Atemgas

(Update 29.08.2018: Wasser-Luft-Membran und Sauerstoff durch Elektrolyse hinzugefügt; the english version of the following chapter is available under “Breathing Gas Processing“) Dieser Artikel soll das Konzept zur Gewährleistung der geeigneten Habitat-Atmosphäre festlegen, das in den Calamar-Park-Modulen verwendet wird.

Zu den Grundlagen zum Thema Atemgas empfehlen wir den Wikipedia-Artikel „Atemgas“:

Einleitung

Richtwert für Stromkosten

Als Richtwert für die Kosten elektrischen Stroms können wir 0,25€ pro Kilowattstunde zugrunde legen.

Sauerstoff

Sollte keine Luft von der Oberfläche benutzt werden, wird es nötig sein, das notwendige Atemgas zu mischen. Dazu sind einige Überlegungen notwendig.

Sauerstoffbedarf eines Menschen

Ein Mensch hat ein Atemminutenvolumen von 8 l/min. Bei stärkerer Belastung (wie sie in einem Unterwasser-Habitat durchaus vorkommen kann) kann dies um das Drei- bis Vierfache steigen. Zur besseren Berechnung gehen wir von einem Atemminutenvolumen von 20 l/min aus, bei dem ein Mensch etwa 1 Liter Sauerstoff (O2) in Kohlendioxid (CO2) umwandelt.

Eine Sauerstoff-Flasche mit einem Volumen von 50 Liter unter einem Druck von 200 bar (50 x 200 = 10.000 Liter) würde einen Menschen mit einem Verbrauch von 1 l/min demnach 10.000 Minuten, oder 166,66 Stunden, also fast eine Woche (6,9 Tage) versorgen können.

Sauerstoff-Verfügbarkeit

Medizinischer Sauerstoff kostet etwa 0,02 €/l (Quelle: www.medizinischer-sauerstoff.de). Er wird in Flaschen von bis zu 50 Liter Inhalt angeboten und mit einem Druck von 200 bar (gelegentlich auch 300 bar) abgefüllt. Eine Med.-Sauerstoff-Flasche mit einem Volumen von 50 l unter einem Druck von 200 bar würde 200 € kosten.

Sauerstoff für Tauchzwecke, wie z.B. Air Liquide, kostet etwa die Hälfte (siehe: www.tauchausfug.de bzw. Tauchcenter Dortmund), also 0,01 €/l. Damit reduziert sich der Preis einer 50-Liter-Flasche mit 200 bar auf 100 €.

Für den Einsatz in unserer Unterwasserstation müssen wir folgende Parameter hinzurechnen:

  • Transport Habitat – Oberfläche – Land – Füllstation (Vertragspartner) und zurück
  • Regelmäßige Wartung der Anschlüsse (außerhalb des Habitats)
  • Regelmäßige Wartung der Flaschen und TÜV-Abnahme
  • Nutzbarkeit für Exkursions-Tauchgänge via Hookah, Rebreather oder Mischgas-Flaschen

Die Handhabung von Sauerstoff ist nicht ganz ungefährlich. Es ist daher zu bedenken, dass alle Einrichtungen entsprechend geplant und die Sauerstoff-Flaschen an der Außenseite des Habitats angebracht werden.

Kohlendioxid

Obwohl Kohlendioxid schwerer als Sauerstoff ist, ist die Befürchtung, es könnten sogenannte CO2-Nester in Bodennähe entstehen wohl eher vernachlässigbar, da durch die Luftbewegungen während eines Aufenthalts die Gase ausreichend durchmischt werden.

Normoxisches Gasgemisch (Normox)

Für diesen Begriff sind zwei verschiedene Bedeutungen belegt. Beim Trimix-Tauchen versteht man unter normoxischem Gasgemisch den „normalen Sauerstoffanteil im Gemisch, d.h. dieser ist gleich dem Anteil in der Umgebungsluft (somit 21%). Beim normoxischen Trimix wird garantiert, dass vom Gasvorrat in jeder Tiefe bis 60m geatmet werden kann und dank den 21% Sauerstoffanteil ohne Gaswechsel ein sicherer Aufstieg bis an die Oberfläche möglich sein wird. Trimixgemische, die zum Tauchen jenseits von 60m verwendet werden, müssen einen reduzierten Sauerstoffanteil enthalten, um ein Überschiessen der pO2 Limits zu verhindern. Solche Gemische können kurz unterhalb oder an der Oberfläche hypoxisch wirken. Sie werden demnach “Hypoxische” Trimix genannt.“ (Quelle: https://www.dekostop.ch/tauchen-know-how/technical-diving-mixed-gas-trimix/192-normoxisches-hypoxisches-trimix)

In der Aquanautik, also in gesättigtem Zustand, befindet sich bei einem normoxischen Gasgemisch (von „NORmal OXygen“) der Sauerstoff „unter einem Teildruck (=Partialdruck), der mit dem an der Wasseroberfläche, also 0,21 bar, identisch ist oder geringfügig darüber liegt“ (Koblick und Miller, 1984). Der Teildruck des Sauerstoff hat demnach also für jede Tiefe einen festen Wert. Durch ein normoxisches Gasgemisch wird das Risiko einer Sauerstoff-Vergiftung unter erhöhtem Druck (=größere Tiefe) beseitigt, während der Sauerstoffbedarf der Aquanauten gewährleistet wird.

Mit größeren Tiefen bleibt die Menge an Sauerstoff also gleich, obwohl der prozentuale Anteil am Gesamtgas sinkt.

Alternativen

Luftzufuhr von der Oberfläche

Bis zu einem bestimmten Tiefenbereich ist es sinnvoll, Luft von der Oberfläche ins Habitat zu pumpen. Die dazu benötigten Kompressoren verdichten zu diesem Zwecke Luft auf den Druck, der auf Einsatztiefe des Habitats herrscht, und pressen sie durch Umbilicals zum Habitat. Laut deutscher Wikipedia beträgt „die hygienische Mindestluftwechselrate etwa 0,3/h. Sie ist ein Mindestmaß für die Sicherstellung von Frischluft, unterhalb dem Geruchsprobleme, Staub- und Mikroorganismenbelastung sowie zu hohe Radonkonzentrationen auftreten können.

Demzufolge sollte das gesamte Volumen des Habitats also alle 3,3 Stunden* komplett ausgetauscht werden. Die in einem Umgebungsdruck-Habitat notwendige Fördereistung des Kompressors in l/min. errechnet sich also wie folgt:

oder

* dieser Wert ist zu überprüfen und je nach Vorgabe zu verändern

Kosten bei einem vollständigen Luftwechsel durch eine Luftzufuhr von der Oberfläche
EinrichtungKompressoren
Ersatzkompressoren
Getrennter Kompresssor für Exkursionen per Hookah
Gedämmter Kompressorraum in LSB (Boje) oder im Habitat
Operativregelmäßige Wartung
Strombedarf

Beispiel UWL Aquarius: Das UW-Labor Aquarius verfügt bei einem Volumen von etwa 77m³ (=77.000 Liter), befindet sich auf einer Tiefe von etwa etwa 20m (=3 bar) und verfügt über zwei Kompressoren mit jeweils 510 l/min. Fördervolumen, insgesamt also 1020 l/min. Somit ergibt sich eine Austauschrate von 226 Minuten oder 3,77 Stunden. Die Luft im Habitat könnte also alle 3 Stunden und 46 Minuten komplett ausgewechselt werden. Also:

Im Internet findet sich ein Artikel zur Luftwechselrate unter folgenden Links:

Wikipedia deutsch:
https://de.wikipedia.org/wiki/Luftwechselrate?oldformat=true

Wikipeda englisch:
https://en.wikipedia.org/wiki/Air_changes_per_hour?oldformat=true

Kohlendioxid-Wäsche durch Atemkalk

Atemkalk ist ein Granulat, das Kohlendioxid bindet. Dazu würde die Luft im Habitat per Lüftung durch einen Kanister mit Atemkalk geleitet, um das Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen. Natürlich muss das fehlende Volumen an anderer Stelle durch Sauerstoff wieder aufgefüllt werden, während der Stickstoff unverändert zirkuliert.

Wenn CO2 aus der Stationsluft gefiltert wird, nimmt die Gasmenge in der Station ab und der Innendruck würde fallen, wenn nicht Gas in Form von Sauerstoff oder Luft nachgeliefert wird. Das in einem Kalk-Absorber gebundene Kohlendioxid nimmt viel weniger Raum ein, als ein Kohlendioxidgas.

1 Liter Atemkalk absorbiert etwa 120 Liter CO2. Daraus ergibt sich eine Dauer von 120 Minuten = 2 Stunden Aufenthalt (bei einem Sauerstoffbedarf von 1l/min/Person). Er kostet etwa 5,33 €/l (Atemkalk „Spherasorb“, Juni 2018). Bei 24 Stunden werden also 12 Liter Atemkalk zum Preis von etwa 63,96 € benötigt. Bei sechs Personen ergibt sich eine Menge Atemkalk von 72 Liter/Tag, also ein Gesamtpreis von 383,76 €/Tag.

Atemkalk ist nicht regenerierbar, muss also nach der Benutzung entsorgt bzw. zum und vom Habitat transportiert werden. Die Sättigung des Atemkalks wird durch einen Indikator angezeigt, durch den sich der Atemkalk verfärbt. Der Vorgang ist exotherm, es entsteht dabei also Wärme.

Um die Luft im Habitat frei von CO2 zu halten, muss das gesamte Innenvolumen des Habitats alle 3,3 Stunden* komplett durch den Wäscher geleitet werden. (* dieser Wert ist zu überprüfen und je nach Vorgabe zu verändern; siehe dazu auch „Luftzufuhr von der Oberfläche“)

Kosten für die Beseitigung von CO2 durch Atemkalk
EinrichtungWäscher-Geräte
Belüftungs-System
Operativ Wartung der Einrichtung
Atemkalk pro Tag/Person63,96 €
Strombedarf Lüftung
Transportkosten der Container
Entsorgung des gesättigten Kalk
Kosten zur Sauerstoffzufuhr

Die Funktionsweise von Atemkalk wird anschaulich auf folgender Webseite erklärt: http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/17_10.htm

Kohlendioxid-Wäsche durch Monoethanolamin (MEA)

Als Medium zur CO2-Wäsche bietet sich auch Monoethanolamin (MEA) C2H7NO an. Dazu wird die Habitat-Luft in eine Kammer geleitet, in die gleichmäßig MEA gesprüht wird. Die Chemikalie bindet das CO2, während die gesäuberte Luft vor der Rückführung ins Habitat im gleichen Maße mit Sauerstoff versetzt wird.

Image Source: [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) oder CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons, User Mbeychok

Die Regeneration der Amine geschieht durch Erhitzung auf etwa 260ºC (500ºF), während der das CO2 wieder freigesetzt wird und später entsorgt werden kann. Eine Möglichkeit zur Regeneration ist der Transport zur Wasseroberfläche, die Erwärmung durch Sonnenenergie und die Rückführung zum Habitat. Für die Nacht wäre dann ein entsprechender Tank notwendig. Ein anderer Vorschlag war der Einsatz eines Mikrowellenofens.

Ein Grund, Amine eher zu vermeiden ist die Wahrscheinlichkeit, dass eventuell austretende Aerosole durch die Verwandtschaft von Aminen mit Ammoniak bzw. Salmiak stechend riechen könnten, auf Dauer gesundheitsschädigend sein und bestimmten Bakterien Nährboden liefern könnten. Zur Lösung dieses Umstands könnten Aktivkohle-Filter dienen.

Ein zu berücksichtigendes Thema ist die Art und Weise, in der Gas/Luft und Amine eingeleitet werden. Wenn beide Komponenten gegeneinander zugeführt werden, so spricht man von Gegenstrom. Weil dabei die Amine durch die passierende Luft verwirbelt werden, besteht auch ein höheres Risiko von Aerosolen, die sich möglicherweise schädigend auf die Gesundheit auswirken könnten. Wenn sowohl das Habitat-Gas als auch die Amine von oben eingeleitet werden, so dass Amine und Gas nebeneinander strömen, spricht man von Gleichstrom. Durch den großen ‚Appetit‘ der Amine auf Kohlendioxid ist die Stromrichtung für die CO2-Aufnahme ohne Relevanz. Daher sollte eine Gleichstrom-Anlage bevorzugt werden; die Amine werden also genauso wie die zu säubernde Luft von oben eingesprüht und unten abgeleitet.

Ein Amine-Wäscher dürfte etwa die Größe eines mittleren Pressluft-Kompressors für Tauchflaschen haben.

An Zellulose gebundene Amine: Es besteht die Möglichkeit, Amine an Zellulose zu binden, und die Luft durch diese Membranen zu leiten. Dadurch bräuchte man keine Flüssigkeit im Kreis zu pumpen und würde Spritzer und Aerosole vermeiden.

Climeworks: Die Schweizer Firma Climeworks baut Anlagen, die auf ähnliche Weise jedoch im wesentlich größeren Maßstab CO2 aus der Atmosphäre filtern. Kleinere Anlagen, die auch für ein Unterwasser-Habitat in Frage kommen würde, haben die Kapazität, 135 kg CO2 pro Tag aus der Luft zu filtern und entwickeln dabei einen Geräuschpegel von 70db. Die Regeneration erfolgt über 100°C heißes Wasser. Eine Demonstrations-Anlage hatte eine Kapazität von etwa 40kg und wäre auch dann noch ausreichend für ein UW-Habitat. Die Firma hat einen Internet-Auftritt unter folgender Adresse: http://www.climeworks.com/our-technology/

Amine-Wäscher an der Oberfläche: Ein Vorschlag sah vor, die Amine-Wäscher an der Wasseroberfläche in entsprechenden Bojen zu positionieren. Das Habitat wäre über Leitungen mit ihnen verbunden. Die Regeneration würde über Sonnenenergie bewerkstelligt.

Beispiele: In U-Booten wie der USS Nautilus werden MEA-Wäscher eingesetzt. Da es sich bei dabei um ein atomgetriebenes Boot handelt, steht auch genug Wärme zur Regeneration bereit. Unter folgendem Link finden sich diverse Einzelheiten dazu:

https://www.ussnautilus.org/education/pdf/stemlessons/harris%20_How-Do-Submariners-Breathe-Underwater.pdf

Kohlendioxid-Wäsche durch Meerwasser

Ein Vorschlag betraf die Eigenschaft von Fischen, Sauerstoff aus dem Wasser aufnehmen und Kohlendioxid ins Wasser abgeben zu können. Wäre daher ein System zu Reinigung der mit CO2 angereicherten Luft durch ein Einsprüh-Verfahren von Meerwasser möglich?

Eine solche Anlage sollte im Gegenstrom arbeiten, d.h. die Luft wird von unten zugeführt, während das Wasser von oben eingesprüht wird. Auf diese Weise passiert die Luft vor dem Austritt das gerade zugeführte, frische Wasser. Im Gleichstrom würde die Luft zuletzt das schon durch CO2 verschmutzte Wasser passieren.

Zu diesem Zwecke wurde von Calamar-Park ein Simulationsprogramm angefertigt, das neben vielen anderen Parametern die notwendige Wassermenge bei einer variablen Zahl von Aquanauten und Tiefenmetern berechnet. Daraus geht hervor, dass zur CO2-Wäsche von beispielsweise 2 Personen auf einer Tiefe von 20m etwa 751 Liter Meerwasser nötig wären (siehe Screenshot bzw. korrespondierender Artikel und Original-Simulationsprogramm im Anhang (in Arbeit)).

Zuleitung und Einsprühung von Meerwasser in diesen Mengen könnte realisierbar sein, würde jedoch einen nicht zu unterschätzenden Lärm verursachen und relativ viel Platz beanspruchen, so dass ein eigener, gut isolierter Wäscher-Raum notwendig wäre.

Beispiel für einen möglichen Pumpentyp: Die „Flygt Tauchmotorpumpe Ready 4“ hat einen Energiebedarf von 0,42kW, eine Leistung von 240 l/min. Und kostet 541 €. Unter folgendem Link sind Einzelheiten abrufbar:

https://www.hkl-baushop.de/Produkte/Wasser-und-Pumpentechnik/Tauchpumpen/Flygt-Tauchmotorpumpe-Ready-4.html?userInput=Flygt&ignoreForCache[]=userInput&queryFromSuggest=true&ignoreForCache[]=queryFromSuggest

Kosten für die Beseitigung von CO2 durch Meerwasser
EinrichtungPumpe 1 (Standard)541€
Pumpe 2 (Standard)541€
Pumpe 3 (Redundanz)541€
Pumpe 4 (Redundanz)541€
Wäsche-Behälter500€ (?)
Belüftungs-System3000€
Gedämmter Wäsche-Raum
OperativWartung der Einrichtung
Strombedarf Pumpen 5,04€/Tag (0,25€/0,42€) x2 x24h
Strombedarf Lüftung
Kosten zur Sauerstoffzufuhr

Photosynthese

Aquanaut und Abenteurer Lloyd Godson nutzte in seinem BioSub-Projekt eine Biocoil zur Gasbehandlung. In diesem System sollen Chlorella-Algen in einer Spule aus transparenten Röhren Kohlendioxid in Sauerstoff umwandeln. Obwohl es eine sehr beeindruckende Idee war, funktionierte das System nicht zufriedenstellend. Alle Details über das Biocoil-System finden sich im entsprechenden früheren Artikel.

Dennoch verdient es die Idee, weiter verfolgt zu werden. So tauchen immer wieder Vorschläge von Bio-Modulen auf, die Kohlendioxid und Schadstoffe aus der Luft entfernen, Sauerstoff produzieren und idealerweise die Lebensmittel-Versorgung unterstützen.

Zu ergänzen: BIOSMHARS, Bios-Experimente, Orta di Nemo, Eden Project

Wasser-Luft-Membrane

Zwischen 1972 und 1973 experimentierten Wissenschaftler aus der Sowjetunion in einem Projekt namens Selena mit einem Unterwasser-Zelt, dessen Membran (möglicherweise aus Polytetrachlorethylen) durchlässig für Kohlendioxid und Sauerstoff sein sollte. Im dritten Teil dieser Projektreihe wurde zudem eine “künstliche Kieme” getestet, die den Gasaustausch mittels Meerwasser bewerkstelligen sollte. (Miller und Koblick, 1984) Über die Ergebnisse dieser Experimente ist nichts bekannt, man kann aber davon ausgehen, dass ein erfolgreicher Abschluss zur Entwicklung neuartiger Systeme geführt hätte, die  offensichtlich nicht existieren.

Sauerstoff durch Elektrolyse

Bei einer Elektrolyse wird wird ein elektrischer Gleichstrom durch zwei Elektroden in eine leitfähige Flüssigkeit geleitet. An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse Reaktionsprodukte aus den im Elektrolyt enthaltenen Stoffen. Die Elektrolyse von Wasser zerlegt dieses in Sauerstoff und Wasserstoff. ( de/en)

Eine Elektrolyse hat einen hohen Energiebedarf. Wenn diese vorhanden ist, ist die Erzeugung von Sauerstoff mit diesem Verfahren sehr praktisch. Allerdings ist dazu destilliertes Wasser nötig, was sich aber leicht selbst herstellen lässt. Bei der Elektrolyse fällt auch Wasserstoff an, den man zum Beheizen des Destillationsapparats verwenden könnte. Dieser sollte sich jedoch an der  Wasseroberfläche befinden und den Sauerstoff aus der Atmosphäre benutzen. Elektrolyse wäre demnach etwas, wenn das Habitat fernab von Allem steht, man keinen Kompressor für die Luftversorgung von oben hat und keinen Sauerstoff in Flaschen.

Vorgehensweise für das Calamar-Park-Habitat

(Abschnitt in Arbeit)

Voraussetzungen

Alle bisherigen und zukünftigen Konzepte müssen folgende Aspekte gewährleisten:

  • Eine störungsfreie Versorgung mit Sauerstoff
  • Die Entfernung von CO2 aus der Atemluft
  • Die Entfernung von schädlichen Verunreinigungen
  • Eine gleichmäßige Versorgung aller Habitat-Bereiche

CO2-Wäsche (scrubber):

  • Verfügbarkeit des Wäsche-Mediums
  • Energiebedarf des Wasch-Vorgangs
  • Methode und Energiebedarf des Regenerations-Vorgangs
  • Lärm-Entwicklung der technischen Geräte (Kompressoren etc.)
  • Wartung der technischen Geräte (vor Ort, Bergung, Verfügbarkeit von Ersatzteilen etc.)
  • Redundanz (Überbrückung bei Ausfall technischer Komponenten)
  • Gesamtkosten für die Gewährleistung ausreichenden Atemgases pro Person

Ausstiege bzw. Exkursionen

  • Methode: Hookah (per umbilical zum Habitat) oder per Taucherflasche
  • Füllung der Tauchflaschen
  • Notsysteme (z.B. bei Sturm)
  • Luftentfeuchtung

Ausstehende Abschnitte

  • Ermittlung der besten Kombinationen per „Branch-and-Bound“-Baum
  •  Luft-Aufbereitung per Photosynthese
  •  mögliche Kombinationen

Weitere Quellen

  • US Navy Diving Manual Rev. 7
  • Living and Working in the Sea (Ian Koblick and Jim Miller)
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One Reply to “Atemgas”

  1. Per Mail geschickter Kommentar von Mike:

    Gerüche, Luftfeuchte und ein allgegenwärtiger Biofilm hängen auch mit der Atemgasversorgung zusammen. Wer mal mit dem Schiff eine Woche in warmen Gewässern unterwegs war, der erinnert sich sicherlich an den Schmierfilm, welcher sich auf allen Oberflächen gebildet hat. Hauptsächlich entsteht der aus Bakterien, die bei 100% Luftfeuchte und Wärme ideale Bedingungen vorfinden. Trockenere Luft hemmt die Bakterien und man als Mensch fühlt sich gleich viel wohler, wenn die Luft nicht so feucht ist, dass die Kleidung auf der Haut klebt. Auf Schiffen spürt man den Unterschied, wenn die Kabinen klimatisiert sind. Klimaanlagen sind Energiefresser, aber wenn man schon einen Kompressor für die Luftversorgung von der Oberfläche hat, kann man damit auch die Luft etwas entfeuchten. Man muss dazu die Luft stärker komprimieren, als man eigentlich braucht, dann durch einen Wasserabscheider leiten (ein großer druckfester Topf mit etwas Stahlwolle drin) und dahinter auf den niedrigeren Druck im Habitat entspannen.

    Aktivkohle zum Beseitigen von Gerüchen ist relativ teuer, vor allem, wenn man weit von der Zivilisation entfernt ist. Man kann auch mit trockenen Schalen von Früchten und Nüssen experimentieren, um einen brauchbaren Biofilter zu bauen. Ein guter Komposthaufen riecht nicht, heißt es ja, weil darin Bakterien leben, die sogar noch die Geruchsstoffe aus den Abbauprozessen beim Kompostieren wieder verstoffwechseln. So eine Biologie muss man sich im Habitat auf den Schalen und Fasern anzüchten.

    Unterm Strich muss man sich immer die Umgebung des Habitats anschauen, um das richtige System zur Atemgasversorgung zu finden. Ist das Land nah dran oder weit weg? Kann man reinen Sauerstoff und Atemkalk vor Ort kaufen? Scheint jeden Tag die Sonne? Darf man laute Maschinen betreiben? Auch diese externen Faktoren muss man berücksichtigen, wenn man die passende Atemgasversorgung auswählt.

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