Atemgase und ihre Wirkungen - Decotrainer

Dr. Armin RauenÖdgarten 1294574 WallerfingTel. 09936 - 902026armin@decotrainer.dewww.decotrainer.deAtemgase beim Technischen Tauchen- Teil 1: Atemgase und ihre WirkungenInhalt:1. Luft als Standard-Atemgas2. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid3. Stickstoff4. Helium5. Gasgemische beim Technischen TauchenMedizin Fortbildungsseminar - Zwiesel - 19.10.2013Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 1 von 22

Zusammensetzung der LuftTrockene Luft bei Standardbedingungen:Gas Formel Vol%Stickstoff N 2 78.08Sauerstoff O 2 20.94Argon Ar 0.93Kohlenstoffdioxid CO 2 0.04Summe 100.00Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 2 von 22

Zusammensetzung der LuftTrockene Luft bei Standardbedingungen:Gas Formel Vol%Stickstoff N 2 78.08Sauerstoff O 2 20.94Argon Ar 0.93Kohlenstoffdioxid CO 2 0.04Summe 100.00Wassergesättigte Luft bei Standardbedingungen:Gas Formel Vol%Stickstoff N 2 77.07Sauerstoff O 2 20.67Wasserdampf H 2 O 1.30ArgonAr 0.92Kohlenstoffdioxid CO 2 0.04Summe 100.00Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 3 von 22

StandardbedingungenStandardbedingungen = Normalbedingungen = 1 bar (genauer 1013.25 mbar)entspricht dem Luftdruck auf MeereshöheDer Wasserdampfgehalt ist stark veränderlich:• 0.1 % an den Polen• 3 % in den Tropen• 6 % in der Lunge• 0 % im DruckgasbehälterAndere Gasgehalte (in %) sind praktisch konstant in derErdatmosphäre, natürlich nicht die Partialdrücke.• MeereshöheHöhe = 0 mUmgebungsdruck = 1.013 barf(O 2 ) = 21 % p(O 2 ) = 0.21 bar• Mount EverestHöhe = 8848 mUmgebungsdruck = 0.326 barf(O 2 ) = 21 % p(O 2 ) = 0.07 barwikipediaArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 4 von 22

Sauerstoff (O 2 ) und Kohlenstoffdioxid (CO 2 )AtmungDurch einen biologischen Prozess (genannt aerobeAtmung) wird O 2 verbraucht und CO 2 produziert.1 Molekül Glucose + 6 Moleküle Sauerstoff6 Moleküle Kohlenstoffdioxid + 6 Moleküle Wasser• Verhältnis Sauerstoff / Kohlendioxid= 6 : 6 = 1 : 1• die Kohlendioxid-Produktion entspricht demSauerstoff-VerbrauchBeispiel: O 2 Verbrauch 1 l/min CO 2 Produktion 1 l/minGraphik: WikipediaArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 5 von 22

Steuerung der Atmung• Atemreiz reagiert auf den CO 2 Gehalt.Genauer: auf den Partialdruck von CO 2 im Blutkreislauf• Grenzwert für den Atemreiz: p(CO 2 ) ist ca. 40 mbarentspricht bei Normalbedingungen 4 Vol-%Zusammensetzung von Einatem- und Ausatemluft:Inertgase,werden unverändert einundausgeatmetInspiratorischeFraktionGasExspiratorischeFraktion78 % Stickstoff 78 %21 % Sauerstoff 17 %O 2 wird verbraucht1 % Edelgase 1 %0,04 % Kohlenstoffdioxid 4 %CO 2 entstehtArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 6 von 22

Frage:Warum ist der Sauerstoffverbrauch beim CCR Tauchgerät unabhängig von der Tiefe?Typisches Beispiel: Sauerstoffverbrauch unter Oberflächenbedingungen = 1 l/min = 1 bar*l/min• Oberflächenbedingungen (1 bar):Gasverbrauch = 1 l/min * 1 bar = 1 bar*l/min• 10 m Tiefe (2 bar):Gasverbrauch = 0.5 l/min * 2 bar = 1 bar*l/minArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 7 von 22

Frage:Warum ist der Sauerstoffverbrauch beim CCR Tauchgerät unabhängig von der Tiefe?Typisches Beispiel: Sauerstoffverbrauch unter Oberflächenbedingungen = 1 l/min = 1 bar*l/min• Oberflächenbedingungen (1 bar):Gasverbrauch = 1 l/min * 1 bar = 1 bar*l/min• 10 m Tiefe (2 bar):Gasverbrauch = 0.5 l/min * 2 bar = 1 bar*l/minAntwort:• Nur der verbrauchte Sauerstoff wird ergänzt• Der Sauerstoffverbrauch hängt vom Stoffwechsel ab,und nicht von der Tauchtiefe• höherer Umgebungsdruck-> unveränderter SauerstoffverbrauchArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 8 von 22

Frage:Warum ist der Gasverbrauch beim offenen Tauchsystem tiefenabhängig?Typisches Beispiel: AMV = 20 l/min• Oberflächenbedingungen (1 bar):Gasverbrauch = 20 l/min * 1 bar = 20 bar*l/min• 10 m Tiefe (2 bar):Gasverbrauch = 20 l/min * 2 bar = 40 bar*l/minArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 9 von 22

Frage:Warum ist der Gasverbrauch beim offenen Tauchsystem tiefenabhängig?Typisches Beispiel: AMV = 20 l/min• Oberflächenbedingungen (1 bar):Gasverbrauch = 20 l/min * 1 bar = 20 bar*l/min• 10 m Tiefe (2 bar):Gasverbrauch = 20 l/min * 2 bar = 40 bar*l/minAntwort:• Der Körper verbraucht die gleiche MengeSauerstoff wie im Fall CCR• Der Körper produziert die gleiche Menge CO 2wie im Fall CCR• Das Atemzentrum reagiert auf den CO 2 Partialdruck• Bei größerem Umgebungsdruck ist der CO 2Partialdruck (Atemschwelle) genauso schnellerreicht, wie bei kleinerem Umgebungsdruck• Die Atemfrequenz und Atemtiefe bleibt gleich= AMV bleibt gleich• höherer Umgebungsdruck größerer GasverbrauchArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 10 von 22

Physiologische Wirkungen des SauerstoffsO 2 ist lebensnotwendig►minimaler p (O 2 ) = 0.16 barNach Adaption auch deutlich weniger.Beispiel: Reinhold Messners Besteigungdes Mount Everest ohne "künstlichen"Sauerstoff.p (O 2 ) = 326 mbar * 0.21 = 0.07 barWirkungen der Hypoxie:• bläuliche ("zyanotische") Hautfarbe• Höhenkrankheit• Kopfschmerzen• Bewusstseinseintrübung• Ohnmacht• Atemnot• Muskelschwäche• TodReinhold Messner (www.suedtirol.info)Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 11 von 22

O 2 kann tödlich sein - die Dosis macht das Gift►maximaler p (O 2 ) = 1.6 barWirkungen der Hyperoxie:"Paul Bert- Effekt" = Einfluss des erhöhten p (O 2 ) auf das zentraleNervensystem mit diesen Symptomen:• Zittern, Lippenzittern• Muskelkrämpfe• Ohrgeräusche• Tunnelblick• Übelkeit• Schwindel, Erbrechen• Persönlichkeitsveränderungen• Erregung, Angst, Verwirrtheit• Bewusstlosigkeit"Lorrain Smith-Effekt" = Einfluss des erhöhten p (O 2 ) auf die Lungemit Schädigung des Lungengewebes, mit diesem Symptomen:• Übelkeit• Müdigkeit• Orientierungs- und Leistungsschwäche• Schwindelgefühl• niedrige Atemfrequenz, erhöhter Atemwiderstand• Lungenschmerzen, Engegefühl in der Brustgegend.Paul Bert 1878 (wikipedia)Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 12 von 22

Der maximal tolerierbare p (O 2 ) ist schwer zu fassen:Bis etwa 1940 galten sehr hohe Obergrenzen für den p (O 2 ):• 4 bar für 30 min (!)• 3 bar für 3 Stunden (!)Spätere Versuche (während des 2. Weltkriegs[Donald, 1947a und b]) ergaben neueErkenntnisse:• Die Sauerstoffvergiftung ist extrem variabel• Es gibt gute und schlechte Verträglichkeiten• Die gleiche Versuchsperson kann denerhöhten p (O 2 ) mal gut vertragen,dann mal wieder schlecht (tagesformabhängig).• "kleinster gemeinsamer Nenner"= sichere Grenze 1.76 bar= 25 ft = 7.6 m mit reinem O 2fig. 1 aus Donald (1947, part 1, wikipedia)Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 13 von 22

Und heute? - Moderne Strategien zur Quantifizierung des erhöhten p(O 2 ):Der maximale p (O 2 ) hängt von der Dauer der Einwirkung ab.Kurzzeitverträglichkeit ("Paul-Bert-Effekt"):• CNS Uhr der NOAA:100 % O 2 Belastung werden erreicht bei:1.3 bar 3 Stunden1.6 bar 45 Minuten• Empfohlener Maximalwert p (O 2 ) = 1.6 bar• Nebenbemerkung: NOAA rechnet mit atm:1 atm = 1.013 barJJ-CCR Manual (2011)Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 14 von 22

Und heute? - Moderne Strategien zur Quantifizierung des erhöhten p(O 2 ):Der maximale p (O 2 ) hängt von der Dauer der Einwirkung ab.Kurzzeitverträglichkeit ("Paul-Bert-Effekt"):• CNS Uhr der NOAA:100 % O 2 Belastung werden erreicht bei:1.3 bar 3 Stunden1.6 bar 45 Minuten• Empfohlener Maximalwert p (O 2 ) = 1.6 bar• Nebenbemerkung: NOAA rechnet mit atm:1 atm = 1.013 barLangzeitverträglichkeit ("Lorrain Smith-Effekt"):• Konzept der OTU (= Oxygen Tolerance Unit).Auch: "REPEX Verfahren" (Hamilton, 1989)1 Tag OTU(max) = 850 OTU/Tag = 8501 Woche OTU(max) = 2660 OTU/Tag = 380• Maximale Dauerbelastung:p (O 2 ) = 0.5 bar (wahrscheinlich)oben: JJ-CCR Manual (2011)unten: Hamilton (1989)Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 15 von 22

Maximaler p(O 2 ) als Funktion der EinwirkzeitLettnin (2001): International Handbook of Mixed Gas DivingArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 16 von 22

StickstoffStickstoff ist ...• N 2• Hauptbestandteil unserer Atemluft(78 %, je nach Wasserdampfgehalt)• Inertgas = nimmt nicht an Austauschvorgängenim Körper teilInertgas-NarkoseWirkung auf Nervenzellen, Symptome:• eingeschränktes Urteilsvermögen, Selbstüberschätzung• Euphorie, Angst, Halluzinationen• nachlassende DenkfähigkeitBeim Tauchen mit Luft:• erste Effekte ab ca. 30 m Tiefep(N 2 ) = 3.2 bar• ab etwa 60 m Tiefe deutliche Einschränkung derintellektuellen Fähigkeitenp(N 2 ) = 5.5 bar• Limitierung von Luft-Tauchgängen meist auf 50 m• "40 m sind genug"• Therapie: höher tauchenTieftauchgänge: Stickstoff durch anderes Inertgas ersetzenArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 17 von 22

HeliumHelium ist ...• He• Edelgas, nimmt an keinen chemischen Reaktionen teil• Inertgas• 7.2 mal leichter als Luft (Dichte = 0.179 g/l unter Normalbedingungen)• 6 mal besser wärmeleitend als Luft (Wärmeleitfähigkeit = 0.15 W/m/K)• selten (Gehalt in der Atmosphäre = 5 ppm = 0.0005 %)• wird aus Erdgas gewonnen(kommt in manchen Erdgasen mit bis zu 7 Vol % vor)• nach Wasserstoff (H 2 ) das häufigste Element im UniversumArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 18 von 22

Tauchen mit He im Atemgas im Vergleich zu N 2• Narkosewirkung wesentlich geringer (Faktor 0.235)END = equivalent narcosis depth= equivalent nitrogen depth• Atemarbeit optimiert (geringere Dichte)• HPNS = High Pressure Nervous Sydromeoft beobachtet bei Tiefen > 200 m und hohen AbstiegsgeschwindigkeitenSymptome:• Zittern der Hände oder am ganzen Körper• Sehstörungen• Müdigkeit• Übelkeit• Sprachverzerrung• größere Auskühlung bei der Verwendung als Anzuggasaber: keine größere Auskühlung über die Atmung• schnellere Sättigung/Entsättigung gegenüber N 2• Halbwertszeiten N 2 : 4 min .. 635 min• Halbwertszeiten He: 1.5 min .. 240 minveränderte DekompressionsberechnungenProblem Gegendiffusion (Teil 2 des Vortrags)Armin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 19 von 22

Gasgemische beim Technischen TauchenGas O2 (%) N2 (%) He (%) Verwendung für ...Luft 21 78 0 SporttauchenDiluent beim CCReinfach und billigSauerstoff 100 0 0 Deko-GasCCRNitrox > 21 < 78 0 Nitrox Tauchen• "Safe Air" für höhere Sicherheitsreserven• oder längere TauchzeitenDeko-GasDiluent bei SCRTriOx > 21 < 78 > 0 Nitrox Tauchen ohne NarkosewirkungTrimix (normoxisch) 21 < 78 > 0 Tauchen ohne NarkosewirkungTrimix < 21 < 78 > 0 Technisches Tauchen in großen TauchtiefenVermeidung der Stickstoff- NarkoseTrimix Beispiel:Tx 12/6512 23 65 Technisches TauchenVermeidung der Stickstoff- NarkoseEinsatztiefe 6 m .. 90 mArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 20 von 22

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QuellenDonald (1947a): Oxygen poisoning in man - part 1 - brmedj03781-0003.pdfDonald (1947b): Oxygen poisoning in man - part 2 - brmedj03782-0008.pdfHamilton (1989): Tolerating exposure to high oxygen levels - REPEX and other methods.JJ-CCR Manual (2011): IART, International Association of Rebreather Trainers.Lettnin Heinz K. J. (2001): International Textbook of Mixed Gas Diving. Theory, Technique, Application. Best Publishing Company, 2ndprinting.NOAA Dive manual (2008)Rauen (2011): Decotrainer-Handbuch - Computer-Programm "Decotrainer" zur Berechnung der Sättigung beim Tauchen.(www.decotrainer.de)WikipediaArmin Rauen ● www.decotrainer.de ● 18.10.2013 ● Seite 22 von 22