Kreislauftauchgerät

(englisch 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 reinen Sauerstoff in Pendelatmung mit angehängtem Kohlendioxid-Filter. Verwendung dieser Geräte findet vorwiegend im militärischen Bereich (Minentaucher, Kampfschwimmer) statt. Das ausgeatmete Kohlendioxid wird durch das reaktive Natriumhydroxid in Form von Natriumhydrogencarbonat als Feststoff gebunden. In diesem Zusammenhang wird das Natriumhydroxid auch als Atemkalk bezeichnet und befindet sich in der Atemkalkpatrone, in die kein Wasser eindringen darf. In Verbindung mit Wasser bildet Natriumhydroxid die stark alkalisch reagierende Natronlauge, welche schwere Verätzungen verursachen kann. Aufgrund der heutigen Konstruktion von Kalkbehältern und Ausatemlungen ist jedoch ein kleines Toleranzvolumen an Wassereintritt (z. B. durch Kondensation) gestattet. Bei manchen Geräten kann bis 1 Liter Wasser eintreten, ohne dass der Kalkbehälter dabei unter Wasser gesetzt wird. 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 benötigen.

In der Praxis werden geschlossene Kreislauftauchgeräte mit zumindest zwei Flaschen, einer Pressluft- oder Mischgasflasche und einer Sauerstoffflasche, betrieben. Die Flaschen haben zumeist 2 oder 3 Liter Inhalt und können bis 200 oder 300 bar gefüllt werden.

Beim Atmen von reinem Sauerstoff, also sehr hohem Partialdruck von 1 bar bei Normaldruck, ist die Tauchtiefe auf etwa 6 m begrenzt (entsprechend 1,6 bar Partialdruck Sauerstoff), da sonst eine Sauerstoffvergiftung auftreten kann. Mit Luft/Sauerstoffgemischen können Tiefen bis 40/50 m erreicht werden. Mit Mischgasen sind entsprechend größere Tiefen möglich.

(englisch semiclosed rebreather – SCR)

„Halb geschlossen“ bedeutet, dass im Kreislauftauchgerät der verbrauchte Sauerstoff unter Zuhilfenahme einer (Misch)gasquelle ersetzt wird. Durch das stetige bzw. verbrauchsabhängige Hinzufügen von Atemgas in den Kreislauf besteht die Notwendigkeit, überschüssiges Atemgas durch ein geeignetes Ventil oder durch Ausatmen über die Maske ins Wasser abzugeben.

(englisch passive semiclosed rebreather – pSCR)

„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, also 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 andauernde, Höhlenforschung genutzt (siehe European Karst Plain Project und Woodville Karst Plain Project).

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

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

Darunter versteht man eine zusätzlich bei konstantem Gaszusatz oder seltener bei der Volumensteuerung eingebrachte (mechanische) Steuerung, die den Gasverbrauch in größerer Tiefe bzw. ein gewünschtes, unterschiedliches Gemisch berücksichtigt und über eine automatische Tiefensteuerung oder manuelle Umschaltung geregelt wird.

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

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 und war etwa bei Feuerwehr- oder Bergbaugeräten üblich, beim Tauchen aber eher nicht.

Der Sauerstoffgehalt (Partialdruck) des Atemgases wird mit Sensoren überwacht. Über ein oder mehrere elektronisch gesteuerte(s) Magnetventil(e) wird Sauerstoff, Inertgas oder Gemisch eingeleitet, so dass 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.

Eine weitere bei geschlossenen Kreislauftauchgeräten verbreitete Methode der Sauerstoff-Anreicherung folgt dem KISS-Prinzip (Keep it simple and stupid). Die ersten Geräte wurden von Gordon Smith entwickelt und gebaut, der nach diesem allgemeinen Entwicklungsprinzip auch seine Firma und die Geräte benannte.

Bei KISS-Geräten wird meist über eine Düse reiner Sauerstoff in „metabolischer“ Rate (0,8 Liter/min) konstant dem Kreislaufsystem zugeführt. Bei erhöhtem Bedarf, etwa bei Anstrengung, kann vom Taucher manuell (per Hand) weiterer Sauerstoff zugegeben werden. Die Sauerstoffkonzentration wird über Sauerstoffsensoren ermittelt und dem Taucher angezeigt.

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.

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

Kreislauftauchgeräte mit elektronisch geregelter Sauerstoffdosierung oder manuell taucherkontrollierte Geräte besitzen gegenüber allen anderen Tauchgeräten die einzigartige Möglichkeit, die Zusammensetzung des Atemgases während des Tauchganges auf die Erfordernisse der jeweiligen Tiefe kontinuierlich 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. (Die Alternative zu einem Kreislauftauchgerät ist hier das Mitführen unterschiedlicher Gasgemische mit jeweils komplettem Atemregler, aus denen dann je nach Phase des Tauchgangs geatmet wird.)

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 (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).

Diese Art der Regelung erlaubt daher ein Tauchen mit allen Vorteilen von Nitrox, wobei die Gefahr der Sauerstoffvergiftung durch zu tiefes Tauchen mit einem nicht variablen, vorgefüllten höheren Sauerstoffsättigungsgrad praktisch ausgeschlossen wird. Ein festes Nitrox-Gemisch von 40 % Sauerstoff bedeutet eine Beschränkung auf eine max. Tiefe von 25 m. Ein elektronisch gesteuertes Kreislaufgerät mit dieser Anpassung ermöglicht ein freies Tauchen mit jeweils optimal hohem Sauerstoffanteil, ohne dadurch eine feste Grenze in Kauf nehmen zu müssen.

Die Verwendung eines Tauchcomputers, der die Einstellung eines fixen P_O2 (Sauerstoffpartialdruckes) gewährleistet, kann die Entstehung eines Tiefenrausches de facto ausschließen, wobei alle Vorteile des geschlossenen Kreislauftauchgerätes voll erhalten bleiben. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf Gasgemische, insbesondere bei Trimix, deren genaue Mischung bei Tieftauchgängen tiefenabhängig bestimmt werden muss.

Die mit der Tiefe wechselnde Zusammensetzung des Atemgemisches hat beträchtliche positive Auswirkungen auf die Dekompression und die einzuhaltenden Dekompressionszeiten. Durch die höheren Sauerstoffanteile in geringen Tiefen und dadurch erheblich geringere Stickstoffanteile in der Atemluft bekommt man einen gewissen Sicherheitsgewinn in Bezug auf die Dekompressionsverpflichtungen, wenn man mit einem konventionellen Tauchcomputer taucht, der die Stickstoff-Aufsättigung durch Luft annimmt. Möchte man diesen Sicherheitsgewinn gegen eine Verlängerung der Nullzeit oder eine Verkürzung der Dekompressionsstopps eintauschen, kann man auch einen speziell für das Rebreathertauchen konzipierten Tauchcomputer verwenden (mit oder ohne Verbindung zu den aktuellen Sauerstoffwerten des Kreislauftauchgerätes). 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.

Kreislauftauchgeräte erfordern eine fundierte Ausbildung am jeweiligen Gerät und laufende Übung. Sie gestatten sehr tiefe (bis 200 m und tiefer) und/oder sehr lange Tauchgänge (bis weit über 3 Stunden). Bei Wartungsmängeln oder Fehlbedienung führen sie möglicherweise zum Geräteausfall. Bei nicht oder nicht ausreichendem Mitführen und Gebrauch von Notfallflaschen aufgrund der vorhandenen Gasdrücke im Körper, insbesondere bei Tauchgängen mit hoher Gassättigung, kann es daher zu mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit tödlichen Unfällen kommen.

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)

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O -> H2CO3}}}$

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

${\displaystyle {\ce {H2CO3 + 2 NaOH -> Na2CO3 + 2 H2O}}}$

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

${\displaystyle {\ce {Na2CO3 + Ca(OH)2 -> CaCO3 + 2 NaOH}}}$

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

Durchschnittlicher Atemkalk besteht aus: 5 % Natriumhydroxid (NaOH), 1 % Kaliumhydroxid (KOH), 0,2 % Siliciumdioxid (SiO₂ in Form von Kieselgur), 14–19 % Wasser und ca. 75 % Calciumhydroxid (Ca(OH)₂).

Ein Mol Calciumhydroxid (74,10 g) kann ein Mol CO₂ (44,01 g) binden. Theoretisch können 100 g Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) ca. 30 Normliter CO₂ binden. Damit ergibt sich für 1 kg Atemkalk mit einem Calciumhydroxidanteil von 75 % 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.