Saturační potápění – projekt Hydronaut

Overview

V historii saturačního potápění zaujalo po Francii a USA v šedesátých letech dvacátého století třetí místo Československo. Rekordní ponor projektu Permon (102 hodin v 25 metrech) proběhl v roce 1967.

Projekt Hydronaut, spojující saturační pobyt se simulací pobytu v kosmu, byl publikován roku 2010. Dokončuje se obytný modul a byl posouzen zdravotní a psychický stav pěti potápěčů, z nichž tři budou trávit v hloubce 7 dnů. Limitem hloubky mise bude riziko kumulativní kyslíkové plicní toxicity. Při dýchání vzduchu může být modul maximálně ve 20 metrech. Vzhledem k rozpuštěným plynům v tkáních bude nutné při výstupech z modulu dodržovat maximální změnu hloubky v rozsahu 10 metrů. Konečná dekomprese by mohla trvat asi 35 hodin s 12 zastávkami stupňovanými po 1,5 metru.

Konečným cílem projektu Hydronautu bude výzkum vlivu stresové zátěže při pobytu v uzavřeném, izolovaném, omezeném a nebezpečném prostředí. Plánem je zavést kurz speciální fyzické a psychologické přípravy, který bude využívat poznatky ze saturačního potápění, ale i z analogických kosmických studií. Hlavní ambicí projektu je přispět poznatky do oblasti evropských pilotovaných kosmických letů.

Klíčová slova:
dekomprese – dekompresní nemoc – dusík – kosmický let – kyslík – plicní toxicita – potápění – saturace – vzduch

Úvod

Potápění s využíváním techniky začalo postupným zaváděním potápěčských zvonů k podvodním pracím v 18. století. V 19. století byl objeven a postupně zdokonalován skafandr. Současně se řešila problematika tlakových lahví a regulátorů i užití kyslíku a pohlcování oxidu uhličitého v uzavřených okruzích dýchacích přístrojů. Objevily se i první potápěčské ploutve a masky. Přesné popisy dekompresní nemoci (DN) z kesonů pochází z této doby včetně návrhů léčby rekompresí a užitím kyslíku. J. S. Haldane popsal lidské tělo vystavené saturaci/desaturaci tlakem plynů jako řadu modelových tkání (kompartmentů) a vytvořil první dekompresní tabulky v roce 1908. V období mezi světovými válkami se tvořily technické základy dnešního potápění a proběhly první hloubkové ponory s užitím hélia. Koncepce saturačního potápění (plného nasycení tkání inertním plynem) byla rozvíjena především americkým námořnictvem. První pokus proběhl v roce 1938 v komoře s pobytem ve 30 metrech po dobu 27 hodin [24]. Přes pomalou dekompresi během 11 h se objevila DN a byla nutná rekompresní léčba. Po roce 1945 se začaly provádět rozsáhlé experimenty k vytvoření praktických dekompresních tabulek [25–27]. Bylo zjištěno, že každý tkáňový kompartment má odlišný tlakový limit, při kterém ještě nevzniká DN. Praxi mořských výzkumných stanic zahájil J. Y. Cousteau projektem Précontinent v letech 1962–1964. Týmy „akvanautů” trávily řadu dnů v hloubkách 10–100 m. Kosmický program USA byl podnětem projektů Sealab v roce 1965. Poznatky posloužily při výstavbě orbitální stanice – Skylab. Historicky třetí zemí v pořadí výstavby hlubinných obydlí se stalo Československo. Český potápěč, P. Gross, strávil v podvodním „stanu“ 72 hodin v 6 metrech v Jaderském moři (projekt Xenie v roce 1965). Potápěč, J. Mergl, strávil tři dny v podmořské stanici v hloubce 15 metrů v blízkosti Havany (projekt Caribe v roce 1966). Nejrozsáhlejším projektem byl Permon. Bánští potápěči a záchranáři (J. Dvořáček, K. Hodeček, F. Hejnyš a M. Kríž) strávili v „hloubce“ 25 metrů v ostravské přetlakové komoře 87 hodin (1966). Následovaly ponory s potápěčským zvonem v bazénu a pobyt v přetlakové komoře (24 m/31 h). V zatopeném lomu ve Svobodných Heřmanicích strávila dvojice akvanautů (V. Kocián a V. Geist) v pětitunové kabině o prostoru 5 m³ 80 hodin v 10 metrech. Konečný výstup trval 2 hodiny při dýchání kyslíku. Rekordní byl jejich pobyt 102 hodin v hloubce 25 metrů při dýchání směsi 10,5% kyslíku a 89,5% dusíku (1967). Výstup byl proveden vynořením celé kabiny. Ve světě byla šedesátá léta minulého století ve znamení saturačních experimentů (Hydrolab, Tektite, Genesis, Man in the Sea, Conshelf, Glaucus, Cachalot, Tektite, La Chalupa atd.). Posledním příbytkem na mořském dně je od roku 1986 modul Aquarius Národního úřadu pro oceány a atmosféru USA (NOAA). Slouží jako výzkumná laboratoř umístěná v podmořské přírodní rezervaci [4, 5]. Probíhal zde i výcvik astronautů NASA se simulací dlouhodobého pobytu v izolovaném a nebezpečném prostředí. Komerční mise dnes zahrnují desetidenní pobyt zájemců v hloubce 63 stop. V současnosti je saturační potápění běžnou rutinou řady společností, zejména při těžbě ložisek ropy a zemního plynu [9]. Výhodou je možnost dlouhodobé práce pod vodou bez přerušování dekompresemi a přestávkami. Existuje propracované pracovní potápění s užitím hélia a systémy propojených stabilních tlakových komor na palubě lodí, na které se připojují mobilní hlubinné kabiny. Umožňuje to suché komprese i týdenní dekomprese v komoře, přesuny v tlakovaném modulu dolů a nahoru, práce i odpočinek ve vícesměnném „natlakovaném“ provozu atd. [9, 14, 15, 21].

Projekt Hydronaut

Na astronautickém kongresu v Praze v září 2010 byl představen koncept ponorné stanice – hlubinného habitatu, určeného pro dlouhodobý pobyt šesti lidí (Hydronaut I). Autorem byl pracovní potápěč M. Šanda. Ideou bylo vytvořit v Česku zařízení určené primárně pro výcvik astronautů Evropské kosmické agentury (ESA). Pro nedostatek finančních prostředků vznikla skromnější verze – Hydronaut III (H3). Šanda a další nadšenci – potápěči, vědci ale i laici začali s výstavbou v rámci občanského sdružení Hydronaut – Centrum kosmického výzkumu. H3 by měl umožňovat dlouhodobý pobyt tříčlenné posádky (hydronautů) v podmínkách hyperbarického prostředí pod hladinou se simulací některých aspektů kosmických misí, zejména vlivu pobytu v izolovaném, uzavřeném a nebezpečném prostředí. Hydronauti budou plnit nejrůznější úkoly jako během kosmického letu. Budou se vydávat ven, mimo „loď“, na výstupy do „volného prostoru“. Budou řešit simulované nouzové situace, potýkat se s nehostinným a stísněným prostředím. Výhodou H3 bude jeho mobilita, umožňující umístění do různých vodních prostředí. Inspirací pro první demonstrační misi (M1), je plán zachycení asteroidu a vyslání kosmické lodi s astronauty pro odebrání vzorků. Při M1 proběhne simulovaný sedmidenní let k asteroidu, tj. zanoření H3 se dvěma výstupy hydronautů. Při prvním proběhne inspekce „lodi“ a při druhém dvojice odebere vrtem vzorek „asteroidu“. Při pobytu budou také ověřovány různé postupy a možnosti H3 (nouzové situace, monitorování zdravotního stavu, mediální telekonference atd.). Mise bude zakončena pomalou dekompresí. Před M1 proběhne ještě „suchý ponor“ s ověřením činností hydronautů v izolaci. Prázdný H3 bude prověřen testovacím ponorem. Realizace M1 je předběžně plánovaná v roce 2015. Ponor však ještě závisí na řadě technických a ekonomických faktorů.

Parametry H3

H3 má půdorys o průměru 4,8 m a výšku 7 m. Hmotnost modulu je 30 t a výtlak 20 m³. Obyvatelným prostorem je vodorovný válec o průměru 2,6 m a délce 4,6 m, je napojen na svislou přechodovou komoru o výšce 3 m a průměru 1 m. Podpora života bude zajištěna nezávislou regenerací dýchacího média se zásobováním dýchacím plynem z hladiny nebo z 20 záložních tlakových lahví (40 l/200 bar). K elektrifikaci (24 V/12 V) bude sloužit vedení z hladiny, případně záložní baterie (24 V/500 Ah) na 3 dny činnosti.

Výběr hydronautů

V říjnu 2013 proběhlo vyšetření pěti hydronautů v Ústavu leteckého zdravotnictví. Všichni byli zkušenými profesionálními potápěči (stáří: prům. 40 let, s = 7,3, rozpětí 35–53). Vyšetření a posuzování proběhla podle požadavků na potápěče [1, 2, 6], včetně bicyklové ergometrie, spirometrie a ultrazvukového vyšetření srdce. Kontraindikace M1 nebyla u nikoho, vedlejšími nálezy byly hyperlipidémie a sklony k hypertenzi v zátěži. Psychologické vyšetření sledovalo psychomotorickou a kognitivní výkonnost, rozumové schopnosti a osobnostní strukturu. Dva potápěči byli plně schopni M1, u ostatních byla nalezena menší způsobilost s možností konfliktů. Vhodní kandidáti M1 byli vybráni skupinou psychologa, potápěčského lékaře a zdravotního manažera.

Doporučení pro M1

Řada omezení M1 bude souviset s dýcháním vzduchu v přetlaku a působením jeho složek, především kyslíku a dusíku.

Toxicitu kyslíku lze snížit omezením doby pobytu v přetlaku, nebo jeho nižším parciálním tlakem. 21 % objemu kyslíku ve vzduchu má na hladině parciální tlak 21 kPa, ve 20 m 63 kP a ve 30 m 84 kPa. Tyto hodnoty vylučují akutní otravu kyslíkem s postižením CNS (popsanou P. Bertem roku 1878), která začíná až od 140–160 kPa. Po delší době ale hrozí kumulativní otrava kyslíkem s postižením především plicní tkáně (objevenou L. Smithem roku 1899). Ta začíná drážděním v dýchacích cestách, dušností a záchvaty suchého kašle. Dochází také k omezení poddajnosti plic a poklesu plicní kapacity, posléze nastává otok plic s poruchou výměny plynů až dušení. V plicní tkáni nastává po počátečním prosáknutí zánět, tvorba tekutiny ve sklípcích a destrukce endotelu. Pokračující expozice znamená proliferativní fibrózní změny s nenávratnou respirační nedostatečností [22]. Parciální tlak kyslíku by při dlouhodobé expozici neměl překročit 50 kPa [16], což odpovídá hloubce 14 m. Pro profesionální saturační potápění se hodnoty mají pohybovat mezi 44–48 kPa [23]. Pro plicní toxicitu kyslíku se užívají jednotky podle NOAA (1 OTU = 1 min dýchání kyslíku tlaku 100 kP). Obecně se doporučuje nepřekračovat denně 300 OTU [11, 15]. Ve 20 metrech dosahuje expozice 532 OTU/den, ve 30 metrech 1066 OTU/den. Pro vícedenní potápění je doporučeno maximálně 850 OTU na první den, další dny se hodnoty se snižují, od desátého dne denně je limit 300 OTU. Pro hloubku 20 metrů by byla doporučená dávka překročena až v šestém dni (tab. 1). V M1 bude tento den již probíhat dekomprese spojená s nižším zatížením kyslíkem.

Doporučené parametry vypracované NOAA pro dlouhodobé pobyty v hlubinných habitatech byly ověřeny [10]. V přetlaku byl udržován parciální tlak kyslíku mezi 30–35 kPa s odpovídající obsahem kyslíku 12–14 % v 15 metrech a 9–10% v 25 metrech.

Pobyty v modulu Aquarius (10 dnů v 19 metrech) s tlakem kyslíku 61 kPa, tj. až 4 067 OTU naznačují, že limity NOAA (doporučeno 3 100 OTU) jsou možná přehnané. Při plánovaní M1 nebude však možno překračovat hloubku 20 metrů. Pro dlouhodobější pobyty H3 by bylo vhodné buď snížit hloubku, nebo snížit obsah kyslíku v dýchané směsi [11].

Vlivy dusíku budou souviset jen se saturováním tkání během sedmi dnů M1 (narkotický vliv lze pominout). A ani přesné a složité výpočty však nemusí předvídat správně chování lidského těla, proto by bylo nejvýhodnější dodržovat ověřené postupy z pracovního potápění [8]. To ale dnes užívá jako nosný plyn helium, které má 2,6krát rychlejší rozpouštění v kapalinách, a tím i rychlejší saturaci i desaturaci v tkáních. Rozpouštění plynů v kapalinách popisuje vztah [17]:

p(t) = (p₁–p₀) . [1-exp(-ln(2).t/t_1/2)] + p₀

Při výpočtech u saturace stačí brát v úvahu jen kompartment s nejdelším poločasem („nejpomalejší tkáň“) jako řídící tkáň. Podle dekompresní tabulky (publikované A. A. Bühlmannem roku 1986) je to kompartment 16 s poločasem saturace/desaturace t_1/2 = 635 min. V hloubce 20 metrů dochází k plnému nasycení po třetím dnu (tab. 2).

Při výstupu z hloubky 20 m snáší kompartment 16 podle výpočtu určité přesycení, bez DN při tlaku 199 kPa, což odpovídá hloubce zhruba 10 m. V projektu REPEX s výstupem z 15 metrů, ale saturací dusíkem odpovídající 18 metrům (pro zvýšený podíl dusíku v dýchané směsi), byl povolen dobou neomezený výstup do 11 metrů, do 9 metrů hodinový atd., až do 1,5 metru na 13 minut. Sestup na dobu až 6 hodin byl povolen do 27 metrů, maximální ponor do 38 metrů až na 92 minut atd., bez dekompresní zastávky a za předpokladu intervalu mezi ponory minimálně 16 hodin. Do závěrečné dekomprese se započítávaly hlubší ponory z předchozích 36 hodin. U stanice Aquarius je povoleno potápění do hloubky 28 metrů na dobu 3 hodin. Denní maximum je 6 hodin potápění, 2 ponory za den s přestávkou v modulu na 4 hodiny. Den před závěrečnou dekompresí se dodržuje přísnější regulace a posledních 28 hodin se ne­opouští modul. Pro H3 bude tedy vhodné podobné omezení potápěčských prací se změnou hloubky cca ± 10 m a dostatečně dlouhá přestávka mezi výstupy (6–8 hodin), před závěrečnou dekompresí však nejméně 32 hodin. Při závěrečném výstupu dochází nejen k postupnému uvolňování rozpuštěných plynů difuzí z tkání, podle tlakového spádu směrem do plicních sklípků, ale přidává se tvorba bublin. Jejich množství a objem rozhoduje o rozsahu biologických dějů až DN, přímý výstup není možný [18]. Saturační potápění s helioxem počítá zhruba s jedním dnem na výstup na každých 30 metrů hloubky v tlakových komorách na lodi pomalým plynulým poklesem tlaku. Při dekompresi M1 výstupem modulu bude vhodnější stupňovitá dekomprese se zastávkami. Pro ni existují dekompresní postupy pro práci v kesonech, které se ani po letech nezměnily [3]. Tabulky zveřejnil v roce 1985 National Institute for Occupational Safety and Health USA (NIOSH) ke zvýšení bezpečnosti a eliminaci akutních i chronických postižení po 8hodinové práci v hloubce až 35 metrů, poslední tabulka G-3C je určena pro delší a saturační expozice [7]. Saturační tabulky NOAA byly ověřeny nejen monitorováním DN, ale i ultrazvukovou detekcí bublin [12]. Podobně odvozená dekomprese M1 z hloubky 20 merů by mohla trvat asi 35 hodin s 12 zastávkami (tab. 3), s přechodem mezi nimi během 2–3 minut.

Doba dekomprese je mnohem delší, než je uváděna u Aquaria, kde pozvolný pokles tlaku uvnitř modulu a následný volný výstup na hladinu trvá asi 17 hodin [4]. Jinde je uváděno 15 h 45 min a následný výstup v potápěčské výstroji [5]. Po ukončení výstupu M1 bude nutno stále počítat s rizikem DN a dodržovat některá opatření. Mělo by následovat 12 hodin pod lékařským dohledem, bez fyzické zátěže a horké sprchy a minimálně 48 hodin se nesmí létat [4]. V doporučeních pro pracovní saturační potápění je zmiňován pobyt po ponoru minimálně 2 hodiny v blízkosti dekompresní komory a 48 hodin se zdržovat v dojezdu komory do 30 minut, nesmí se cestovat letadlem alespoň 72 hodin [23].

Závěr

Cílem projektu Hydronaut do budoucnosti bude výzkum vlivu lidského faktoru a stresové zátěže při pobytu v uzavřeném, izolovaném, omezeném a nebezpečném prostředí i pokračování v tradici saturačního potápění. Kromě zmiňovaných problémů by se mohly objevit i jiné, jako vlivy chladu a rizika infekčních postižení, zejména kožních [18]. Při delších pobytech může docházet také k ovlivnění krevních a biochemických hodnot [13, 20]. Sledování zdravotního stavu hydronautů může být cílem dalších výzkumných aktivit.

Snahou občanského sdružení Hydronaut – Centrum kosmického výzkumu bude zavést kurz speciální fyzické a psychologické přípravy, který bude využívat poznatky ze saturačního potápění, ale i z analogických kosmických studií. Ty by měly být aplikovány v rámci výcviku pracovních potápěčů, záchranářů, hasičů, báňské záchranné služby, policie apod. V kurzu budou simulovány specifické podmínky a zátěže, se kterými se lze setkat při práci nejen pod vodou, ale také v jiných rizikových prostředích.

Nejvyšší ambicí do budoucna je přispět poznatky, získanými při realizaci programů projektu Hydronaut, do oblasti pilotovaných kosmických letů, na kterých se Česká republika podílí v rámci svého členství v ESA.

Do redakce došlo dne 22. 5. 2014.

Do tisku přijato dne 3. 6. 2014.

Adresa pro korespondenci:

MUDr. Miloš Sázel, CSc.

Mrkvičkova 1364

163 00 Praha 17-Řepy

e-mail: sazel@centrum.cz