Sauerstoffkreislaufgerät

Der Begriff Kreislaufatemgerät, Kreislauftauchgerät oder englisch Rebreather bezeichnet Kreislaufgeräte, die für die Atmung beim Tauchen und als Atemschutzgeräte bei Feuerwehr, Katastrophenschutz, Militär usw. eingesetzt werden.

Rebreather

Einordnung

Alle Kreislauftauchgeräte haben gemeinsam, dass die Ausatemluft in einem flexiblen Behälter (Gegenlunge) aufgefangen wird. Das Kohlendioxid wird chemisch in einem Atemkalkbehälter (Scrubber) gebunden, und der metabolisierte Sauerstoff ersetzt. Bei den Arbeitsweisen unterscheidet man:

Geschlossene Kreislauftauchgeräte, Sauerstoffkreislaufgeräte

(engl.: closed circuit rebreather - CCR)

Geschlossener Kreislauf bedeutet, dass der im Körper verbrauchte Sauerstoff vollständig mit Sauerstoff aus einer Druckgas-Sauerstoffflasche ersetzt wird. Der Taucher atmet daher zu 100% reinen Sauerstoff in Pendelatmung mit angehängtem Kohlendioxid-Filter. Verwendung dieser Geräte ist daher vorwiegend im militärischen Bereich (Minentaucher, Kampfschwimmer). Das ausgeamtete Kohlendioxid wird durch reaktiven Atemkalk physikalisch als Feststoff gebunden. Dieser Atemkalk befindet sich in der Atemkalkpatrone, in die unter keinen Umständen Wasser eindringen darf, da sich sonst Lauge bildet, die starke Verätzungen zu Folge haben kann. Prinzipiell werden somit keinerlei Luftblasen vom Taucher ins Wasser abgegeben, und das Volumen im Gaskreislauf (Lunge des Tauchers und Atembeutel als Gegenlunge) bleibt konstant. In der Praxis entstehen spätestens beim Tarieren, beim Auf- bzw. Abtauchen Volumenänderungen, die einen zusätzlichen Gasbedarf bzw. einen Gasverlust durch ein Überdruckventil bzw. durch Abatmen über die Maske bedeuten. Durch den bei reinem Sauerstoff sehr hohen Partialdruck von 1 bei Normaldruck ist die Tauchtiefe auf etwa 6m begrenzt (entsprechend 1,6 bar Partialdruck Sauerstoff), da sonst eine Sauerstoffvergiftung auftreten kann.

Halbgeschlossene Kreislauftauchgeräte

(engl.: semiclosed rebreather - SCR)

"Halb geschlossen" bedeutet, dass im Kreislauftauchgerät der verbrauchte Sauerstoff unter Zuhilfenahme einer (Misch)gasquelle ersetzt wird. Durch den stetigen bzw. verbrauchsabhängigen Zusatz von Atemgas in den Kreislauf besteht die Notwendigkeit, überschüssiges Atemgas durch ein geeignetes Ventil ins Wasser abzugeben.

Passiv halbgeschlossene Kreislauftauchgeräte

(engl.: passiv semiclosed rebreather - pSCR)

Das "passiv halb geschlossen" bedeutet, dass im Kreislauftauchgerät der verbrauchte Sauerstoff unter Zuhilfenahme einer (Misch)gasquelle ersetzt wird. Dabei wird bei jedem Atemzug ein konstanter Anteil (meist 1:10, ein Zehntel) des Kreislaufvolumens aus dem Gerät entnommen und nach außen abgegeben. Das verminderte Volumen wird dann wieder automatisch (über Ventile) mit Mischgas aufgefüllt. Somit stellt sich innerhalb kurzer Zeit ein konstantes Atemgas ein. Diese Form der Kreislauftauchgeräte hat Einzug im technischen Höhlentauchen gefunden und wird weltweit von Höhlentauchern für tiefe und lange, meist mehrere Stunden, Höhlenforschung genutzt (z. B. European Karst Plain Project oder Woodville Karst Plain Project)

Dosierung

manuelle Dosierung

Urform der Kreislaufgeräte. Verbrauchtes Atemgas wird durch manuelle Regelung mit einem Gasventil ersetzt. Praktikabel nur bei Sauerstoffkreislaufgeräten.

Passiv

Laufender Zusatz eines sauerstoffhaltigen Atemgasgemisches zum Atemkreislauf mit dem Ziel, das Gasgemisch trotz Verbrauchens atembar zu halten. Oft mit Tiefenregelung (Tiefenkompensation) eingesetzt.

Tiefenkompensation

Zusätzlich bei konstantem Gaszusatz oder seltener bei der Volumensteuerung eingebrachte (mechanische) Steuerung, die den Gasverbrauch in größerer Tiefe bzw. ein gewünschtes, unterschiedliches Gemisch berücksichtigt. Automatische Tiefensteuerung oder manuelle Umschaltung.

Auch ein Wechsel des Gasgemisches sowie des Scrubbers bzw. des Kreislaufes selbst ist bei manchen Geräten als Teil der Tiefenschaltung vorgesehen.

Mechanisch/aktiv (volumengesteuert)

Eine weitere frühe Form war das volumengesteuerte Sauerstoff-Kreislaufgerät. Verringert sich das Gasvolumen in der Gegenlunge (durch Verbrauch oder Druckerhöhung), wird bei der Volumensteuerung ein Ventil betätigt und Sauerstoff bzw. Atemgas eingeleitet. Die Steuerung bedingte eine oft aufwändige Mechanik. Üblich etwa bei Feuerwehr- oder Bergbaugeräten, beim Tauchen eher unüblich.

Elektronische Regelung

Der Sauerstoffgehalt (Partialdruck) des Atemgases wird mit Sensoren überwacht. Über ein oder mehrere elektronisch gesteuerte(s) Magnetventil(e) wird Sauerstoff, Inertgas oder Gemisch eingeleitet, sodass der vorher eingestellte Partialdruck des Sauerstoffs konstant gehalten wird. Somit ändert sich der prozentuale Sauerstoffanteil des Atemgases in Abhängigkeit von der aktuellen Tauchtiefe.

Historisch sind die Todesfälle mit dem ersten Typgerät dieser Art, der amerikanischen ElectroLung, zu nennen. Ursache war allerdings fehlender bzw. verbrauchter Atemkalk. Mit ausreichender Schulung und Wartung können auch diese technisch aufwändigen Geräte mittlerweile als weitgehend ausgereift bezeichnet werden.

Manuell taucherkontrolliert

Eine weitere bei geschlossenen Kreislauftauchgeräten verbreite Methode der Sauerstoff-Anreicherung ist das sogenannte KISS-Prinzip. Die ersten Geräte wurden von Gordon Smith († 2007) entwickelt und gebaut.

Beim KISS-Prinzip wird meist über eine Düse reiner Sauerstoff in "metabolischer" Rate (0.8 Liter/min) konstant dem Kreislaufsystem zugeführt. Bei erhöhtem Bedarf z.B. bei Anstrengung kann vom Taucher manuell (per Hand) weiterer Sauerstoff zugegeben werden. Die Sauerstoffkonzentration wird über Sauerstoffsensoren ermittelt und dem Taucher angezeigt.

Chemisch

Der Scrubber enthält einen Stoff, der bei der Bindung von Kohlendioxid im gleichen Maße Sauerstoff freisetzt. Da diese chemischen Reaktionen von der Betriebstemperatur abhängig sind und deshalb eine ausreichende Sauerstoffversorgung nicht garantiert ist, haben sich diese prinzipiell möglichen Geräte nicht durchgesetzt.

Cryogen

Durch Abkühlung und Gasverflüssigung werden CO₂-Bestandteile der Atemluft ausgefällt und (flüssig) ausgelagert. Sauerstoff wird aus einer cryogenen Flüssigsauerstoffquelle zugesetzt. Die Funktion selbst wurde mit einem Testgerät nachgewiesen, erwies sich allerdings als verbrauchs- und temperaturabhängig. Es erfolgte bisher kein praktischer Einsatz.

Atemgase und Kreislauftauchgeräte

Der große Vorteil von Kreislauftauchgeräten gegenüber den offenen Tauchsystemen ist die sehr viel effizientere Ausnutzung des verwendeten Atemgases. Beim geschlossenen System muss im Idealfall nur der verbrauchte Sauerstoff, sowie die Volumenänderung beim Auf- oder Abtauchen ausgeglichen werden, während bei den halbgeschlossenen zwar Gas ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird, doch dies in bedeutend geringerem Maße als bei offenen Systemen geschieht. Prinzipiell können Kreislauftauchgeräte mit den im technischen Tauchen üblichen Atemgasmischungen wie Trimix oder Heliox getaucht werden, die durch den geringen Verbrauch des teuren Verdünnungsgases Helium zunehmend attraktiver werden.

Kreislauftauchgeräte mit elektronisch geregelter Sauerstoffdosierung oder manuell taucherkontrolliert (KISS-Style) sind, besitzen gegenüber allen anderen Tauchgeräten die einzigartige Möglichkeit, die Zusammensetzung des Atemgases während des Tauchganges auf die Erfordernisse der jeweiligen Tiefe anzupassen. Bei diesen Geräten wird kontinuierlich der Sauerstoffpartialdruck des Gasgemisches mittels redundanter Sensoren gemessen und durch Zugabe von reinem Sauerstoff bei einem einstellbaren Wert konstant gehalten - die prozentuale Zusammensetzung des Atemgases ändert sich dabei ständig.

Beispiel: Der Partialdruck für Sauerstoff wird auf 1 bar eingestellt. Das Verdünnungsgas ist normale Pressluft.

• In 20 m Tiefe benötigt der Taucher Atemgas mit dem Umgebungsdruck von 3 bar. Das entspricht einer Zusammensetzung von ca. 33% Sauerstoff und 67 % Stickstoff entspricht (Nitrox).
• In 40 m Tiefe atmet der Taucher bei 5 bar Umgebungsdruck. Das entspricht bei einem Sauerstoffpartialdruck von 1 einer Zusammensetzung von ca 20% Sauerstoff und 80% Stickstoff, und somit nahezu dem Mischungsverhältnis normaler Pressluft (21% Sauerstoff und 78% Stickstoff plus geringe Anteile anderer Gase).
• In 60 m Tiefe atmet der Taucher bei 7 bar Umgebungsdruck. Das entspricht bei einem Sauerstoffpartialdruck von 1 einer Zusammensetzung von ca. 14% Sauerstoff und 86 % Stickstoff (dieses Gemisch besitzt prozentual weniger Sauerstoff als die normale Umgebungsluft (21%)).

Diese Art der Regelung erlaubt daher ein Tauchen mit allen Vorteilen von Nitrox, wobei die Gefahr der Sauerstoffvergiftung durch zu tiefes Tauchen praktisch ausgeschlossen wird, sofern die maximalen Expositionszeiten für den jeweiligen eingestellten Sauerstoffpartialdruck nicht überschritten werden. Durch den unterhalb von 40 m (5 bar) geringeren Anteil von Sauerstoff steigt der Anteil des Stickstoffes. Die Gefahr eines Tiefenrausches oder Stickstoffnarkose steigt dadurch bei Tauchtiefen von über 40m an.

Die mit der Tiefe wechselnde Zusammensetzung des Atemgemisches hat beträchtliche positive Auswirkungen auf die Dekompression und die einzuhaltenden Dekompressionszeiten. Ein solcher Tauchgang kann, solange er nicht tiefer als 40m Tauchtiefe führt, mit konventionellen Tauchcomputern durchgeführt werden. Durch die höheren Sauerstoffanteile in geringen Tiefen bekommt man einen gewissen Sicherheitsgewinn in Bezug auf die Dekompressionverpflichtungen. Die genaue Berechnung der Stickstoffaufnahme in den verschiedenen Körpergeweben liefert kein handelsüblicher Tauchcomputer. Aber man kann man Kreislauftauchgeräte auch mit dafür speziellen Tauchcomputern verwenden (mit oder ohne Verbindung zu den aktuellen Sauerstoffwerten des Kreislauftauchgerätes) und nutzt somit die Vorteile des Tauchens mit Kreislauftauchgeräten optimal aus. Es sei darauf verwiesen, dass die Berechnungen aller Dekompressionscomputer nur auf allgemeinen Modellen beruhen können. Die persönlichen Verhältnisse können davon abweichen. Eine Unfallgefahr ist daher immer gegeben.

Funktionsweise Atemkalk

Beschreibung der CO₂-Absorption im Atemkalk

Die Bindung des CO₂ im Atemkalk wird in drei Phasen durchgeführt. In der ersten Phase wird das CO₂ durch Wasser H2O zu Kohlensäure H₂CO₃ gebunden. Daher ist es sehr wichtig, dass der Atemkalk eine gewisse Feuchtigkeit hat. (Grundfeuchtigkeit und Atemluft)

CO₂ + H₂O => H₂CO₃

Die Kohlensäure reagiert nun mit einem Bestandteil im Atemkalk (Ätznatron, NaOH, Natriumhydroxid, also einer Lauge) zu Natriumcarbonat (Na₂CO₃) und Wasser:

H₂CO₃ + 2 NaOH => Na₂CO₃ + 2 H₂O + Wärme

Das Natriumkarbonat reagiert nun mit Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) zu (kohlensaurem) Kalk (Calciumcarbonat, CaCO₃) und Natriumhydroxid (welches in die Reaktion weiter oben wieder eingeht):

Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ => CaCO₃ + 2 NaOH

Die Reaktionsstoffe Wasser und Natriumhydroxid werden während des Prozesses wieder erneuert, lediglich das Calciumhydroxid wird verbraucht und zu chemisch inaktivem Kalk umgewandelt.

Theoretisch können 100 g Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) ca. 30 Normliter CO₂ binden. Durchschnittlicher Atemkalk besteht aus:

5 % NaOH, 1 % KOH, 0,2 % Silicium/Kieselgur, 14-19 % Wasser und ca. 75 % Ca(OH)₂.

Damit ergibt sich für 1 kg Atemkalk bei 20 °C eine theoretische CO₂-Bindungsfähigkeit von 225 Normlitern CO₂. Die Hersteller geben für 1 kg Atemkalk eine Bindungsfähigkeit von 120 Normlitern an!

Die Wirksamkeit lässt allerdings mit der Temperatur des Atemkalks nach:

100 % bei 21 °C, 80 % bei 15,5 °C, 65 % bei 10 °C und <50 % bei 1,5 °C.

Geschichte

Im 16. Jahrhundert wurden in England und Frankreich die ersten Helmtauchanzüge in Tiefen von bis zu 20 Meter eingesetzt. Als Atemgas wurde per Handpumpe von der Oberfläche Luft zugeführt. Bald wurden die Helme aus Metall gefertigt, sowie größere Tiefen aufgesucht. Diese Helmtauchgeräte waren bereits eine Art Kreislauftauchgeräte, wenngleich ihre Atemgasversorgung rein oberflächengestützt war und CO₂ noch nicht chemisch gebunden, sondern ausschließlich ausgespült wurde.

Giovanni Borelli hatte 1680 die Idee, ein geschlossenes Atemgerät zu bauen. Seine Idee (die so nicht funktionieren konnte) war es, die Luft durch ein von Seewasser gekühltes Rohr zirkulieren zu lassen. Er erhoffte sich davon, alle Verunreinigungen an der Innen-Wandung des Rohres kondensieren lassen zu können. Ersetzt man jedoch das Seewasser durch unter (konstantem absoluten) Druck stehenden, flüssigen Stickstoff und hat in diesem einen Tank mit flüssigem Sauerstoff, dessen Gasphase in Verbindung mit dem Atemkreislauf steht, so hat man einen kryogenen Rebreather, der tatsächlich funktioniert. Das CO₂ wird dabei an der Wand des Stickstofftanks, der auch die Temperatur des Sauerstofftanks konstant hält, ausgefroren, der Sauerstoff-Partialdruck wird durch die Gasphase über dem flüssigen Sauerstoff konstant gehalten. Der konstante Stickstoffdruck über dem flüssigen Stickstoff bedeutet eine konstante Siedetemperatur, somit wird auch die Temperatur im Sauerstoffttank und damit der Sauerstoffpartialdruck konstant gehalten.

Stephen Hale setzt 1726 den ersten CO₂-Absorber ein: ein mit Weinstein und Seewasser getränktes Handtuch im Inneren eines Helmes für Grubenrettungsgeräte.

1774 schlägt J. F. Zöllner vor, reinen Sauerstoff zum Tauchen zu verwenden.

Ein Schwede namens Scheele entdeckt 1777, dass Bienen in einem geschlossenen Behälter am Leben blieben, wenn man eine Schüssel mit Kalkwasser hineinstellte, die das CO₂ ausfilterte.

1825 hatte William H. James den Einfall, einen Druckbehälter in der Form eines Gürtels am Bauch des Tauchers anzubringen und ihn daraus autonom (ohne Verbindung zur Oberfläche) atmen zu lassen. Er hatte aber keine Idee, wie er den Fülldruck auf Umgebungsdruck hätte reduzieren können.

Regnault und Reiset machen 1847 die Entdeckung, dass Hunde in einer versiegelten Kammer am Leben bleiben, wenn Sauerstoff hinzugefügt und CO₂ entfernt wird.

Im Jahr 1876 beginnt die eigentliche Geschichte der Kreislaufgeräte. Zwar kann man alle bisherigen Geräte als Rebreather bezeichnen (in diesem Fall Pendelatmer), allerdings wurde bei keinem dieser Geräte das Atemgas durch einen Kreislauf geatmet.

Henry Fleuss, ein deutscher Offizier der englischen Handelsmarine, beginnt mit der Entwicklung eines Sauerstoff-Kreislauftauchgerätes. Er verwendete kein Mundstück im heutigen Sinne, sondern eine Gummimaske. Der Sauerstofftank bestand aus Kupfer. Als Scrubber verwendete er ein mit einer Ätzkalk-Lösung getränktes Seilknäul. 1879 testete er sein neues Gerät eine Stunde in einem Wassertank, später tauchte er damit in einer Bucht bis zu 5,5 Meter tief. Henry Fleuss wurde so zum ersten „SCUBA-Diver“. Sein Gerät kam 1880 beim Bau des Severn-Eisenbahntunnels zum Einsatz^[1] und wurde später mehrfach eingesetzt, um Minenarbeiter aus überfluteten Tunneln zu retten. Die Weiterentwicklung führte zu einem Gerät, welches 1905 als Rettungsgerät zum Verlassen von Unterseebooten eingesetzt wurde.

Khotinsky und Simon Lake lassen sich 1881 die Verwendung von Bariumhydroxid als Scrubber für Rebreather patentieren.

Siebe Gorman lässt sich 1904 Oxylite patentieren. Dabei handelt es sich um eine Mischung aus KO₂ und Na₂O₂, die Sauerstoff abgibt, wenn sie mit Wasser oder CO₂ reagiert.

Die Medizintechnikfirma Dräger stellt 1907 ihren ersten U-Boot-Tauchretter her. Die Firma Dräger entwickelte sich seit ihrer Gründung 1889 bis heute zu einem der marktführenden Kreislauftauchgeräte-Hersteller.

1911 macht Dräger erste Versuche mit einem Kreislauf-Helmtauchgerät.

Bernhard und Heinrich Dräger stellen 1912 den frei tragbaren, schlauchlosen Dräger-Tauchapparat vor. Auf den ersten Blick war es kaum von den üblichen Helmtauchgeräten zu unterscheiden, allerdings fehlte der Luftschlauch. Auch das Rückengewicht fehlte, an dessen Stelle waren zwei Sauerstoffflaschen und der Absorber angebracht.

1913 macht Dräger Tieftauchversuche mit Kreislauf-Tauchgeräten. Am 17. Juli 1913 führt ein 40-minütiger Tauchgang im Tauchturm erfolgreich auf 9 bar (80 Meter).

1914 konstruiert Dräger ein selbstmischendes (Sauerstoff-Luft-)Kreislauftauchgerät für Tauchtiefen bis 40 Meter.

Jacques-Yves Cousteau ist einer der ersten, die Sauerstoff-Kreislaufgeräte zum Tauchen einsetzen wollen. Nach zwei Tauchgängen 1938, die beide mit einer Sauerstoffvergiftung endeten, verlor er das Interesse an diesen Tauchgeräten.

Dr. Christian Lambertsen erfindet 1939 die Lambertsen Amphibious Respiratory Unit (LARU).

Hans Hass entwickelt 1942 mit dem Oberingenieur Hermann Stelzner bei Dräger aus der Gegenlunge das Schwimmtauchgerät. Siebe-Gorman stellt das Salvus ANS-Sauerstoffkreislaufgerät vor, dessen Atemsack auf dem Rücken in Form eines Rucksacks getragen wurde.

Das bekannte IDA-71 erscheint 1957: ein teils chemisch dosierendes, umschaltendes Mischgas-Kreislauftauchgerät (CCCR) aus der Sowjetunion.

Das Trimix-Kreislaufgerät IDA-59M wird 1959 als U-Bootretter für Tiefen bis 300 Meter entwickelt.

1968 erscheint das erste elektronisch gesteuerte Kreislaufgerät mit automatischer Atemgasmischung. Die ElectroLung wird im folgenden Conself-Projekt eingesetzt. Einige Todesfälle durch verbrauchten Atemkalk überschatten die Entwicklung.

1984 stellt Dräger das Tieftauchsystem CCBS für Tauchtiefen bis 600 Meter vor.

Die britische Firma Ambient Pressure Diving bringt 1998 den Inspiration (vormals Buddy Inspiration Rebreather) auf den Markt, einen der derzeit meistgenutzten Rebreather.

Siehe auch

• Tauchretter

Einzelnachweise

1. ↑ www.divernet.com: The strong man, the rebreather and the tunnel

Weblinks

• Rebreathers.de