas a pressione ambiente.
Se con l'espirazione successiva il gas ritorna nel sacco la respirazione é detta "a circuito chiuso".
In questo caso é necessario controllare la composizione del gas respirato, infatti, ad ogni atto respiratorio, abbiamo un aumento dell'anidride carbonica ed una diminuzione dell'ossigeno, cosa che rende il gas irrespirabile anche dopo pochi atti respiratori.

Sacco2
Per eliminare l'anidride carbonica é sufficiente realizzare un filtro contenente un'opportuna sostanza chimica assorbente.
La ricerca di elementi chimici in grado di assorbire l'anidride carbonica risale alla fine del '800.
Oggi abbiamo a disposizione prodotti ampiamente collaudati e sicuri.

Sacco 3
ll problema successivo consiste nel ripristinare l'ossigeno consumato dal metabolismo, risolto il quale abbiamo realizzato......un rebreather!
Come vedremo, questo sistema composta notevoli vantaggi rispetto ai sistemi di respirazione a circuito aperto, cioè con la "normale" bombola ed erogatore: respirare in un sacco opportunamente costruito consente di recuperare il gas, l'umidità ed il calore.

Tavola consumi
Per meglio comprendere gli argomenti seguenti è necessario fare alcune premesse di fisiologia.
Il consumo metabolico d'ossigeno è in media di circa un litro il minuto, consumo esiguo se paragonato al consumo gassoso proprio del circuito aperto, inoltre è necessario evidenziare che il consumo metabolico non aumenta con la profondità: con il circuito aperto si sprecano decine di litri il minuto di prezioso gas, per prelevare circa un solo litro il minuto d'ossigeno.
A lato una tabella comparativa dei consumi gassosi evidenzia l'enorme spreco del circuito aperto, confrontato sia con i sistemi a circuito chiuso (sottile striscia verde, in basso), sia con i sistemi a circuito semichiuso (Diagramma giallo)

 

 

 


Il gas che si respira a circuito aperto è freddo a causa dell'espansione dovuta alla brusca riduzione di pressione che avviene nell'erogatore, la perdita di calore dovuta al contatto del gas freddo con la superficie polmonare, che è molto estesa, è critica. Il gas recuperato da un rebreather mantiene il calore del gas espirato, cosa che riduce notevolmente il problema del freddo in immersione. Un altro importantissimo vantaggio riguarda l'umidità del gas inspirato: il gas presente nelle bombole è essiccato dal processo di ricarica, l'inalazione di gas secco comporta una disidratazione al livello polmonare ed ematico, cosa che costituisce un ostacolo all'eliminazione dell'inerte in fase di decompressione. Questo problema non sussiste respirando con i rebreather, in quanto l'umidità emessa in fase di espirazione è completamente recuperata. Contrariamente al circuito aperto, i rebreathers forniscono gas caldo ed umido anche per il contributo del prodotto chimico presente nel filtro dell'anidride carbonica, infatti la reazione chimica produce ulteriore calore ed umidità. Il grafico accanto pone in relazione la temperatura del gas inalato con quella ambiente.

 

La struttura essenziale di un rebreather consiste in un contenitore elastico nel quale respirare, detto sacco polmone, di tubi che convogliano il gas respiratorio e del filtro che assorbe la CO2: questo insieme costituisce il circuito respiratorio ed è la macchina che consente la ventilazione polmonare, l'equivalente dell'erogatore del circuito aperto.
Detto circuito é comune a tutti i tipi di rebreathers e può essere costituito da uno o due sacchi polmone. Nel secondo caso un sacco é d'espirazione e l'altro d'inspirazione.
La figura accanto mostra un ipotetico circuito respiratorio composto da due sacchi, i tubi corrugati con il gruppo boccaglio ed in basso il filtro dell'anidride carbonica.
Il gruppo boccaglio é provvisto di un rubinetto che deve restare chiuso, quando non si respira nel circuito, per evitare l'allagamento del circuito stesso. Ai lati del gruppo boccaglio ci sono due valvole di non ritorno che servono a convogliare il flusso respiratorio nella giusta direzione.

ARO

I primi rebreathers impiegavano molto semplicemente ossigeno puro, In questi apparati il controllo dell'immissione d'ossigeno è legato alla diminuzione di volume del sacco polmone.
Nel circuito respiratorio c'è ossigeno puro che é consumato dal metabolismo, mentre l'anidride carbonica prodotta é fissata dall'assorbente, ciò porta ad una riduzione di volume del sacco polmone che é ripristinato immettendo O2 dalla bombola, manualmente od automaticamente da un erogatore a domanda.
L'ossigeno puro ha il difetto di limitare la profondità d'immersione a quote molto basse (6 mt circa), pertanto se si vuole aumentare la profondità operativa é necessario diluire l'ossigeno con opportuno gas inerte e respirare una miscela adatta.
Questi apparati sono definiti "Oxygen Rebreather", meglio conosciuti in Italia come ARO (Auto Respiratore ad Ossigeno).

Diminuzione O2


Quando nel circuito respiratorio é presente una miscela, la frazione d'ossigeno diminuisce a causa del consumo metabolico.
In altre parole il volume del gas diminuisce poco, ma la frazione d'ossigeno diminuisce molto fino a raggiungere livelli insufficienti a sostenere la vita: se non si immette nuovo ossigeno in sostituzione dei quello metabolizzato si incorre nell'ipossia.
Il consumo metabolico d'ossigeno espresso in volume (lt/min) é indicato con la sigla "VO2"

Consumo O2
Il consumo metabolico d'ossigeno non varia con la profondità ma varia molto in funzione dello sforzo operativo.
L'indicazione data finora di circa un litro il minuto é un valore medio e molto approssimato.
Ci sono molti studi scientifici che hanno permesso di trovare la relazione tra lo sforzo operativo ed il consumo metabolico, le tabelle ricavate ed il metodo sono molto diversi ed hanno evidenziato variazioni che vanno da 0,3 lt/min in assoluto riposo fino ed oltre i 3lt/min in soggetti particolarmente allenati.

La figura accanto mostra una tabella ricavata sperimentalmente

Bilancio VO2

Considerando la variabilità del consumo metabolico d'ossigeno non é possibile pensare di bilanciare il consumo con un flusso fisso d'ossigeno puro: piccole differenze provocherebbero una diminuzione od aumento repentino della frazione d'ossigeno inspirato (fO2)

SCR manuale

Da un punto di vista teorico, possiamo pensare di caricare la bombola di un ARO con miscela, invece che ossigeno puro e creare un sistema in grado di rinnovare periodicamente la miscela presente nel sacco (che é impoverita d'ossigeno) con quella proveniente dalla bombola.
Questa é l'idea che é alla base dei sistemi a circuito semichiuso detti SCR, Semiclosed Circuit Rebreather.
Sistemi a Flusso continuo - SCR-CMF (Semiclosed Circuit Rebreather Constant Mass Flow)

SCR-CMF

Vi sono due sistemi principali per realizzare quanto detto sopra: uno consiste nel realizzare un flusso continuo di miscela in grado di bilanciare il VO2 massimo prevedibile, tale sistema é detto ad alimentazione attiva o flusso costante CMF (constant mass Flow).
Questi sistemi sono chiamati SCR-CMF (Semiclosed Circuit Rebreathers-Constant Mass Flow).
Il flusso continuo di questi sistemi si ottiene inserendo un particolare ugello alimentato dalla IP proveniente dal riduttore di pressione (1°stadio).
Questo flusso serve solo per controllare la frazione d'ossigeno nel sacco, la ventilazione polmonare é garantita dal circuito respiratorio e non risente del flusso continuo.


Sistemi ad addizione passiva - PASCR (Passive Addiction Semiclosed Circuit Rebreather)

PASCR exp

Nell'altro sistema il sistema di rinnovo della miscela é ralizzato scaricando all'esterno una frazione del volume ventilato che é poi sostituito con miscela proveniente dalla bombola.
Per realizzare tale sistema si utilizzano due sacchi-polmone a soffietto posti uno internamente all'altro: Il gas espirato riempie entrambe i sacchi; in seguito, durante l'inspirazione, si reinspira il gas contenuto nel sacco grande, che, contraendosi, comprime il sacco più piccolo costringendolo a scaricare il suo contenuto all'esterno. Il rapporto tra il volume del sacco piccolo ed il volume totale dei due sacchi è calcolato in modo da rinnovare, ad ogni atto respiratorio una determinata frazione del gas ventilato. Questo rapporto è in funzione del tipo di miscela prevista dal costruttore. Il volume del gas espulso dal sacco piccolo è ripristinato, ad ogni atto respiratorio, da un apposito erogatore a domanda.

 

 


L'immagine precedente mostra il funzionamento dell'apparato in fase d'espirazione. In questa fase il gas espirato riempie entrambe i sacchi a soffietto.
L'immagine accanto mostra ciò che avviene in fase d'inspirazione. Il gas contenuto nel soffietto interno é scaricato nell'ambiente, mentre il restante é reinspirato.
Il volume di gas espulso é ripristinato con nuovo gas proveniente dalla bombola. Il rinnovo periodico della miscela presente nel circuito respiratorio fornisce l'ossigeno consumato dal metabolismo.

 

Sistemi a circuito chiuso elettrochimici automatici - ECCR (Electronic Closed Circuit Rebreather)

ECCR

Fino ad ore abbiamo considerato sistemi di controllo dell'ossigeno basati sulla stima del consumo metabolico massimo, l'ideale, ovviamente, é poter misurare l'ossigeno presente nel circuito respiratorio, quindi poter disporre di appositi sensori.
Con la lettura dei sensori possiamo addizionare ossigeno esattamente in funzione delle necessità: questo é il principio di funzionamento dei sistemi CCR (Closed Circuit Rebreather).
I sistemi SCR, quindi addizionano ossigeno "a preventivo", mentre i sistemi chiusi "a consuntivo".
Il primo sensore per l'ossigeno per uso subacqueo é stato sviluppato da John Kanwisher per il primo rebreather "elettronico", l'Electrolung, nel 1968.
Il principio di funzionamento di un CCR è molto semplice: ci sono due bombole, una d'ossigeno e l'altra di diluente il quale non è mai inerte puro, ma una miscela di gas la cui FO2 sia respirabile alla massima profondità prevista, (e tale che PO2 max=1) generalmente si tratta di aria fino a 40 mt e nel caso di immersioni a profondità maggiori è costituito da un'opportuna miscela di Trimix od Heliox. In fase di discesa il diluente riempie il circuito respiratorio mediante una valvola automatica o manualmente, con un by-pass azionato dal subacqueo il sistema elettronico controlla un'elettrovalvola che fornisce ossigeno sino al raggiungimento della PO2 prescelta (detta setpoint). In tal modo la frazione d'O2 varia con la profondità. A quota costante il metabolismo, consumando ossigeno fa scendere la PO2 ed ancora questa è ripristinata dall'elettronica che riceve l'informazione dai sensori.
In risalita, la diminuzione della PA comporta una pari diminuzione della PO2: anche in questo caso l‘elettronica addizionerà O2 fornendo di conseguenza la frazione d'ossigeno ottimale per la profondità raggiunta. Anche l'ossigeno può essere addizionato manualmente tramite un By-pass, in caso di necessità od avaria dell'elettrovalvola.
Il cuore del sistema è il sensore d'ossigeno
(generalmente i sensori sono tre, per ridondanza), che è un piccolo generatore di corrente elettrochimico, si tratta in pratica di una "cella a combustione" che fornisce un voltaggio proporzionale alla PO2, pertanto la lettura della tensione del sensore consente di risalire direttamente alla PO2 presente nel circuito respiratorio.
In questi apparati il controllo della miscela é affidato ai sensori elettrochimici, pertanto dovrebbero essere definiti "elettrochimici" piuttosto che "elettronici", soprattutto in considerazione del fatto che l'elettronica non si interpone tra il subacqueo ed il controllo della miscela, ma piuttosto agisce in parallelo, come un pilota automatico. .

 

Sistemi a circuito chiuso elettrochimici manuali - MCCR (Manual Closed Circuit Rebreather)

MCCR

Come suddetto, in un sistema a circuito chiuso, controllato dai sensori dell'ossigeno, la responsabilità della composizione della miscela inspirata non é affidata ciecamente all'elettronica, bensì resta a carico del subacqueo che deve controllare periodicamente i "displays" e se necessario, intervenire mmanualmente. L'addizione manuale dell'ossigeno non comporta un impegno gravoso ed é il primo esercizio che si fa eseguire durante i corsi per queste macchine.
Queste considerazioni hanno portato alla creazione di un sistema chiuso a controllo manuale, ove il subacqueo immette ossigeno, tramite un pulsante o leva che agiscono su di un sistema di apertura detto By-Pass. Questi apparati sono detti MCCR (Manual Closed Circuit Rebreather).
Quando s'immette ossigeno manualmente, gli intervalli d'intervento sul by-pass sono scanditi da minuti, non da secondi. Malgrado ciò in genere questi rebreathers sono dotati di un ugello che eroga un flusso continuo d'ossigeno. Questo flusso dev'essere inferiore al consumo metabolico a riposo per scongiurare il pericolo di un aumento della frazione d'ossigeno nel circuito ( es. 0,7-0,8 lt/min contro un consumo medio di 1 lt/min). In presenza di tale flusso gli intervalli d'intervento sul By-Pass sono dilatati di circa 5 volte.

 

Sistemi a controllo chimico - CCCR (Chemical Closed Circuit Rebreather)

CCCR

Sviluppati in Russia, questi apparati, costruttivamente molto semplici, impiegano un Perossido che è un composto chimico che libera ossigeno in proporzione alla CO2 che assorbe, poiché dal punto di vista fisiologico esiste una proporzionalità tra O2 consumato e CO2 prodotto, il controllo della percentuale di O2 è, teoricamente, soddisfatto. Costruttivamente basta mettere un filtro contenente perossido in "parallelo" con quello della Calce sodata (una bombola d'ossigeno o miscela è comunque presente per garantire il volume del gas nel circuito), il resto è come per un ARO, anzi gli apparati Russi che sfruttano questo principio sono principalmente degli ARO.
Questo sistema che può sembrare "l'uovo di Colombo" per quanto riguarda il controllo della miscela ha il suo più gran deterrente proprio nel Perossido che è una sostanza altamente incendiaria: se viene a contatto con combustibile, brucia anche sott'acqua; se bagnata innesca una reazione esotermica che può fondere anche il suo contenitore in alluminio e che produce esalazioni altamente nocive, se tutto va bene è stabilizzata con asbesto che non è la miglior cosa da respirare. In pratica, se non si muore prima probabilmente si morirà poi.
A titolo informativo il Perossido è la sostanza che ha causato l'incendio sulla stazione spaziale MIR.

 

   
   
   
   
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