Per un principiante che entra nel mondo dei rebreather, può essere piuttosto interessante vedere e conoscere i principi di fuzionamento dei diversi tipi di rebreather. Anche i subacquei che già si immergono con rebreather dovrebbero esserne a conoscenza.
Non esiste un solo rebreather, ci sono diversi tipi fondamentalmente diversi di Closed-Circuit Rebreather (CCR) e Semi-Closed Circuit Rebreather (SCR). Quindi, esaminiamo i principi di base dei rebreather utilizzati nelle immersioni ricreative e professionali.
Ce ne sono 5 piu uno, che vedremo alla fine
SCR
PSCR
mCCR
eCCR
Considero tutti i tipi una prova dell’ingegno umano, ognuno di loro ha i suoi punti di forza, ma ovviamente anche di debolezza.
Concentriamoci su una comprensione di base dei diversi principi, dal più semplice al più complesso, e ne traiamo vantaggi e svantaggi.
Infine, mostreremo quindi una soluzione che cerca di utilizzare il maggior numero di vantaggi con il minor numero di svantaggi.
O2 CCR
Il circuito chiuso ad ossigeno è un dispositivo ingegnosamente semplice a prima vista ed è in realtà il primo autorespiratore indipendente in assoluto.
Tutto ciò di cui abbiamo bisogno per costruirlo è una fonte di ossigeno, che iniettiamo nel circuito respiratorio tramite una valvola a domanda a volte integrata da un ugello a flusso costante e uno scrubber di anidride carbonica per rimuovere la CO2 dal gas esalato. Per questo sono sufficienti uno o due contropolmoni per dare al subacqueo qualcosa da cui respirare e un boccaglio con valvole direzionali per dirigere il flusso del gas respiratorio. In questo modo il dispositivo può funzionare senza alcuna elettronica, praticamente senza la necessità di conoscere il contenuto di ossigeno del loop, perché se il dispositivo è ben lavato con ossigeno in superficie, il contenuto di ossigeno del loop respiratorio sarà sempre molto alto durante l’uso.
Poiché lo strumento utilizza solo ossigeno, è l’unica unità che non deve sfiatare una singola bolla, anche durante la salita, dove tutte le altre unità devono scaricare il volume di gas in eccesso. L’ossigeno può essere metabolizzato, quindi se emergi abbastanza lentamente, il tuo corpo può consumare tutto l’ossigeno in eccesso.
La completa assenza di bolle, la semplicità e la compattezza lo rendono ideale per i subacquei militari – nuotatori da combattimento che devono infiltrarsi nella retrovie del nemico inosservati.
La massima compattezza e la costruzione molto leggera lo rendono facile da trasportare sulla terraferma; quindi, può essere utilizzato anche in aree diverse dalle immersioni. Tali dispositivi sono utilizzati, ad esempio, da vigili del fuoco, piloti, ecc.
L’immersione ricreativa con un CCR di ossigeno è purtroppo limitata ad una profondità massima di 6 metri a causa della tossicità dell’ossigeno. Anche così, può comunque essere ottimo per la fotografia in acque poco profonde, esplorando laghi di montagna e luoghi altrimenti inaccessibili in cui dobbiamo portare il dispositivo sulla schiena.
Rebreather a circuito chiuso di ossigeno – 1 Sacco contro polmone inspirazione; 2 Boccaglio di immersione/superficie (DSV); 3 Sacco contro polmone espirazione; 4 Filtro CO2; 5 Bombola di ossigeno; 6 Valvola di riduzione dell’ossigeno; 7 Ugelli a flusso costante; 8 Valvola di addizione manuale (MAV); 9 Manometro ossigeno
Vantaggi:
Massima efficienza del gas
Massima semplicità di progettazione
Peso minimo
Operazione semplice
Non c’è bisogno di soste di decompressione
Nessuna elettronica richiesta
Svantaggi:
Non può essere utilizzato a una profondità superiore a 6 m
SCR
Per andare più in profondità, oltre i 6 metri, dobbiamo diluire l’ossigeno. Quindi, useremo un principio molto simile al CCR dell’ossigeno, ma al posto dell’ossigeno aggiungeremo NITROX. Questo verrà iniettato nel circuito attraverso un ugello a flusso costante in modo che l’ossigeno consumato sia sempre sostituito dall’ossigeno del nitrox. Poiché metabolizziamo l’ossigeno, ma non possiamo metabolizzare l’azoto, nel nitrox dobbiamo eliminare l’azoto in costante aumento scaricando parte del gas fuori dal circuito. Da qui il circuito semichiuso. La semplicità del design è stata preservata, ma l’opportunità di scendere piu profondi porta ad un consumo di gas maggiore.
Poiché consumiamo ossigeno, la frazione di ossigeno nel circuito respiratorio sarà sempre inferiore a quella nella bombola di nitrox. Sarà tanto piu bassa quanto ossigeno noi consumiamo. Se siamo a riposo utilizziamo circa 0,6 litri, ma sotto sforzo possiamo consumare da 2,5 a 3 litri di ossigeno al minuto. Nel caso di un valore inferiore, una portata di 8 litri di Nitrox 36 al minuto sarebbe sufficiente per mantenere il gas respirabile, ma dobbiamo considerare lo scenario peggiore di non scendere mai al di sotto dei livelli respirabili. In tal caso, abbiamo bisogno di fino a 18 litri al minuto.
Questo è già simile ad un circuito aperto, tuttavia, a differenza di un circuito aperto, questa portata può rimanere costante per qualsiasi profondità raggiungibile. In questo caso particolare, la massima è di 35 metri. Ciò significa che l’SCR è ancora, di poco, migliore del circuito aperto come consumi
Il consumo variabile di ossigeno porta anche a una composizione del gas variabile nel circuito respiratorio. Più consumo significa meno ossigeno e quindi la necessità di una decompressione più lunga. La PO2 varia naturalmente con la profondità, quindi la migliore miscela non è realizzabile. Questo è un altro svantaggio. Senza un sensore di ossigeno collegato, il subacqueo non può essere sicuro di cosa sta respirando e di come calcolare la decompressione; quindi, deve partire dagli scenari peggiori sia per la profondità massima che per i calcoli decompressivi. Possiamo anche considerare uno svantaggio il fatto che non possiamo riempire le bombole con l’aria disponibile. Oppure potremmo, ma poi non potremmo immergerci direttamente dalla superficie perché la pressione parziale dell’ossigeno sarebbe troppo bassa.
Nonostante alcuni inconvenienti, tuttavia, il Constant Flow SCR è molto semplice da utilizzare, motivo per cui questo principio è stato utilizzato nei primi rebreather ricreativi. È stato rispolverato anche nel recente passato e, in una forma un po’ ibrida combinata con l’elettronica, viene utilizzato in uno dei rebreather ricreativi dei giorni nostri.
Rebreather a circuito semichiuso – 1 Sacco contro polmone inspirazione; 2 Valvola di immersione/superficie (DSV); 3 Sacco contro polmone espirazione; 4 Filtro a CO2; 5 Alimentazione nitrox; 6 Valvola di riduzione Nitrox; 7 Ugelli a flusso costante; 8 Valvola di addizione manuale (MAV); 9 Nitrox manometro; 10 Valvola di sovrapressione
vantaggi:
Massima efficienza del gas
Semplicità di progettazione
Applicabile alle profondità ricreative
Con un po’ di autodisciplina,
nessuna elettronica di monitoraggio ossigeno richiesta
Svantaggi:
Frazione di ossigeno instabile e incerta
nel circuito respiratorio
Efficienza del consumo di gas più bassa
di tutti i rebreather
PSCR
Come soluzione per coloro che avevano bisogno di risparmiare più gas possibile senza la necessità di alcuna elettronica, una soluzione è stata trovata negli anni ’80 sotto forma di circuito semichiuso passivo. La parola passivo significa che la miscela non fluisce nel circuito respiratorio in un flusso costante di gas ma viene iniettata da un ingegnoso meccanismo ogni x respiro. Di solito, ogni ottavo o nono respiro.
Il cosiddetto respiro keying funziona in questo modo: l’espirazione del subacqueo, attraverso un filtro di CO2 finisce in parte in un grande contropolmone a forma di soffietto, e in parte in un piccolo contropolmone posto all’interno di quello grande. È importante sottolineare che il piccolo contropolmone è separato dal grande contropolmone da una valvola unidirezionale, in modo che l’espirazione possa essere diretta in esso, ma l’inspirazione non può essere prelevata da esso. Invece, quando il subacqueo inspira, collassa insieme al grande contropolmone. Mentre il subacqueo aspira il gas dal grande contropolmone, dal piccolo contropolmone, con una seconda valvola di non ritorno, scarica parte del gas nell’ambiente circostante.
Sfiatando parte del gas nell’ambiente circostante, entrambi i contropolmoni si restringono gradualmente fino a collassare completamente. A quel punto il subacqueo non riesce più a respirare dal circuito chiuso; quindi, la valvola di domanda (essenzialmente il secondo stadio dell’erogatore) si apre per fornire al subacqueo una miscela completamente fresca. Con l’espirazione, il contropolmone si riempie e l’intero ciclo ricomincia. Il rapporto tra i respiri dal circuito chiuso e l’aggiunta di gas fresco determina il rapporto tra i volumi dei due contropolmoni. Come accennato in precedenza, il rapporto è più spesso 8:1 o 9:1.
Questo sistema è in realtà molto intelligente e mantiene una soluzione completamente meccanica senza la necessità di alcuna elettronica. Era ed è quindi utilizzato per lunghe e difficili esplorazioni in grotta anche a grandi profondità. Tuttavia, il rapporto di miscelazione nel circuito e quindi la pressione parziale dell’ossigeno è molto instabile e sempre leggermente inferiore al contenuto di ossigeno della bombola di alimentazione.
Il grande svantaggio è l’inefficienza della decompressione, perché si ha sempre un gas peggiore che in un circuito aperto, e la PO2 cambia con la profondità e la respirazione. Naturalmente, il più grande svantaggio di tutti è il lavoro respiratorio, che deriva dal posizionamento del contropolmone solitamente molto lontano dai polmoni del subacqueo. Quindi qualsiasi cambiamento nella posizione del subacqueo avrà immediatamente un effetto negativo sulla resistenza inspiratoria o espiratoria.
La tipologia del sisema di aggiunta gas fa si che il consumo, seppur inferiore rispetto a un circuito aperto, aumenta proporzionalmente con la profondità, come in un circuito aperto.
Rebreather a circuito semichiuso addizione passiva – 1 soffietto contropolmone di inspirazione/espirazione; 2 soffietti di scarico; 3 Valvola di immersione/superficie (DSV); 4 scrubber a CO2; 5 e 6 Valvole direzionali; 7 Valvola di domanda; 8 Valvola di addizione manuale (MAV); 9 valvola di riduzione; 10 Manometro
vantaggi:
Semplicità di principio
Nessuna elettronica richiesta
Durabilità della costruzione
Ampia gamma di profondità
Svantaggi:
Il consumo di gas aumenta in diretto
proporzionale alla pressione ambiente
Decompressione generalmente più lunga
che con OC
Lavoro di respirazione molto scarso
Contenuto di ossigeno instabile nel circuito
ECCR
Per contrastare gli svantaggi dei circuiti semichiusi, dove il processo di consumo e decompressione del gas non è molto efficiente, dobbiamo utilizzare un circuito completamente chiuso, simile al circuito dell’ossigeno all’inizio. Tuttavia, per immergerci in profondità, dobbiamo diluire l’ossigeno. Questa volta, però, lo facciamo lasciando solo l’ossigeno e diluendolo con un altro gas contenente un gas inerte (azoto, elio). Questo gas potrebbe essere aria, trimix o anche eliox.
L’ossigeno viene iniettato nel circuito per mezzo di un solenoide (valvola a controllo elettromagnetico). Il computer valuta la quantità di ossigeno da iniettare in base alle informazioni provenienti dai sensori di ossigeno. I sensori di ossigeno reagiscono alla pressione parziale modificando la corrente elettrica. Il gas viene diluito durante la discesa dal suddetto gas diluente, che viene iniettato da una valvola (meccanica) automatica oppure manuale. Il computer regola l’ossigeno consumato su un livello di pressione parziale di ossigeno preimpostato – punto di riferimento. Pertanto, è indicato anche come CCR a PO2 costante.
Da quanto sopra, ne consegue che il subacqueo riceve solo la miscela migliore a qualsiasi profondità. Ciò consente di ottenere la massima efficienza del consumo di gas riducendo al minimo la decompressione.
Nonostante tutti i vantaggi e la comodità dell’elettronica che può anche calcolare la decompressione in linea, il punto vulnerabile di tali dispositivi tende ad essere i componenti elettronici difettosi. Mentre l’elettronica di oggi è ovviamente a un livello diverso rispetto a 40 anni fa, il problema dei sensori di ossigeno rimane lo stesso. Ogni eCCR ha almeno 3 sensori per confrontare le loro letture ed eventualmente identificare un sensore difettoso.
Tuttavia, gli altri elementi del sistema spesso non sono supportati e, in caso di guasto, il subacqueo è costretto a utilizzare procedure di emergenza.
Rebreather a circuito chiuso (eCCR) a controllo elettronico – 1 contropolmone di inalazione; 2 Valvola di immersione/superficie (DSV); 3 Espirazione contropolmone; 4 scrubber a CO2; 5 Fornitura di ossigeno; 6 Valvola di riduzione dell’ossigeno; 8 Valvola di addizione manuale ossigeno (MAV); 9 Manometro ossigeno; 10 Alimentazione diluente, 11 Valvola di riduzione del diluente; 12 Diluente manometro; 13 Valvola diluente automatica; 14 Valvola di aggiunta manuale del diluente (MAV); 15 sensori di ossigeno; 16 Centralina (CU); 17 solenoide; 18 Display.
Vantaggi:
Massima efficienza del gas
Decompressione minima
Pressione parziale di ossigeno nel circuito costante e nota
Ampia gamma di profondità massima raggiungibile
Svantaggi:
L’elettronica può fallire
Complessità delle apparecchiature
MCCR
La tendenza ad evitare a tutti i costi l’elettronica, ma godere comunque dei vantaggi di un circuito completamente chiuso, come il massimo risparmio di gas e la minima decompressione, ha portato alla progettazione del CCR meccanico (mCCR).
Ciò è stato ottenuto mantenendo il design eCCR ma invece di un solenoide, l’ossigeno viene iniettato attraverso un flusso di massa costante. Il flusso di ossigeno è ottenuto da un ugello collegato ad una pressione intermedia costante. Ciò significa che il primo stadio del regolatore di ossigeno ha bloccata la parte che registra la pressione ambiente. La pressione ambiente, quindi, non influisce sulla pressione intermedia ed il flusso di ossigeno attraverso l’ugello diminuisce all’aumentare della pressione ambiente e quindi della densità del gas. Tuttavia, la quantità di molecole di ossigeno che passano attraverso l’ugello è indipendente dalla profondità, quindi il flusso di ossigeno influisce ancora sulla PO2 allo stesso modo.
Suona fantastico, vero? Tranne che per evitare che l’ossigeno si accumuli troppo nel circuito respiratorio, dobbiamo impostare la portata di ossigeno a un livello inferiore al nostro consumo metabolico per mantenere il gas respirabile. Ciò crea la necessità di iniettare ossigeno manualmente. Pertanto, il nostro ossigeno viene misurato dagli stessi sensori del caso dell’eCCR, ma tutto è monitorato e controllato dal cervello umano fallibile, che si distrae facilmente. La mancata aggiunta di ossigeno, soprattutto durante la risalita in superficie, avrebbe ovviamente conseguenze fatali.
Il primo stadio dell’ossigeno che non legge la pressione esterna è una soluzione molto intelligente, ma presenta uno svantaggio. Il fatto che la pressione intermedia non vari con la profondità implica che, quando la pressione intermedia si equalizza con la pressione ambiente, l’ossigeno smette del tutto di fluire. Inoltre, non è nemmeno possibile utilizzare iniettori manuali separati. mCCR è quindi limitato dalla profondità.
Rebreather manuale a circuito chiuso (mCCR) – 1 Contropolmone inspirazione; 2 Valvola di immersione/superficie (DSV); 3 Espirazione contropolmone; 4 scrubber a CO2; 5 Bombola di ossigeno; 6 Valvola di riduzione dell’ossigeno (cieca); 8 Valvola di addizione manuale ossigeno (MAV); 9 Manometro ossigeno; 10 Bombola diluente, 11 Valvola di riduzione del diluente; 12 Diluente manometro; 13 Valvola diluente automatica; 14 Valvola di aggiunta manuale del diluente (MAV); 15 sensori di ossigeno; 17 Portata di massa costante; 18 Display del portatile.
vantaggi:
Massima efficienza del consumo di gas
Decompressione minima
Svantaggi:
Aumento della possibilità di errore umano, Human Factor.
Limitazione di profondità
eCCR tollerante ai guasti
Se pensiamo a tutti i principi precedenti, vorremmo avere solo vantaggi ed eliminare gli svantaggi. Questo è chiaro. Ma cosa fare al riguardo? Abbiamo pensato anche a questo, e la soluzione che portiamo è che in questo caso non possiamo fare a meno dell’elettronica. Dobbiamo anche rinunciare alla massima semplicità. Ma cosa accadrebbe se rendendo il sistema più complesso, o meglio, eseguendo il backup e la messa in sicurezza, otteniamo una sicurezza maggiore rispetto a un sistema semplice?
Lo sappiamo dalle tecnologie avanzate da cui dipendono le vite umane, come l’aerospaziale. Tutti i sistemi sono minimamente duplicati o triplicati e ingegnosamente messi insieme per integrarsi o sostituirsi a vicenda. Abbiamo fatto lo stesso nel caso del Liberty CCR che osiamo chiamare Fault Tolerant Rebreather.
Se costruiamo due sistemi fianco a fianco, ciascuno con la propria fonte di alimentazione, il proprio set di sensori e il proprio solenoide, allora tutto viene duplicato. Inoltre, se interconnettiamo i due sistemi in modo che possano comunicare tra loro continuamente, condividendo le informazioni da tutti i sensori e valutandole in modo indipendente, allora otteniamo che il guasto di uno o più componenti non influirà sul funzionamento dell’intero sistema.
Lo strumento può continuare a funzionare senza la necessità di alcun intervento di emergenza del subacqueo. Il subacqueo, invece, ha il massimo controllo della situazione. Conosce le letture di tutti i sensori e può valutare o verificare direttamente l’accuratezza delle loro letture.
Il software intelligente assicura inoltre che la gestione di questo dispositivo già abbastanza complesso sia facile da usare e che il subacqueo abbia tanto o meno lavoro da fare con il controllo del dispositivo rispetto agli eCCR convenzionali.
L’unico svantaggio è la relativa complessità di progettazione complessiva del dispositivo, che è per il meglio e rende la vita del subacqueo piuttosto facile.
Rebreather a circuito chiuso a controllo elettronico tollerante ai guasti – 1 contropolmone di inspirazione; 2 Valvola di immersione/superficie (DSV); 3 Contropolmone di espirazione; 4 Filtro CO2; 5 Bombola di ossigeno; 6 Valvola di riduzione dell’ossigeno; 8 Valvola di addizione manuale ossigeno (MAV); 9 SPG ossigeno; 10 Bombola diluente, 11 Valvola di riduzione del diluente; 12 Diluente SPG; 13 Valvola diluente automatica; 14 Valvola di aggiunta manuale del diluente (MAV); 15 sensori di ossigeno; 16 Centraline (CU); 17 solenoidi; 18 Display.
vantaggi:
Massima efficienza del gas
Decompressione minima
Pressione parziale costante e nota
di ossigeno nel circuito
Elettronica a prova di guasto
Gamma di profondità massima
Svantaggi:
Complessità di progettazione delle apparecchiature
Tradotto da https://www.divesoft.com/en/blog/5-basic-principles-of-rebreather-and-one-extra
Thanks to Jakub Sláma and Jakub Šimánek.
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