Преодолевая глубину
Текст: Екатерина Хворова | 2014-04-02 | 13102
В любые времена были люди, готовые рисковать своей жизнью, чтобы раскрыть тайны природы. Один из таких людей – Ричард Пайл, ученый и дайвер, занимающийся изучением жизни на коралловых рифах. Из-за разницы давлений на суше и под водой сам ученый и его коллеги каждый раз при погружении на глубину подвергают опасности свое здоровье. Для снижения этого риска Ричард внедрил собственную революционную технологию глубоководных погружений.

 

Интерес к изучению удивительных морских животных проявился у Ричарда два десятилетия тому назад. В 19 лет он совершил одно из самых глубоководных на тот момент погружений, достигнув глубины чуть более 60 метров, и поймал рыбку, которая, как оказалось, была первым представителем своего вида, пойманной живой. Данная находка представляла собой нечто экстраординарное и определила дальнейшую судьбу ученого. Многое определил и случай, произошедший всего двумя днями позже. Из-за глупой ошибки Ричард получил декомпрессионную травму, которая привела его к практически полному параличу, начиная от шейного отдела позвоночника. Именно тогда Пайл осознал две, по его собственным словам, важные вещи: «Первое, что я понял: я все-таки не бессмертен. Для меня это явилось, скажу откровенно, шоком. Второе, что я понял – это то, что я узнал отчетливо и со всей возможной определенностью, что это было именно тем, чем я буду заниматься всю свою оставшуюся жизнь. Я должен был сконцентрировать все мои усилия и способности на поисках новых видов животных, обитающих на коралловом рифе». Он стал не просто ихтиологом, а чистосердечным фанатиком изучения рыб.

Ричард выявил один очень интересный момент. На сегодняшний день имеющиеся у человечества знания о водном мире, подводных растениях и животных добыты, по большей части, благодаря аквалангистам и подводным аппаратам. При нырянии с аквалангом большинство людей держатся на глубинах меньше 30 метров, так как рекомендуемой глубиной является уровень до 40 метров, а ограничением – 60 метров. Для проникновения на более значительные глубины биологи используют подводные аппараты, которые позволяют проникать на глубину до 600 метров. В силу дороговизны использования глубоководных аппаратов (стоимость одного дня аренды составляет около 30 тысяч долларов) применяют их на глубинах, куда невозможно проникнуть другим способом. Таким образом, практически все научные исследования с использованием подводных аппаратов проводятся на глубинах, значительно превышающих 150 метров. В связи с этим глубины от 30 до 150 метров остаются малоизученными, ведь для аквалангистов это слишком глубоко, а для подводных аппаратов – слишком мелко.

Пайл поставил задачу изу-чить именно эти глубины. Но для этого было необходимо усовершенствовать акваланг или придумать другой аппарат, позволяющий относительно безопасно находиться под водой.

Процесс его реабилитации после декомпрессионной травмы длился в течение года, и все это время Ричард, помимо оздоровления, занимался изучением физических и физиологических аспектов, связанных с процессом ныряния. Он стал искать возможность преодоления ограничений техники ныряния с аквалангом. Основное ограничение связано с законом Генри, в соответствии с которым помещенные в жидкость газы имеют свойство растворяться пропорционально парциальному давлению данных газов на жидкость, в которую они помещены. Для аквалангиста это означает следующее: чем глубже он погружается, тем больше воздух, которым он дышит, растворяется в его теле. Воздух содержит примерно 20% кислорода и около 80% азота. Кислород необходим для процесса метаболизма, организм использует его в качестве источника энергии. Азот из воздуха напрямую ни в каких жизненно важных процессах в организме человека не участвует, он просто находится в крови и тканях.

Когда человек стоит на поверхности земли (при нормальном давлении) он свободно дышит, как привык его организм. Проблемы начинаются при погружении под воду, так как чем больше глубина погружения, тем выше давление. На глубине 40 метров аквалангист испытывает на себе эффект давления, когда давление молекул газа, поступающих в легкие, повышается с каждым вдохом. Учитывая растворение газа в крови и тканях человека, на глубине 100 метров давление повышается примерно в 10 раз, и молекул газа в легких становится в 10 раз больше. Проблема связана с газами, которыми дышит аквалангист – кислородом и азотом. Так, при погружении из-за слишком высокой концентрации кислорода в теле возникает отравление, проявляющееся в виде приступа конвульсий, которое иногда приводит к смерти. Высокая же концентрация азота приводит к опьянению, что на глубине очень опасно, и чем больше глубина, тем больше опьянение. Ну и, кроме того, высокая концентрация азота зачастую приводит к декомпрессионным травмам.

Пайл решил, что часть проблем ныряния с аквалангом можно решить, если заменить азот в смеси для дыхания другим газом. Первоначально он выбрал для этих целей гелий, так как его молекула имеет маленький размер, он инертен и не вызывает отравления.

15 лет назад он начал реализовывать свою идею и создал аппарат для погружения на глубину до 100 метров. Со временем аппарат постоянно совершенствовался, и в конечном итоге получилось устройство с четырьмя баллонами с дыхательной смесью и пятью регулирующими вентилями, которые смешивают газы в нужных пропорциях и обеспечивают все остальные нужные процессы.

 

Этот аппарат использовался для погружения на глубину 100 метров и позволил изучить новые виды животных. Однако, несмотря на громоздкость и размеры аппарата, он не позволял находиться на глубине дольше 15 минут. Учитывая время на погружение и всплытие, 15 минут – это слишком мало для проведения серьезных исследований.

В 1994 году в работах по совершенствованию аппарата произошел кардинальный поворот: автор начал работу с прототипом рециркулятора замкнутого цикла. По словам ученого, именно такой прибор обладает тремя основными преимуществами. Во-первых, он тих в работе, не производит никакого шума. Во-вторых, он позволяет дольше оставаться под водой. В-третьих, он позволяет осуществлять более глубокие погружения.

Рециркулятор замкнутого цикла включает три основные системы: дыхательную петлю с 2-мя искусственными легкими, систему обеспечения газа и электронику. Самой главной системой является дыхательная петля – замкнутая система для дыхания ныряльщика, который дышит одним и тем же воздухом. Искусственные легкие, по сути, представляют собой упругие сумки, с помощью которых можно механически дышать, или осуществлять вентиляцию. Выдыхаемый ныряльщиком воздух выходит в выдыхательное легкое, а вдыхаемый – поступает из вдыхательного легкого. Таким образом в процессе дыхания воздух прогоняется через дыхательную петлю, в которой встроен резервуар абсорбции углекислого газа. Выделяемый в процессе дыхания углекислый газ проходит через химический фильтр и удаляется из дыхательной смеси. После удаления углекислого газа смесь вновь становится пригодной для дыхания.

Вторая важная составляющая – система обеспечения газа – необходима для восполнения использованного в процессе дыхания кислорода. Наиболее важным элементом этой системы является кислородный баллон. Для осуществления глубоководных погружений используется не обычный дешёвый воздух, а дыхательная смесь, состоящая из кислорода, разбавленного гелием. Для гелия используется более крупный баллон, который крепится на внешней стороне рециркулятора. В случае возникновения проблем с основным источником кислорода в рециркуляторе предусмотрен второй (дополнительный) кислородный баллон. Система газообеспечения включает множество вентилей и устройств, управляемых специальной автоматикой.

Правильная работа всех составных частей аппарата обеспечивается электроникой. Одним из важнейших компонентов рециркулятора являются датчики кислорода. Всего их предусмотрено три, что облегчает выявление поломки любого из них. С той же предусмотрительностью в аппарате используются три микропроцессора, каждый из которых может самостоятельно управлять системой, даже если два других выйдут из строя. Кроме того, в аппарат встроена аварийная система питания и множество мониторов, передающих различную информацию. Только такой сложный механизм и электроника позволяют проводить глубоководные погружения и исследовать те глубины, которые до этого оставались вне границ изучения.

Благодаря рециркулятору собственной конструкции ученый смог не просто поймать несколько новых видов рыб, чтобы, подняв их на поверхность, тщательно исследовать; он смог наблюдать за поведением подводных обитателей в их естественной среде обитания. Он отмечает, что: «… если вы внимательно исследуете трещины и полости, вы увидите множество мелких организмов, снующих повсюду. Открывающееся вам разнообразие на самом деле поражает воображение…». При всем многообразии животного и растительного мира, именно те их виды, средой обитания которых является 100-150 метров, остаются в большинстве своем новыми и не открытыми.

Ричард Пайл отмечает, что многие научные журналы, как, например «U.S. News and World Report», со всей серьезностью рассматривают проблему нехватки новых неизведанных областей исследований и невозможности для современных ученых делать реальные, интересные открытия. Будучи фанатом-ихтиологом, у него это вызывает приступ смеха, ведь в своей работе он практически ежедневно делает какие-либо открытия.

Так, за годы работы с коллегами, используя свой аппарат, Пайлу удалось открыть множество рыб, исследовать поведение обитателей глубин, новую экологию и целый ряд других, совершенно новых аспектов. Поражает скорость, с которой происходили открытия – до семи новых видов за каждый час пребывания на глубине. По расчетам исследователей, в одном лишь Индийско-Тихоокеанском регионе остается еще порядка двух с половиной тысяч новых видов рыб. В то время, как известно всего порядка 5-6 тысяч видов. То есть в природе существует еще значительная часть того, что человеку пока просто не известно.

Конечно, никакая техника не гарантирует полностью безопасного погружения, и до сих пор возникают смертельные случаи. Ричард Пайл относится к этому философски: «У каждого из нас есть две цели. Первая цель, которую мы разделяем со всеми другими населяющими эту планету организмами, – это выживание, выживание видов и выживание нас как отдельных организмов. Потому что и в том, и в другом случае обеспечивается непрерывность передачи генома. Второю целью для тех, кто успешно достиг первой, я называю «поиск радости» или стремление к счастью. Но вам нужно стремиться сбалансировать эти две цели. Не нужно слишком концентрироваться на достижении правила номер два, забывая при этом о цели номер один. Потому что если вы умрете, то уже вообще-то ничем насладиться не сможете».

 

Комментарий Валерия Гальетова, сертифицированного специалиста по ТРИЗ

 

Доклад Р.Пайла открывает поразительную картину борьбы человека с проблемами на пути в морские глубины. Познакомимся с поиском решений в этой борьбе.

 

Как жить там, где нельзя жить?

Тысячи лет стоит задача: освоить подводные континенты, открывающие бездну возможностей для человека. Есть проблема: невозможно долго находиться под водой без воздуха. И если возникла проблема – люди находят решение. Например, тренируют себя обходиться без воздуха как можно дольше. Но возможности человека всегда ограничены! А пробыть под водой хочется не минуты, а часы. Появляется  новое решение: взять воздух с собой. Сначала в мешке с воздухом из шкуры животного. Но в мешке много воздуха не унесешь. Возникает противоречие: мешок должен быть большой, чтобы было много воздуха, но такой мешок затрудняет погружение.

С развитием промышленности нашлось решение: сжимать воздух. Но до Второй мировой войны не было сосудов высокого давления с малым объемом. И только в 1943 году Жак Ив Кусто начал использовать акваланг – аппарат, где сжатый воздух находится в баллонах.

Но и у акваланга есть ограничение: он позволяет опускаться лишь до 40 метров. При подъеме с больших глубин возникает новая проблема – декомпрессионная болезнь (ДКБ). Вот как ее описал Ричард Пайл в книге «Исповедь смертного нырялы»: «Я мог лишь чуть-чуть пошевелить ногами, обе руки онемели, координация отсутствовала. Ощущалась четкая граница чувствительности – по грудь, как раз чуть пониже ключицы. Все, что ниже, было, как будто нижняя губа после заморозки у зубного врача – немым».

Но стремление в глубину осталось. И человек ищет новые решения!

 

Неравная борьба с ДКБ

В чем причина ДКБ? Мы дышим воздухом – смесью 20% кислорода и 80% азота. Погружение в воду меняет условия. Чем больше глубина, тем выше давление газа, и тем больше его растворяется в крови и тканевой жидкости. При подъеме ныряльщика с глубины падение давления заставляет растворенный в крови азот «вскипать». Образующиеся пузырьки перекрывают капилляры и преграждают доступ крови к тканям.

Есть проблема – находится решение: делать остановки при подъёме с глубин больше 40-ка метров. Но тут возникает противоречие: если погрузиться глубоко, то можно исследовать новые подводные миры, но очень долго приходится подниматься, делая остановки для декомпрессии. Пайл нашел решение: делать глубокие декомпрессионные остановки на глубинах, сильно превышающих рекомендуемые! И ему в этом помогли последствия перенесенной ДКБ (принцип «вред в пользу»).

 

Открытие Пайла

Нечаянно Р.Пайл сделал открытие: симптомы ДКБ никогда не возникали при возвращении на поверхность с экземплярами рыб! И наоборот, выходя без рыб, биолог страдал от проявлений ДКБ. Эта странная взаимосвязь заставила его задуматься о причине.

Оказалось, что поднимаясь наверх с живой рыбой, биолог старался сохранить ее неповрежденной (при подъёме с 60 метров плавательный пузырь увеличивается в 7 раз и повреждает  внутренние органы). И потому он периодически останавливался и выпускал избыток газа из пузыря при помощи полой иглы. Эту операцию он проделывал на глубинах, значительно превышающих глубину первой декомпрессионной остановки.

То есть его новый профиль всплытия включал в себя дополнительные 3 минуты  остановки на глубине. На основе своего опыта Пайл сформулировал рекомендации глубоководным ныряльщикам.

Как же встретили инновацию Пайла дайверы? Разумеется со скепсисом! Новое всегда воспринимается с трудом.

Но появлялись новые публикации, содержащие сведения, противоречащие классике декомпрессии.

Так, Брайан Хиллс наблюдал рыболовов, ныряющих  два раза в день, 6 дней в неделю в течение 10 месяцев в году на глубины порядка 100 метров!

По экономическим, а не научным соображениям рыболовы делали более глубокие остановки с меньшим общим временем декомпрессии. Хиллс предложил свою модель декомпрессии. Она также уменьшает общее время декомпрессии за счет остановок, сдвинутых в глубокую часть.

На роль первооткрывателей претендуют и подводные спелеологи. Необходимость длительной декомпрессии после многочасовых погружений в пещеры заставила их искать пути уменьшения времени остановок. Выполняя 6-часовое погружение в пещеру на глубину 85 метров, Ирвайн и Яблонски затратили в общей сложности 8,5 часов декомпрессии вместо 20 часов, требуемых традиционной моделью!

Оказывается, глубокие декомпрессионные остановки давно использовались опытными дайверами вопреки предписаниям классической теории!

 

 

 

Компьютеры против ДКБ

Планирование и контроль профиля погружения для дайверов жизненно важны. Нарушение плана погружений может вызвать  ДКБ и даже смерть. Раньше все расчёты производились вручную. С недавних пор на помощь дайверам пришел декомпрессиометр – компьютер для расчёта профиля погружения.

Он рассчитывает насыщение организма азотом, наименьшую безопасную глубину всплытия, глубины остановок для декомпрессии и время нахождения на них.

Декомпрессиометр – высшее достижение в борьбе с ДКБ! В нем используется даже уравнение Шрёдингера диффузии газов в жидкости.

Казалось бы, страшная ДКБ побеждена. Но какой ценой? Главная проблема – изменение внутренней среды человека – осталась не решенной. На этом пути боролись с последствиями неверного решения: «дышать под водой любой ценой!»

Посмотрим, нет ли других решений.

 

Идеальное решение близко!

Вернемся к исходной проблеме: надо дышать под водой, но как?

Решение: брать воздух с собой и очищать от СО2.

Оказывается, еще в 1879 году появился ребризер – аппарат для дыхания под водой. Он победно вторгся туда, где требовалась изоляция дыхательной системы от окружающей среды (пожарные, водолазы, военные, шахтеры, космонавты). Но в конце ХХ века акваланг и его сухопутные аналоги стали вытеснять ребризеры. Верх достижений – ребризеры с замкнутым циклом дыхания и электронным управлением. В них бортовой компьютер следит за показанием датчиков парциального давления кислорода и в зависимости от их показаний добавляет в контур кислород.

Но идеальное решение проблемы дыхания дайверов, скорее всего, находится в другой области – борьбы с углекислым газом в атмосфере.

Недавно Джеймс Кершо и Чед Гэрн разработали часы с устройством очистки воздуха от углекислого газа. За день они удаляют из воздуха около тонны вредного для человека газа! Или 42 кг. в час – половину веса дайвера!

 

Как искать решения без жертв?

Как можно было решать проблему дыхания под водой с помощью ТРИЗ?

Реконструируем исходную ситуацию: дана система «дайвер под водой». Задача: надо дышать в воде, но как? Для решения исследуем ресурсы – возможности в системе и среды.

Что вокруг дайвера? Вода. Есть ли кислород в морской воде? Да, в ней около 85% кислорода в связанном и растворенном виде.

Возникает идея: получать кислород в воде, а не возить под воду. Кислород из воды электролизом получают в школе. И есть промышленные электролизеры морской воды для получения гипосульфита.

Встает задача: создать электролизер для дайвинга на аккумуляторе. Попутно получаемый водород можно использовать для двигателя.

Предположим, электролизер построить не удастся. Как получать кислород из других ресурсов? Известно, что в связанном виде кислород входит в состав более чем 1400 минералов. Возникает новая идея – использовать  вещество, дающее кислород при разложении.

И она уже используется. В космических и подводных кораблях кислород получают из смеси пероксида натрия Na2O2 и супероксида калия KO2. При взаимодействии их с углекислым газом освобождается кислород.

Оказывается, если использовать смесь Na2O2 и КО2 в молярном отношении 1:1, то на каждый моль поглощенного углекислого газа будет выделяться 1 моль кислорода, так что состав воздуха не будет изменяться за счет поглощения кислорода и выделения СО2.

Таким образом решается и проблема удаления углекислого газа.

Мы проследили вкратце историю решения проблем дайверов на пути в глубины океана. Представьте, сколько жизней затрачено на поиск верных решений. Мы показали еще не путь – эскиз пути решения проблемы с помощью ТРИЗ.

Нужно ли в наше время платить жизнями за неудачные пробы и ошибки? Решайте сами.

 

Фото: Richard Carey / Fotolia.com, Mike / en.wikipedia.org, KVDP / en.wikipedia.org, Cosmic / Fotolia.com