Инновационные технологии жизнеобеспечения в безвоздушном пространстве

Сам по себе баллон высокого давления, разумеется, не может служить  источником воздуха для дыхания. Первое устройство на пути воздуха  из баллона — вентильный механизм. Входной патрубок вентильного механизма  имеет внешнюю резьбу, которая  вворачивается во внутреннюю резьбу горловины баллона. Внутрь баллона  вентильный механизм обращен трубкой  длиной в несколько сантиметров, имеющей одно или несколько отверстий, иногда забранных мелкой металлической  сеткой. Такое устройство значительно  уменьшает вероятность проникновения в воздушные пути акваланга частиц ржавчины, которые, как правило, пересыпаются по стенкам баллона.

Один из ключевых моментов строения вентильного механизма  — устройство для выхода воздуха. Оно должно быть приспособлено для  удобного, быстрого и надежного крепления  редуктора — первой ступени регулятора.

 

2.2.2 Регулятор

Основная задача регулятора — понизить высокое давление подающегося  из баллонов воздуха до давления окружающей среды и обеспечить подводнику возможность  свободного вдоха и выдоха.

Допустимо техническое решение, при котором это будет происходить  в одном узле и в один этап. Однако наиболее удобным оказалось  двухступенчатое уменьшение давления. На первом этапе оно снижается  до уровня, превышающего давление окружающей среды на 5—10 атм. Это происходит в узле, именуемом редуктором. Далее  воздух подается в легочный автомат, где его давление выравнивается  с давлением окружающей среды. Из легочного автомата воздух подается на вдох, и через него же происходит выдох.

Устройство, именуемое редуктором, осуществляет первую ступень редукции — уменьшает давление воздуха  до величины, превышающей давление окружающей среды на 5—10 атм. Это  давление называется промежуточным, или  средним. Легочный автомат (легочник) осуществляет вторую ступень редукции — выравнивая давление сжатого воздуха до давления окружающей среды, которое именуется низким давлением, иногда давление на выходе из редуктора называют низким давлением, тогда давление на выходе из легочника можно называть окружающим давлением.

Рис. 4 Схема редуктора

 

2.2.3 Легочные автоматы

Вспомним основы физиологии дыхательной системы человека: вдох и выдох возможны лишь при условии, что давление вдыхаемого и выдыхаемого  воздуха равно или почти равно внешнему давлению, действующему на легкие. Назначение легочного автомата именно в том, чтобы обеспечить это условие в течение всего дыхательного цикла и в течение всего погружения. Все легочные автоматы имеют мембрану в качестве управляющего элемента. Использование поршня принципиально возможно, но не оправдано ни конструктивно, ни технологически.

Рис. 5 Схема легочного автомата

 

2.2.4 Компенсатор плавучести

Компенсатор плавучести —  не обязателен, но повсеместно используется в настоящее время.

Ткани человеческого тела практически несжимаемы, за исключением  полостей, заполненных газами, таковыми являются полости среднего уха и  костей черепа, а также легкие и  весь объем дыхательной системы. При погружении под воду давление во всех этих полостях уравнивается с  давлением окружающей среды. Любой  человек, сделав полный вдох на поверхности, имеет нулевую или положительную  плавучесть, которая будет уменьшаться  с каждым метром глубины при погружении. Если Вы ныряете с аквалангом, объем  ваших легких и при вдохе, и  при выдохе соответствует таковому на поверхности . Плавучесть подводника с аквалангом (без гидрокостюма, грузового пояса и компенсатора), может изменяться в зависимости от двух факторов:

1. Заполненность легких воздухом. При вдохе плавучесть увеличивается, при выдохе — уменьшается. Жизненная емкость легких составляет в среднем 4—6 литров. Соответственно, изменение плавучести за счет вдоха — выдоха может достигать 4—6 кг.

2. Количество воздуха  в акваланге. Большинство аквалангов  в незаряженном состоянии имеют  приблизительно нулевую плавучесть. Сжатый воздух в наиболее часто  используемых любителями аквалангах  весит 2—4 кг. Таким образом,  в начале погружения ныряльщик  имеет несколько килограммов  отрицательной плавучести, убывающих  с расходованием воздуха из  баллонов.

 Компенсатор плавучести представляет собой жилет, который надувается воздухом и поддерживает дайвера на определенной глубине (обеспечивает плавучесть).

Приступая к погружению, воздух из жилета спускается, тем самым  создавая "отрицательную плавучесть". Опустившись на нужную глубину, компенсатор  можно подкачать, приводя плавучесть к нейтральной. Моделируется состояние близкое к невесомости. Пребывая в "невесомости", человек держится на необходимой глубине и передвигаемся без усилий.

Компенсатор плавучести - это собственно жилет, т. е. корпус;

- гофрированный шланг;

- ремни, закрепляющие  баллон с воздухом.

 

3. ПОИСК И АНАЛИЗ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Человек покорил Луну, гулял  в космосе, но по иронии судьбы для  него все еще проблематично коснуться  больших глубин моря своими руками. Достижению больших глубин мешает дыхание  человека сжимающимися газовыми смесями, в которые входят либо азот, либо гелий или водород.

Тот воздух, которым мы дышим  на поверхности земли, не является идеальной  газовой смесью для дыхания под  водой. Использование воздуха для  дыхания на глубинах более 40 метров таит в себе, опасность азотного наркоза, так как азот, входящий в  состав воздуха, под большим давлением  обладает наркотическим действием. Поэтому глубина 40 метров является пределом погружения, установленным  ведущими ассоциациями любительского  подводного плавания. При этом лишь незначительная часть кислорода, содержащаяся в воздухе, используется для процессов, связанных с обменом веществ  в организме. Большая его часть  выходит в воду при выдохе.

Следствием использования  воздуха для дыхания являются ограничения по глубине и времени  пребывания под водой.

Новое изобретение позволит человеку плавать на самых больших  глубинах, при этом не испытывая  дискомфорта, связанного с использованием обыкновенных аквалангов. 79-летний американский естествоиспытатель Арнольд Ланде, отставной американский хирург, специализировавшийся на сердце и легких, запатентовал подводный  костюм, который позволит человеческим легким дышать "жидким воздухом". Жидкостное дыхание предполагает заполнение лёгких жидкостью, насыщенной растворённым кислородом, который проникает в кровь, процесс "вдох - выдох" попросту исключается. Наиболее подходящими веществами для этой цели рассматриваются перфторуглеродные соединения, которые хорошо растворяют кислород и углекислый газ, имеют низкое поверхностное натяжение, высокоинертны, не метаболизируются в организме.

Возможность дыхания в  растворе перфторуглерода была практически доказана еще в конце 60-х годов доктором Леландом Кларком, помещавшим на несколько часов мышей в жидкость. В настоящее время идея жидкостного дыхания широко используется для ухода за недоношенными младенцами. Легочная ткань таких младенцев к рождению сформирована не до конца, поэтому с помощью специальных устройств дыхательную систему насыщают как раз кислородсодержащим раствором на основе перфторуглеродов. Человеку, который провел девять месяцев в утробе матери, и чьи легкие были затоплены, данная атмосфера кажется привычной. Эта технология активно применяется в медицине уже в течение 20 лет.

Принцип действия вновь изобретённого  снаряжения довольно прост. «Жидкий  воздух» из обычного водолазного  баллона подаётся в шлем, заполняя всё свободное пространство вокруг головы и вытесняя воздух из лёгких, носоглотки и ушных полостей. Иными  словами нос, рот и легкие глубоководного ныряльщика будут практически "затапливаться" в этой жидкости.

Предложенный способ полностью  исключает главную проблему дайверов – опасность кессонной болезни: при быстром подъеме в тканях и в крови выделяется избыточное количество газа в виде пузырьков. Эти пузырьки могут привести к разрушению стенок клеток и кровеносных сосудов, закупорке кровеносных сосудов. При тяжёлой форме кессонная болезнь может привести к параличу или смерти. Для предотвращения кессонной болезни осуществляют декомпрессию – долгий подъем с остановками на определённых глубинах на известное время, за время которых азот, гелий или другие газы, накопленные в тканях тела, естественным путём выходят через лёгкие.

Способ получения организмом кислорода в процессе дыхания  понятен, однако аналогичный способ не может быть применен относительно удаления из организма углекислого  газа. К тому же ныряльщик не может  терпеть повышенную концентрацию двуокиси углерода в крови. Первоначально  казалось, что это был тупик  в исследовании жидкостного дыхания, однако изобретатель прибег к технологиям  из области создания искусственных  органов. Жидкостное дыхание в сочетании  с частичной экстракорпоральная мембранной оксигенацией (ЭМО) - инвазивным экстракорпоральным методом насыщения крови кислородом - продемонстрировали большие клинические обещания.  Как и в жабрах рыбы, мембраны подобных искусственных оксигенаторных жабр являются проточным устройством, а не приливным, т.е. учитывая достаточную направленность потоков, можно с уверенностью говорить о сохранении замкнутой цепи кровообращения без попадания в нее воды или других веществ извне, сохранении тепла, а также значительном удалении углекислого газа из организма. Как показывают опыты, на полное удаление углекислого газа из организма необходима лишь 1/5 сердечного выброса.

У обученных дайверов с сердечным выбросом от 25 л/мин потребуется только 5 литров, что демонстрирует возможность имплантироания «жабр» путем использования современных методов чрескожной катетеризации. К данным методам относится метод Сельдигера. Иными словами, имплантируемые жабры являются ничем иным как катетерами со специальными оксигенаторными мембранами.

Таким образом, костюм, изготовленный  на основе идеи полной жидкостной вентиляции (ПЖВ) имеет ряд преимуществ:

• Возможность погружаться более чем на 200м
• Отсутствие опасности кессонной болезни и как результат отсутствие необходимости проведения декомпрессии
• Значительное увеличение времени, проведенного под водой ввиду понижения расхода кислорода в баллоне.
• Отсутствие опасности кислородного или азотного отравления.

Рис. 6

Описание схемы:

1. Жидкий воздух. Вместо сжатого воздуха используется насыщенный молекулами кислорода перфторуглерод (PFC)
2. Закрытый шлем. Закрытый шлем защищает легкие, носовое и ушные отверстия, наполненные обогащенной кислородом жидкостью.
3. Легкие. Молекулы кислорода попадают из жидкости в кровяные клетки легких.
4. Жабры. Диоксид углерода выводится из крови при помощи искусственной жабры, присоединенной к бедренной вене 
   4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ С УКАЗАНИЕМ ИХ ФУНКЦИЙ И ЗАДАЧ.

При реализации описанной  инновационной продукции необходимо выполнить следующие действия.

Прежде всего, необходимо расширение производства вещества, являющегося  основой для полной жидкостной вентиляции. В настоящее время перфторуглероды производятся в химических лабораториях, но в количестве, недостаточном для использования его в больших объемах. в наши дни перфтруглеродные эмульсии широко используются лишь в хирургии (при кровопотере, в ортопедии и травматологии, при ожогах, в кардиохирургии, в трансплантологии, в офтальмохирургии и др.) При внедрении данного инновационного ихзобретения сфера использования перфторуглеродов может расшириться.

При соответствующем развитии гидрокостюм ПЖВ может стать  серьезным конкурентом компаний по производству аквалангов. Ввиду  того, что изобретение для дайвинга на основе жидкостного дыхания является новым в данной сфере, необходимо создание нового предприятия.

Помимо вышеперечисленного необходимо обучение инструкторов новому виду дайвинга.

 

 

5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ИНФРАСТРУКТУРЫ ИННОВАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ КОНКРЕТНОГО ПРОЦЕССА.

Доктор Ланде представил свое изобретение на первой Международной  конференции по прикладной бионике  и биомеханике, прошедшей в середине октября 2007 года в Венеции.

По данному изобретению  получен патент, дата получения патента - 06/02/2008.

Однако, в будущем необходимо проведение исследований, ввиду несовершенства данной технологии. Необходим поиск  добровольцев, которые согласились  бы опробовать данный метод жидкостного  дыхания. Главным фактором, препятствующим этому, является человеческий страх.

Для создания нового предприятия  необходима покупка патента, либо лицензии.

Кроме того, данные исследования требуют больших инвестиций, поэтому  первым пунктом в создании предприятия  является поиск инвестора

Далее необходимы:

• Сбор документации
• Проведение маркетинговых исследований
• Составление бизнес-плана
• Продвижение продукции путем участия в конкурсах, выставках и т.д.
• Регистрация в реестре юридических лиц
• Поиск помещения
• Закупка оборудования
• Реклама продукции
 

5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ СТОИМОСТИ ИЗВЕСТНОГО И ИННОВАЦИОННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

 

Ввиду схожести функций акваланга  и гидрокостюма ПЖВ будет рассмотрена  общая стоимость известной технологии и инновации с точки зрения рыночных цен на составные части данных изобретений.

Приведенные в таблице  цифры получены путем расчета средних рыночных цен на рынке товаров для дайвинга.

Стоимость перфторуглерода высчитана на основе анализа цен на лекарственное вещество перфлуброн, по своей формуле наиболее идентичного формуле перфторуглеродного раствора.

 

Акваланг		Гидрокостюм ПЖВ
Составные части	Стоимость	Составные части	Стоимость
Гидрокостюм	5270	Гидрокостюм	5270
Шлем	2883	Шлем (закрытый)	6578
Акваланг: Баллоны(7л) Регулятор Компенсатор плавучести	15207 13857 19104	Устройство ПЖВ: Баллоны (7л) Катетер Регулятор	15207 ок. 7000 13857
Боты	2046	Боты	2046
Маска	2075	Маска	не треб.
Ласты	4544	Ласты	4544
Заправка сжатым воздухом	180	Заправка перфторуглеродным раствором	Ок.5000
Итого	65166	Итого	55502