איור 5.25 – הוספת מקור אוויר מועשר בחמצן או חמצן טהור, המספק גז בקצב המשלים את צריכת החמצן המטבולי, מהווה מערכת סגורה בסיסית.

באיור 5.25 מתוארת מערכת סגורה, הכוללת שק אטום -ריאה מלאכותית, מתקן סופח –"קניסטר", ומקור גז - חמצן טהור. זוהי המערכת הסגורה הבסיסית ביותר – מערכת חמצן, המשמשת בעיקר ליישומים צבאיים.
(ראה פרק 6) ההבנה של מבנה בסיסי זה מסייעת בהבנת עקרון הפעולה של מרבית המערכות הסגורות שבשימוש לצלילה. 

 

לנשימת חמצן טהור בצלילה יש יתרונות וחסרונות. החיסרון הבולט של נשימת 100% חמצן הינו בהגבלת עומק הצלילה לכ- 6 מטר, שכן בלחץ חלקי גבוה מ 1.6 אט' חמצן קיימת סכנה ממשית להרעלת חמצן. צריכת חמצן בלחץ גבוה לאורך זמן גם חושפת את הצולל להרעלת חמצן ריאתית . הפתרון הוא שימוש בניטרוקס, שיש בו חמצן בכמות מספקת שתמנע את ירידת כמות החמצן במערכת הסגורה מתחת לזו הדרושה בכדי לקיים חיים ומצד שני, תאפשר עומק צלילה רב יותר ומשך צלילה ארוך יותר.

 

איור 5.26 – בשימוש בניטרוקס שסתום פריקה אוטו' מנקז את הגז העודף.

איור 5.26 מתאר מערכת חצי סגורה, אשר יתרונה בכך שהיא מאפשרת צלילה עמוקה יותר ממערכת החמצן (המוגבלת ל- 6 מטר) ולזמן ממושך יותר.  בניגוד למערכת חמצן (בה לא קיים גז אינרטי במעגל הנשימה), במערכת עם ניטרוקס קיים גז אינרטי- חנקן ובאחוזים גבוהים. בצלילה עם מערכת חמצן יורד נפח הגז במערכת בעת נשימה - על פי קצב החמצון המטבולי - עד לרמה בה נפח גז החמצן הקיים בריאה הנגדית אינו מספיק לשאיפה מלאה ואז, כשהצולל מרגיש במחסור בגז נשימה, מוזרם חמצן מהמיכל אל הריאה ע"י שסתום אוטומטי או ידני.

 

בצלילה במערכת סגורה עם נייטרוקס קיימת בעיה - רוב נפח הגז בריאה הנגדית הינו חנקן, מכיוון שנפח הגז בריאה מספק, לא תבוצע השלמת ניטרוקס למערכת ולכן לאחר מספר נשימות עדיין יתקיים נפח גז מספיק לנשימה, אבל ברמת חמצן נמוכה מכדי לתמוך חיים ותוביל להיפוקסיה. הפתרון  הינו הזרמה קבועה של נייטרוקס לריאה, תוך ניקוז עודפים ע"י שסתום ניקוז אוטומטי. מכיוון שחלק קטן מהגז מנוקז מהמערכת, נקראת המערכת – חצי סגורה.  מערכות חצי סגורות נחשבות לבטוחות מאוד לשימוש בצלילה בכל עומק (מותנה, כמובן, בסוג תערובת הנשימה) אולם מגבלתן היא, שחלק מהגז עדיין הולך  לאיבוד בתהליך ניקוז עודפי הגז מהריאה המלאכותית.

איור 5.27 – מערכת סגורה אלקטרונית בסיסית.

הפתרון לחסרון זה הוא מערכת סגורה אלקטרונית, מערכת אשר מזרימה חמצן למעגל הנשימה בדיוק על פי לחץ חמצן חלקי קבוע מראש תוך כדי מעקב ובקרה אלקטרונית אחר רמת החמצן במעגל. ראה איור 5.27. ליבתה של המערכת הסגורה האלקטרונית ביחידת הבקרה הכוללת חיישני חמצן, אלו מנטרים את רמת החמצן המדויקת שנושם הצולל, בקר אלקטרוני וברז חשמלי המחובר בקו זרימת החמצן מהמיכל ומופעל חשמלית ע"י הבקר האלקטרוני. כאשר הצולל נושם וצורך חמצן, הבקר האלקטרוני מזהה את ירידת רמת החמצן (בעזרת חיישני החמצן), ומעביר פקודה חשמלית לברז החמצן להיפתח ולהזרים חמצן למעגל הנשימה. כאשר רמת החמצן מגיעה לערך הרצוי, הבקר מעביר לברז החמצן פקודה חשמלית להיסגר. שיטת עבודה זו נקראת "מערכת בקרה בחוג סגור", שכן למערכת יש משוב על פקודות ההפעלה אותן היא מעבירה. בנוסף למערכת הזרקת החמצן האלקטרונית קיימת מערכת השלמת גז מדלל – גז אינרטי החשוב בכדי לייצר נפח נשימה. גז זה יכול להיות אוויר או טרימיקס. מערכת השלמת המדלל מופעלת אוטומטית (בעת ירידת נפח הגז במערכת) או ידנית על ידי הצולל, שחש ירידה בנפח הנשימה. 

מערכת סגורה אלקטרונית נחשבת ליעילה במיוחד בהיבט של שימוש מדויק בגזים ומאפשרת לבצע צלילות ארוכות ועמוקות עם כמות גז קטנה מאוד. חסרונה בכך שהיא מערכת אלקטרונית וכמו כל מכשיר חשמלי – מועדת לתקלות במיוחד כשמדובר במערכת חשמלית לשימוש תת ימי.

מערכת נשימה סגורה פרק 5.2
״חמצן ומערכות סגורות״ בהוצאת  החטיבה הטכנית בההתאחדות הישראלית לצלילה.

מחבר שלומי פלניצקי

עריכה דן אשכנזי.

כיצד עובדת מערכת נשימה סגורה

ספר ״חמצן ומערכות סגורות״ בהוצאת ההתאחדות הישראלית לצלילה 
פרק 5.2  מפורסם כאן תוך התאמת התוכן לצפיה ברשת. 

האוויר שאנו נושמים מכיל 20.9% חמצן וכ- 79% חנקן. בתהליך הנשימה מועבר האוויר הנשאף מהריאות למחזור הדם דרך נאדיות הריאה. רקמות הגוף הזקוקות לחמצן בכדי להתקיים סופגות מהדם חלק מהחמצן ופולטות בחזרה אל מחזור הדם פחמן דו חמצני (CO2) וכן את שאריות החמצן משם חוזרים הגזים  אל הריאות ונפלטים אל מחוץ לגוף בתהליך הנשימה.  רק כ- 4% מהחמצן הנשאף נצרך בהתהליך המטבולי , החמצן הנותר נפלט אל מחוץ לגוף.  כל זה בסדר גמור כאשר האדם נושם מעל פני המים,  מתחת לפני הים, בעת נשימת אוויר, פירוש הדבר "בזבוז", מכיוון ש- 94% מכמות החמצן שהצולל נושם פורחים להם החוצה כבועות היוצאות מווסת הצלילה.

 

איור 5.23 – נשימה לתוך שק אטום מהווה מערכת נשימה

סגורה בסיסית.

עוד בתקופה הקדומה, כאשר ניסה האדם להאריך את משך שהייתו מתחת לפני המים הוא ניסה לבצע זאת ע"י שמירת האוויר הנפלט מהגוף. הניסיונות הראשונים נעשו באמצעות נשימה לשק אטום, בו נשמר האוויר הנפלט לצורך נשימה חוזרת. למעשה, הייתה זו מערכת סגורה בסיסית, בה לא נפלטים גזים לחלל הפתוח ( איור 5.23 ). שיטה זו הציבה שלוש בעיות מרכזיות. הראשונה שבהן קשורה לתהליך המטבולי. כל צריכת חמצן ייצרה CO2 אשר הצטבר בשק  האטום עד אשר הגיע לרמות שחשפו את הנושם להרעלת CO2 (היפרקפניה). הבעיה השנייה הייתה קשורה גם היא לתהליך המטבולי. לאחר כל נשימה שנלקחה מהשק האטום, ירדה כמות החמצן שהייתה בו, שכן בכל נשימה צרך הגוף כ- 4% מהחמצן שנשאף לצורך התהליך המטבולי וכך, לאחר מס' נשימות, ירדה כמות החמצן לרמה שלא מאפשרת קיום חיים (היפוקסיה). הבעיה השלישית התעוררה בעת העמקה בצלילה. הלחץ הסביבתי עלה ונפח הגז בשק האטום קטן לרמות שגרמו קושי פיזי (מאמץ) בנשימה. כבר במאה ה- 18 נמצאו פתרונות שונים לבעיית הצטברות גז ה- CO2 במערכת הסגורה ע"י שימוש בחומרים אשר ספחו את הגז הבעייתי בתהליך כימי. בשנים האחרונות, התפתחות השימוש בסופחים בצוללות והכניסה של מערכות סגורות לתחום הצלילה הספורטיבית הובילו לייצור חומרים סופחים יעילים יותר. על חומרים סופחים, עקרון פעולתם, זרימת הגז דרכם, יתרונות וחסרונות, נרחיב בהמשך בחלק העוסק במבנה וברכיבי המערכת הסגורה, אולם חשוב להדגיש כי במערכות הסגורות הקיימות כיום בשוק, משך זמן פעולתו האפקטיבית של הסופח מהווה את המגבלה העיקרית לזמן הפעולה

איור 5.24- הוספת סופח למערכת הסגורה פותר את הצטברות ועליית כמות הפחמן הדו חמצני.

הוספת החומר הסופח למערכת הסגורה ( איור 5.24 ) פתרה את הבעיה הראשונה של הצטברות CO2  עם זאת, עדיין נותרה סוגיית הירידה בכמות החמצן במערכת עם כל נשימה והשלמת החמצן נעשית בצורה הפשוטה ביותר, הזרמת חמצן למערכת הסגורה בקצב שישלים את הצריכה המטבולית של הצולל. 

 

במערכת פתוחה הצולל צורך את כמות הגז הננשם כתלות בלחץ הסביבתי (בעומק), שכן ככל שמעמיקים, הלחץ הסביבתי עולה ונפח הריאות קטן. בכדי להגיע לשוויון לחצים עם הסביבה, הצולל נושם וגם פולט יותר גז ולכן לעומק הצלילה יש השפעה ישירה על צריכת הגז של הצולל. לעומת זאת, במערכת סגורה, שבה כל הגז הנפלט מריאות הצולל נשמר בשק אטום, אין משמעות לעומק הצלילה ולכמות הגז הננשם שכן בכל מקרה גז זה נשמר לנשימה חוזרת ואינו נפלט לסביבה. הגורם המשפיע הוא קצב החמצון המטבולי של הצולל, שהוא הקצב בו גוף הצולל צורך חמצן. קצב צריכת החמצן משתנה כתלות בנתוניו האישיים של הצולל ובמאמץ הפיזי שלו ואינו תלוי בעומק הצלילה. הזרמת חמצן או אוויר מועשר בחמצן למערכת הסגורה בקצב קבוע השווה או גדול מקצב החמצון המטבולי של הצולל, שומרת על אספקת כמות חמצן המאפשרת קיום חיים וצלילה בטוחה.