| Il rebreather
Ouroboros. Una spiegazione tecnica... di Kevin Gurr
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Il mio primo incontro con i rebreathers è
stato sul finire degli anni 80 e si trattava di un’immersione
in camera iperbarica a 200 m, con una unità sperimentale.
Fallita. Questa breve esperienza e una gamma di progetti di
immersioni profonde in circuito aperto mi convinsero che i
rebreathers erano il futuro della subacquea. Circa 8 anni
più tardi, dopo aver constatato che la scelta era limitata,
decisi di costruirmene uno per conto mio. Questo è
un breve sommario di cosa ho imparato e come l’ho sfruttato,
con un’analisi degli ultimi incidenti, per arrivare
al concetto attuale.
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Principi fondamentali
Al fine di capire cosa fa di un rebreather una buona
unità, bisogna prima di tutto comprendere le
proprietà fondamentali che governano il design
di uno di questi apparecchi. Questo può essere
suddiviso in 4 punti:
1. Lo sforzo respiratorio (WOB) nel rebreather
2. Lo sforzo respiratorio idrostatico dell’unità
in immersione
3. La durata del materiale assorbente
4. La dinamica del controllo dell’ossigeno.
Analizziamoli separatamente.
Lo sforzo respiratorio
Questo è un puro risultato delle restrizioni
nel flusso di gas nell’unità. In altre
parole quanta resistenza provocano le dimensioni delle
condotte e degli orifizi nella respirazione. Cose
come piccole valvole a fungo del boccaglio, piccoli
corrugati, sacchi polmone con volume o spazio insufficiente
per espandersi e percorso attraverso il materiale
assorbente troppo lungo sono elementi comuni che tendono
a far aumentare lo sforzo respiratorio.
Lo sforzo respiratorio è anche
una funzione della densità del gas, quindi
della profondità. Più profonda è
l’immersione, più aumenterà la
densità del gas e più aumenterà
lo sforzo respiratorio. Il WOB è anche una
funzione della ventilazione o velocità di respirazione.
Maggiore è il flusso di gas (elevata velocità
respiratoria) maggiore sarà la resistenza generata.
Un rebreather con cui si respira bene in superficie
potrebbe non avere le stesse qualità a 40 m
con aria come diluente. Questo è il motivo
per cui gli attuali test standard CE e Militari insistono
sulla misurazione del WOB in profondità, con
differenti velocità di respirazione e, normalmente,
in due posizioni di nuoto.
Il WOB idrostatico
Questo è il risultato dello sforzo respiratorio
e degli effetti della posizione dei sacchi polmone
rispetto al corpo quando il rebreather ed il sub si
trovano in immersione. Ad esempio, un rebreather con
sacchi polmone in posizione dorsale potrebbe avere
un sforzo respiratorio normale ma, in posizione orizzontale
(faccia in giù) la distanza, quindi la differenza
di pressione tra I sacchi polmone ed il centroide
dei polmoni potrebbe, in combinazione con l’eccessivo
sforzo respiratorio, creare un eccesso di pressione
tale da richiedere al subacqueo di succhiare l’aria
per respirare. In questo caso la pressione di inalazione
sarebbe eccessiva (il sub sta inalando da una pressione
più bassa) e l’espirazione sarebbe semplice
in quanto effettuata verso una pressione minore. I
sacchi polmone posti in posizione pettorale avranno
il problema inverso, nella stessa posizione.
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Sopra; Le parti elettroniche,
nel cuore dell’Ouroboros |
I sacchi polmoni posti sopra le spalle
sembrerebbero la soluzione perfetta in cui ogni effetto
idrostatico creerebbe pochi inconvenienti. Comunque se ad
un rebreather con uno sforzo respiratorio basso si combina
un qualunque minimo sforzo respiratorio idrostatico si arriverà
ad ottenere un circuito respiratorio con una resistenza
relativamente elevata quindi con una sensazione di respirazione
travagliata.
Riassumendo il WOB di un rebreather può essere quantificato
solamente sotto una vasta gamma di posizioni idrostatiche,
con continue misurazioni a diverse profondità. Inoltre,
testando un’unità in situazioni di superficie
e con ritmi respiratori sconosciuti è sbagliato perchè
è solamente sotto condizioni di stress (normalmente
in profondità) che aumenta il ritmo respiratorio
e questo è esattamente il momento in cui il rebreather
deve avere un WOB basso.
Durata del materiale assorbente
Questa è un’area largamente incompresa. Molti
produttori indicano tempi di durata basati su semplici test
di superficie che sono insufficienti e potenzialmente pericolosi.
La vita dell’assorbente è definita principalmente
da quanto segue:
Sopra; Il team di elettronici
all’opera sul POD centrale, in laboratorio |
1. Quantità (Kg)
di materiale
2. Tipo di materiale assorbente
3. Temperatura dell’acqua
4. Qualità isolante del cestello di assorbente
nei confronti della temperature dell’acqua
5. La quantità di CO2 generata dal sub
6. La densità del gas e profondità
7. Il concetto e design del cestello
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Il test standard
CE per il cestello è fatto a 40m con aria come diluente
in acqua a 4°C e con ritmo di produzione di CO2 di 1,6
l/min e con un ritmo respiratorio di 40 l/min. Alcune Marine
testano i cestelli a ca. 18m con una produzione di CO2 di
0,5 l/min. Come riferimento si considera che l’intrusione
di CO2 si abbia da 5mb di pressione parziale indipendentemente
dalla profondità.
La gamma di profondità, densità del gas, ritmo
di produzione di CO2 e temperatura dell’acqua usati
in ogni caso possono, a dipendenza del tipo di cestello,
far variare in modo significativo la durata dell’assorbente.
Dai dati raccolti risulta per certo che la durata dei cestelli
misurata in superficie è pericolosamente inaccurata
al fine di predire la durata generale delle immersioni.
Può essere facilmente mostrato che per la maggior
parte dei cestelli assiali e anche per alcuni radiali, l’efficienza
del cestello diminuisce in modo sostanziale con la profondità.
Un cestello testato andava dal 77% di efficienza a 15m a
49% a 40m. La durata a 15m era di 3 ore mentre che a 40m
era di 1 ora e 50 minuti.
La “salvezza” dei design attuali è che
la maggior parte delle persone non possono mantenere ritmi
di produzione di CO2 di 1,6 l/min o restare a lungo in acque
a 4°C. Ad ogni modo i dati dimostrano che come metodo
di misurazione della durata di un cestello, il ritmo di
produzione medio di 1 ora, indipendentemente dalla profondità
e densità del gas, è insufficiente ed una
vasta gamma di parametri dovrebbero essere impiegati meglio
per questo scopo. In altre parole, al fine di definire l’affidabilità
di un rebreather per un tipo d’immersione rispetto
ad un altro, sarebbe meglio testare l’unità
a diverse profondità con almeno aria e trimix come
diluenti. Per dare un margine di sicurezza la temperatura
dell’acqua e la produzione di CO2 dovrebbero restare
costanti.
Sistema di controllo dell’ossigeno
Questa può essere un apparecchiatura a controllo
meccanico o elettronico. Qualsiasi sia la scelta è
importante che il controllo del livello di ossigeno sia
mantenuto entro certi limiti. Se la decompressione deve
essere condotta con l’uso di tabelle o computer a
PO2 fissa, i limiti devono essere accuratamente mantenuti.
Rapide escursioni a e da profondità maggiori non
devono generare livelli di PO2 eccessivamente alti o bassi.
Idealmente ognuno di questi limiti, una volta raggiunto,
dovrebbe generare un allarme in quanto non si può
pretendere che un sub sotto stress possa tenere costantemente
sotto controllo la PO2. Alcuni tipi di rebreather, a causa
dell’elevato flusso nel circuito di ossigeno, possono
generare picchi di PO2 sufficienti a causare convulsioni
in breve tempo se non vengono rilevati, questo è
un concetto non desiderabile nel caso di malfunzionamento
di una valvola d’immissione. Nei test CE e per la
maggior parte delle marine esiste un test sul sistema di
monitoraggio della PO2 cosi come viene pure testato il limite
superiore e inferiore dopo rapidi cambiamenti di profondità.
Display di monitoraggio PO2 primario
e secondario |
POD elettronico compatto, valvole
e condotte |
L’Ouroboros
Considerando tutto quanto sopra descritto unitamente ad
una valutazione degli incidenti ho iniziato a concepire
il mio rebreather.
I problemi con rebreather occorsi nel passato erano dovuti
a:
1. Immersione iniziata con il sistema di controllo elettronico
spento.
2. Immersione iniziata con la bombola di ossigeno chiusa
3. Discesa con la bombola del diluente chiusa e panico quando
non si trova l’immissione manuale
4. Nuotate in superficie con diluenti ipossici
5. Cestello assorbente non preparato correttamente o design
dello stesso che permette il passaggio di CO2 se gli Orings
non sono ingrassati o assemblati correttamente
6. Superamento dei limiti con scarsa conoscenza sulla durata
del cestello
7. Allagamenti parziali rendono inutilizzabile il rebreather
8. Malfunzioni del solenoide a causa di filtraggio insufficiente
del gas
9. Il sistema di connessione delle fruste causa punti di
stress che portano alla rottura delle fruste
10. L’elettronica all’interno del circuito è
disturbata dall’umidità
11. Le scorte di gas vengono scambiate accidentalmente
12. Malfunzionamenti dell’elettronica rendono la macchina
inutilizzabile
13. Stress ad elevati ritmi di lavoro
14. MDD come risultato del fatto che l’unità
non riesce a mantenere una PO2 costante
15. Mancanza di procedure Pre-Immersione
L’Ouroboros è stato creato pensando a quanto
studiato sopra e questo è il risultato:
1. Un sistema che protegge tutte le parti delicate e le
condotte di pressione
a. Come risultato i sacchi polmone sono montati posteriormente
per principio. Tutte le condotte interne sono in acciaio
inossidabile, i corrugati di respirazione sono rinforzati
in simil-gomma all’interno con una guaina di nailon
al fine di evitare abrasioni e rotture.
2. Un basso sforzo respiratorio
3. Un cestello auto compattante, con minime o nulle possibilità
di formazione di passaggi preferenziali per il gas causati
da compattamento errato.
a. Cestelli Assiali e Radiali a torre sono più compatti
nella parte inferiore a causa della lunghezza dell’involucro.
Cestelli radiali corti, a “ciambella” soffrono
meno di questo problema. Specialmente i cestelli Assiali,
se non correttamente riempiti, possono creare dei passaggi
preferenziali per il gas. L’Ouroboros usa un design
radiale a “ciambella”.
4. Sistema di eliminazione di acqua efficiente.
a. I sacchi polmone separati sono una efficiente raccolta
di acqua che può essere eliminata automaticamente
attraverso il sacco polmone dell’espirazione
5. Un cestello molto efficiente anche in profondità
e con un ritmo di produzione di CO2 elevato.
a. L’unità è stata testata a diverse
di profondità
6. Non servono attrezzi specifici per la manutenzione generale
a. La manutenzione di routine non richiede attrezzi. Anche
le parti elettroniche possono essere smontate con semplici
attrezzi. Non sono necessari attrezzi speciali.
7. Elettronica con possibilità di sovrapposizione
dei comandi manuali
a. Nel caso di una guasto elettronico è vitale una
fonte separata e alimentata in modo indipendente, per il
controllo della PO2. In unità in cui tutti i controlli
sono affidati ad una doppia elettronica è auspicabile
che siano impiegati due differenti software, per evitare
problemi comuni. L’Ouroboros dispone di un sistema
di monitoraggio di PO2 triplo, alimentato separatamente.
Anche nel caso in cui il cavo venga tranciato non ci saranno
interferenze con l’elettronica principale.
8. Algoritmo decompressivo integrato
a. Questo riduce i problemi legati ad unità che non
mantengono precisamente la PO2 quando si utilizzano le tabelle
o computers a PO2 fissa
9. Elettronica che non si blocchi
a. Nel caso di utilizzo in immersioni in grotta o profonde
non deve essere un problema assumere il controllo manuale
per completare l’immersione. Tutti gli automatismi
dell’Ouroboros sono disinseribili per permettere la
gestione manuale.
10. Assemblaggio semplice che impedisca la possibilità
di confondere pezzi o gas
a. Tutta la manutenzione primaria non necessita di attrezzi
e non ci sono possibilità di connettere i gas erroneamente.
Anche le fonti esterne di gas sono codificate in modo tale
da evitare confusioni.
11. Un sistema modulare per diversi stili d’immersione
a. Il design principale prevede un montaggio posteriore
chiuso in una cassa in fibra di carbonio. Sono allo studio
cestelli di varia durata. E’ allo studio un sistema
da viaggio con un design leggero ed anche dei sacchi polmone
montati sul petto.
12. Allarmi intuitivi
a. Gli allarmi indicati sull’head up display (HUD)
sono visibili in modo dettagliato sul monitor principale
b. Un display montato sulla parte posteriore della macchina
fornisce dati al compagno o all’istruttore
c. Gli allarmi sono visivi e tattili tramite vibrazioni
sull’ HUD
d. Dei trasduttori digitali di HP garantiscono che le bombole
chiuse generino un allarme, stessa cosa per perdite nel
sistema a LP e HP
13. Sistema di accensione automatica a contatto con l’acqua
a. Accensione tramite contatti bagnati. Accensione anche
tramite la pressione dei pulsanti sul computer per di dare
ridondanza al fine di ridurre le possibilità di ipossia.
14. Supporto minimo vitale
a. Una volta accesa la macchina mantiene sempre, indipendentemente
dal setpoint, una PO2 minima di 0,4.
15. Nessuna componente elettronica non sigillata all’interno
del circuito
16. Flusso di gas ridotto per ridurre picchi di PO2 ma abbastanza
da permettere buoni lavaggi di diluente
a. Tutte le condotte di flusso sono connesse in modo tale
da evitare picchi. La valvola di iniezione automatica del
diluente (ADV) può essere regolata secondo le abitudini
b. Entrambe la ADV e la valvola solenoide dell’O2
sono protette da filtri
17. Intercambiabile semplicemente con equipaggiamento di
sicurezza per Circuito Aperto
a. Sull’unità è possibile montare un’ampia
gamma di piastre, imbracature e sacchi. Espressamente concepito
per istruttori che a volte devono passare al circuito aperto.
18. Memorizzazione dei dati
a. La memorizzazione dei dati permette una verifica a posteriori
durante l’istruzione o in caso di incidenti. Ogni
parametro viene memorizzato, anche i casi in cui l’utente
annulli I controlli pre-immersione.
19. Isolazione dei circuiti automatici e utilizzo manuale
a. Sistema a votazione automatica dei sensori e isolazione
manuale nel caso di malfunzionamento. La decompressione
in Circuito Chiuso può essere disabilitata a favore
di una decompressione in circuito aperto.
20. Una semplice ma efficiente sequenza pre-immersione,
con brevi tempi di impostazione
a. E’ disponibile una sequenza pre-immersione elettronica.
Preparazione semplice del cestello e assemblaggio senza
utensili assicurano una rapida preparazione per l’immersione.
L’Ouroboros è un design modulare. Il layout
principale è un sistema a montaggio posteriore, protetto
da un guscio in fibra di carbonio. Saranno disponibili gusci
leggeri in cordura con diverse misure di cestello come pure
una configurazione con montaggio dei sacchi polmone sul
petto. Per l’anno in corso è allo studio quanto
segue:
? Maschera granfacciale (Dräger)
? Rebreather d’emergenza (Bailout)
? Algoritmo VPM per il computer
L’unità è in produzione dall’inizio
del 2005.
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