Atemgas

Ein Atemgas ist ein Gemisch aus gasförmigen chemischen Elementen und Verbindungen, das zur Atmung verwendet wird . Luft ist das gebräuchlichste und einzige natürliche Atemgas, aber auch andere Gasgemische oder reiner Sauerstoff werden in Atemgeräten und geschlossenen Räumen eingesetzt. Sauerstoff ist der essentielle Bestandteil jedes Atemgases. Atemgase für die Hyperbarmedizin wurden entwickelt, um die Leistung normaler Luft zu verbessern, indem sie das Risiko der Dekompressionskrankheit , die Dekompressionsdauer , die Stickstoffnarkose und die Atemarbeit verringern und so sichereres Tieftauchen ermöglichen .

Ein Atemgas ist ein Gemisch aus gasförmigen chemischen Elementen und Verbindungen, das zur Atmung verwendet wird . Luft ist das gebräuchlichste und einzige natürliche Atemgas. Andere Gasgemische oder reiner Sauerstoff werden ebenfalls in Atemgeräten und geschlossenen Umgebungen eingesetzt, beispielsweise in Tauchausrüstung , Oberflächenversorgungsgeräten für Taucher , Dekompressionskammern , beim Höhenbergsteigen , in Hochflugflugzeugen , U-Booten , Raumanzügen , Raumfahrzeugen , medizinischen Lebenserhaltungs- und Erste-Hilfe-Ausrüstungen sowie Narkosegeräten . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Sauerstoff ist der essentielle Bestandteil jedes Atemgases. Sein Partialdruck liegt bei Umgebungsdruck zwischen etwa 0,16 und 1,60 bar , kann beim Höhenbergsteigen niedriger oder bei der hyperbaren Sauerstofftherapie höher sein . Sauerstoff ist üblicherweise die einzige metabolisch aktive Komponente, außer bei Narkosemitteln. Ein Teil des Sauerstoffs im Atemgas wird durch Stoffwechselprozesse verbraucht, während die inerten Bestandteile unverändert bleiben. Sie dienen hauptsächlich dazu, den Sauerstoff auf eine geeignete Konzentration zu verdünnen und werden daher auch als Verdünnungsgase bezeichnet.

Die meisten Atemgase sind daher ein Gemisch aus Sauerstoff und einem oder mehreren metabolisch inerten Gasen . ^{[ 1 ] [ 3 ]} Atemgase für die Hyperbarmedizin wurden entwickelt, um die Leistung normaler Luft zu verbessern, indem sie das Risiko der Dekompressionskrankheit verringern , die Dekompressionsdauer verkürzen , die Stickstoffnarkose reduzieren oder sichereres Tieftauchen ermöglichen . ^{[ 1 ] [ 3 ]} Die Techniken zum Befüllen von Tauchflaschen mit anderen Gasen als Luft oder reinem Sauerstoff werden als Gasmischung bezeichnet . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Atemgase für den Einsatz bei Umgebungsdrücken unterhalb des normalen Atmosphärendrucks sind üblicherweise reiner Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft. Diese dient der Sicherstellung einer ausreichenden Sauerstoffversorgung, um Leben und Bewusstsein aufrechtzuerhalten oder höhere Belastungsintensitäten zu ermöglichen, als dies mit normaler Luft möglich wäre. Der zusätzliche Sauerstoff wird häufig als reines Gas der Atemluft beigemischt oder über ein Lebenserhaltungssystem zugeführt.

Bei der Verwendung durch einen Unterwassertaucher kann ein Atemgas auch als Tauchgas bezeichnet werden. ^{[ 6 ]} Ein sicheres Atemgas für die hyperbare Anwendung weist vier wesentliche Merkmale auf:

• Es muss ausreichend Sauerstoff enthalten, um das Leben, das Bewusstsein und die Arbeitsfähigkeit des Atmenden aufrechtzuerhalten. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}
• Es darf keine schädlichen Verunreinigungen enthalten. Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sind häufige Gifte, die Atemgase verunreinigen können. Es gibt viele weitere Möglichkeiten. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}
• Es darf beim Einatmen unter hohem Druck , beispielsweise unter Wasser, nicht toxisch werden . Sauerstoff und Stickstoff sind Beispiele für Gase, die unter Druck toxisch werden. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}
• Die Atemgasdichte darf nicht zu hoch sein. Die Atemarbeit steigt mit zunehmender Dichte und Viskosität . Die maximale Ventilation sinkt um etwa 50 %, wenn die Dichte der von Luft bei 30 mSW entspricht , und der Kohlendioxidgehalt steigt bei einer Gasdichte von über 6 g/l für moderate körperliche Anstrengung inakzeptabel an. Eine Atemgasdichte von 10 g/l oder mehr kann selbst bei sehr geringer Belastung zu einer unkontrollierten Hyperkapnie mit potenziell tödlichen Folgen führen. ^{[ 7 ]}

Folgende Tauchatemgase werden üblicherweise verwendet:

• Luft ist ein Gemisch aus 21 % Sauerstoff , 78 % Stickstoff und etwa 1 % anderen Spurengasen, hauptsächlich Argon . Zur Vereinfachung der Berechnungen wird dieses letzte Prozent üblicherweise wie Stickstoff behandelt. Da sie frei verfügbar und einfach zu handhaben ist, ist sie das gebräuchlichste Tauchgas. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Aufgrund der Stickstoffkomponente, die Stickstoffnarkose verursacht , gilt für die meisten Taucher eine sichere Tauchtiefe von etwa 40 Metern (130 Fuß), obwohl die maximale Betriebstiefe (MOD) von Luft mit einem zulässigen Sauerstoffpartialdruck von 1,6 bar 66,2 Meter (217 Fuß) beträgt. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 8 ]} Atemluft ist Luft, die bestimmte Schadstoffgrenzwerte erfüllt.
• Reiner Sauerstoff wird hauptsächlich verwendet, um die Dekompressionsstopps in flachen Gewässern am Ende militärischer , kommerzieller oder technischer Tauchgänge zu beschleunigen . Das Risiko einer akuten Sauerstoffvergiftung steigt bei Drücken über 6 Metern Meerwassertiefe rapide an. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 8 ]} Er wurde häufig in den Kreislauftauchgeräten von Kampfschwimmern eingesetzt und wird auch heute noch von Kampfschwimmern verwendet. ^{[ 2 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}
• Mischgase sind Gemische aus zwei oder mehr Gasen, die speziell für die Verwendung als Atemgas beim Tauchen zusammengestellt werden. Sie können vor dem Tauchgang für die Verwendung mit einem offenen Kreislaufgerät in der benötigten Zusammensetzung gemischt oder während des Tauchgangs im Atemkreislauf eines Kreislaufgeräts erzeugt werden. Das Tauchen mit Mischgasen wird als Mischgastauchen bezeichnet. ^{[ 11 ]}
  • Nitrox ist ein Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff, das entweder durch Mischen von Sauerstoff mit Luft oder durch Entfernen von Stickstoff aus Luft hergestellt wird. Im Allgemeinen bezeichnet man Gemische mit einem Sauerstoffanteil von über 21 %. Es kann verwendet werden, um Dekompressionsstopps im Wasser zu beschleunigen oder das Risiko der Dekompressionskrankheit zu verringern und somit einen Tauchgang zu verlängern (ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass der Taucher tiefer tauchen kann; dies ist jedoch nicht der Fall, da die maximale Tauchtiefe geringer ist als mit herkömmlicher Luft). ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 12 ]}
  • Trimix ist ein Gemisch aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium und wird beim technischen und kommerziellen Tauchen in der Tiefe häufig anstelle von Luft verwendet, um die Atemarbeit zu verringern , die Stickstoffnarkose zu reduzieren und die Gefahren einer Sauerstoffvergiftung zu vermeiden. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}
    • Heliair ist eine Form von Trimix, das sich leicht aus Helium und Luft ohne Verwendung von reinem Sauerstoff mischen lässt. Es hat stets ein Sauerstoff-Stickstoff-Verhältnis von 21:79; der Rest des Gemisches ist Helium. ^{[ 3 ] [ 13 ]}
  • Heliox ist ein Gemisch aus Sauerstoff und Helium und wird häufig in der Tiefenphase eines kommerziellen Tieftauchgangs eingesetzt, um Stickstoffnarkose zu vermeiden und die Dichte zu reduzieren, wodurch die Atemarbeit verringert wird . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 14 ]} Heliox ist das Standardgemisch für Sättigungstauchen in der Tiefsee . ^{[ 15 ]}
  • Hydreliox ist ein Gemisch aus Sauerstoff, Helium und Wasserstoff und wird beim kommerziellen Tauchen für Tauchgänge unter 130 Metern eingesetzt. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ]} Auch beim technischen Tieftauchen werden experimentelle Arbeiten mit Hydreliox durchgeführt, wobei der Wasserstoff zur Reduzierung von HPNS verwendet wird.
  • Hydrox , ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff , wird als Atemgas beim Tieftauchen verwendet . ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 18 ]}
  • Neox (auch Neonox genannt) ist ein Sauerstoff- Neon- Gemisch , das gelegentlich beim Tieftauchen eingesetzt wird. Aufgrund der hohen Kosten findet es jedoch selten Anwendung. Zudem sind die durch Neon hervorgerufenen Dekompressionskrankheitssymptome („Neox-Deformität“) berüchtigt; sie gelten weithin als schwerwiegender als jene, die durch ein exakt gleichwertiges Sauerstoff-Neon-Gemisch mit Helium hervorgerufen werden. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 19 ]}

Gängige Farbcodierung für Atemgasbehälter in der Offshore-Tauchindustrie. ^{[ 20 ]}

Gas	Symbol	Typische Schulterfarben	Zylinderschulter	Quad-Oberrahmen/ Rahmenventilende
Medizinischer Sauerstoff	O 2		Weiß	Weiß
Sauerstoff-Helium-Gemische (Heliox)	O 2 /He		Braune und weiße Viertel oder Bänder	Braune und weiße kurze (8 Zoll (20 cm)) abwechselnde Streifen
Sauerstoff-, Helium- und Stickstoffgemische (Trimix)	O₂ /He / N₂		Schwarze, weiße und braune Viertel oder Bänder	Schwarze, weiße und braune kurze (8 Zoll (20 cm)) abwechselnde Streifen
Sauerstoff- und Stickstoffgemische (Nitrox) einschließlich Luft	N₂ / O₂​		Schwarz-weiße Vierteldollarstücke oder Streifen	Schwarze und weiße kurze (8 Zoll (20 cm)) abwechselnde Streifen

Atemluft ist Umgebungsluft mit einem Reinheitsgrad, der für die menschliche Atmung im jeweiligen Anwendungsfall geeignet ist. Bei hyperbaren Anwendungen wird der Partialdruck der Verunreinigungen proportional zum Absolutdruck erhöht und muss auf eine für die jeweilige Tiefe oder den jeweiligen Druckbereich zulässige Zusammensetzung begrenzt sein.

Atemgase für Taucher werden nach ihrem Sauerstoffanteil klassifiziert . Die von den Behörden festgelegten Grenzwerte können leicht variieren, da die Auswirkungen mit der Konzentration allmählich und von Person zu Person unterschiedlich sind und nicht genau vorhergesagt werden können. ^{[ 21 ]}

Normoxisch

wobei der Sauerstoffgehalt sich nicht wesentlich von dem der Luft unterscheidet und eine kontinuierliche, sichere Verwendung bei Atmosphärendruck ermöglicht. ^{[ 22 ]}

Hyperoxisch odersauerstoffangereichert

Wenn der Sauerstoffgehalt den atmosphärischen Wert übersteigt, in der Regel bis zu einem Niveau, das bei längerem Gebrauch messbare physiologische Auswirkungen hat und aufgrund erhöhter Brandgefahr mitunter besondere Handhabungsvorschriften erfordert, sind die damit verbundenen Risiken Sauerstoffvergiftung in der Tiefe und Brandgefahr, insbesondere im Atemschutzgerät. ^{[ 21 ]}

Hypoxisch

bei einem Sauerstoffgehalt, der geringer ist als der von Luft, in der Regel so weit, dass kurzfristig ein erhebliches Risiko messbarer physiologischer Auswirkungen besteht. Das unmittelbare Risiko ist üblicherweise eine hypoxische Handlungsunfähigkeit an oder nahe der Oberfläche. ^{[ 23 ]}

Atemgase zum Tauchen werden aus einer kleinen Anzahl von Komponentengasen gemischt, die dem Gemisch besondere Eigenschaften verleihen, die in der atmosphärischen Luft nicht vorhanden sind.

Sauerstoff (O₂ ₎ ist Bestandteil aller Atemgase. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Er ist essenziell für den Stoffwechsel des menschlichen Körpers und somit lebensnotwendig. Anders als Nahrung kann der menschliche Körper Sauerstoff nicht speichern. Wird der Körper länger als einige Minuten nicht mit Sauerstoff versorgt, führt dies zu Bewusstlosigkeit und Tod. Gewebe und Organe (insbesondere Herz und Gehirn) werden geschädigt, wenn der Sauerstoffmangel länger als vier Minuten anhält.

Das Befüllen einer Tauchflasche mit reinem Sauerstoff ist deutlich teurer als mit Druckluft. Da Sauerstoff die Verbrennung fördert und in Tauchflaschen zu Rost führt, ist beim Mischen von Gasen Vorsicht geboten . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Sauerstoff wurde traditionell durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft gewonnen , wird aber zunehmend durch nicht-kryogene Technologien wie die Druckwechseladsorption (PSA) und die Vakuumwechseladsorption (VSA) gewonnen. ^{[ 24 ]}

Der Sauerstoffanteil in einem Atemgasgemisch wird manchmal bei der Benennung des Gemisches verwendet:

• Hypoxische Gasgemische enthalten streng genommen weniger als 21 % Sauerstoff, wobei häufig ein Grenzwert von 16 % verwendet wird. Sie sind ausschließlich für die Verwendung in der Tiefe als „Bodengas“ konzipiert, wo der höhere Druck den Sauerstoffpartialdruck auf ein sicheres Niveau anhebt . [ 1 ^{] [ 2 ] [ 3 ] Trimix ,} Heliox und Heliair sind gängige Gasmischungen für hypoxische Gase und werden im professionellen und technischen Tauchen als Atemgase für die Tiefenatmung eingesetzt. ^{[ 1 ] [ 3 ]}Eine minimale Betriebstiefe kann einem hypoxischen Gasgemisch zugeordnet werden, basierend auf der Tiefe, in der der Partialdruck dem minimalen Sauerstoffpartialdruck entspricht, der für die Person oder Organisation, die das Gas verwendet, akzeptabel ist.
• Normoxische Gemische enthalten denselben Sauerstoffanteil wie Luft, nämlich 21 %. ^{[ 1 ] [ 3 ]} Die maximale Betriebstiefe eines normoxischen Gemisches kann bis zu 47 Meter betragen. Trimix mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 17 % und 21 % wird oft als normoxisch bezeichnet, da der Sauerstoffanteil hoch genug ist, um an der Oberfläche sicher atmet zu können.
• Hyperoxische Gemische enthalten mehr als 21 % Sauerstoff. Angereicherte Luft mit Nitrox (EANx) ist ein typisches hyperoxisches Atemgas. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 12 ]} Hyperoxische Gemische verursachen im Vergleich zu Luft bereits in geringeren Tiefen eine Sauerstoffvergiftung , können aber zur Verkürzung der Dekompressionsstopps eingesetzt werden , indem gelöste Inertgase schneller aus dem Körper entfernt werden. ^{[ 8 ] [ 12 ]}

Der Sauerstoffanteil bestimmt die maximale Tiefe, in der das Gemisch gefahrlos eingesetzt werden kann, ohne dass es zu einer Sauerstoffvergiftung kommt . Diese Tiefe wird als maximale Betriebstiefe bezeichnet . ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]}

Die Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch hängt vom Anteil und vom Druck des Gemisches ab. Sie wird durch den Sauerstoffpartialdruck (P_O2) ausgedrückt . [ _{1 ]} [ ^{3 ] [ 8 ] [ 12 ] Der Partialdruck eines beliebigen} Gasbestandteils in einem Gemisch wird wie folgt berechnet:

Partialdruck = Gesamtabsoluter Druck × Volumenanteil der Gaskomponente

Für die Sauerstoffkomponente

P _{O 2} = P × F _{O 2}

Wo:

P _{O 2} = Sauerstoffpartialdruck

P = Gesamtdruck

F _{O 2} = Volumenanteil des Sauerstoffgehalts

Der minimale sichere Sauerstoffpartialdruck in einem Atemgas wird üblicherweise mit 16  kPa (0,16 bar) angegeben. Unterhalb dieses Wertes besteht für den Taucher die Gefahr von Bewusstlosigkeit und Tod durch Hypoxie , abhängig von Faktoren wie der individuellen Physiologie und dem Anstrengungsgrad. Beim Einatmen eines hypoxischen Gasgemisches in flachem Wasser ist der Sauerstoffpartialdruck ( _{pO₂ )} möglicherweise nicht ausreichend, um den Taucher bei Bewusstsein zu halten. Aus diesem Grund werden in mittleren Tiefen zwischen der Grund- und der Dekompressionsphase normoxische oder hyperoxische Reisegase verwendet.

Der maximal zulässige Sauerstoffpartialdruck (pO₂ _{) in} einem Atemgas hängt von der Expositionsdauer, der körperlichen Anstrengung und der Sicherheit des verwendeten Atemgeräts ab. Er liegt typischerweise zwischen 100 kPa (1 bar) und 160 kPa (1,6 bar); für Tauchgänge unter drei Stunden wird üblicherweise ein Wert von 140 kPa (1,4 bar) angenommen, obwohl die US Navy bekanntermaßen Tauchgänge mit einem pO₂ _von bis zu 180 kPa (1,8 bar) genehmigt hat. ^{[ 1 ] [ 2} _] ^{[ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]} Bei hohem _{pO₂ oder längerer} Exposition besteht für den Taucher die Gefahr einer Sauerstoffvergiftung, die zu einem Krampfanfall führen kann . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Jedes Atemgas hat eine maximale Einsatztiefe ^, die durch seinen Sauerstoffgehalt bestimmt wird. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 8 ] [ 12 ]} Bei der therapeutischen Dekompression und der hyperbaren Sauerstofftherapie werden üblicherweise Partialdrücke von 2,8 bar in der Druckkammer verwendet. Es besteht jedoch keine Ertrinkungsgefahr, falls der Patient das Bewusstsein verliert. ^{[ 2 ]} Bei längeren Aufenthalten, wie beispielsweise beim Sättigungstauchen , können 0,4 bar über mehrere Wochen toleriert werden.

Sauerstoffanalysatoren werden zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks im Gasgemisch verwendet. ^{[ 4 ]}

Divox ist Sauerstoff in Atemqualität, der für Tauchzwecke gekennzeichnet ist. In den Niederlanden gilt reiner Sauerstoff zum Atmen als medizinisch, im Gegensatz zu Industriesauerstoff, wie er beispielsweise zum Schweißen verwendet wird , und ist nur auf ärztliche Verschreibung erhältlich . Die Tauchindustrie ließ Divox als Marke für Sauerstoff in Atemqualität eintragen, um die strengen Vorschriften für medizinischen Sauerstoff zu umgehen und so (Freizeit-) Tauchern den Zugang zu Sauerstoff für die Beimischung zu erleichtern. In den meisten Ländern gibt es keinen Unterschied in der Reinheit zwischen medizinischem und industriellem Sauerstoff, da sie mit denselben Methoden und von denselben Herstellern produziert, aber unterschiedlich etikettiert und abgefüllt werden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Dokumentation von medizinischem Sauerstoff wesentlich umfassender ist, um die genaue Produktionskette einer Charge leichter nachvollziehen zu können, falls Reinheitsprobleme auftreten. Sauerstoff in Luftfahrtqualität ist medizinischem Sauerstoff ähnlich, kann aber einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. ^{[ 4 ]}

Gase, die im Atemgas keine metabolische Funktion haben, werden zur Verdünnung des Gases verwendet und daher als Verdünnungsgase bezeichnet. Einige von ihnen haben bei hohem Partialdruck eine reversible narkotische Wirkung und müssen daher begrenzt werden, um übermäßige narkotische Effekte beim maximalen Atemdruck zu vermeiden. Verdünnungsgase beeinflussen zudem die Dichte des Gasgemisches und damit die Atemarbeit .

Stickstoff (N₂ ₎ ist ein zweiatomiges Gas und Hauptbestandteil der Luft , dem günstigsten und gebräuchlichsten Atemgas beim Tauchen. Er verursacht Stickstoffnarkose , weshalb seine Verwendung auf flachere Tauchgänge beschränkt ist. Stickstoff kann Dekompressionskrankheit auslösen . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 25 ]}

Die äquivalente Lufttiefe dient zur Abschätzung des Dekompressionsbedarfs eines Nitrox- Gemisches (Sauerstoff/Stickstoff). Die äquivalente Narkosetiefe dient zur Abschätzung der Narkosewirkung eines Trimix-Gemisches (Sauerstoff/Helium/Stickstoff). Viele Taucher empfinden die Narkosetiefe nach einem 30-Meter-Tauchgang (100 Fuß) mit Luftatmung als maximal angenehm. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 26 ] [ 27 ]}

Stickstoff in einem Gasgemisch wird fast immer durch Zugabe von Luft zum Gemisch erzeugt.

Helium (He) ist ein Edelgas, das bei gleichem Druck weniger narkotisch wirkt als Stickstoff (tatsächlich gibt es keinerlei Hinweise auf eine Narkose durch Helium) und aufgrund seiner deutlich geringeren Dichte besser für tiefere Tauchgänge geeignet ist. ^{[ 1 ] [ 3 ]} Helium kann jedoch ebenfalls die Dekompressionskrankheit auslösen . Bei hohem Druck verursacht Helium außerdem das Hochdruck-Nervensyndrom , ein Reizsyndrom des zentralen Nervensystems, das in gewisser Weise das Gegenteil einer Narkose darstellt. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 28 ]}

Heliumgemischfüllungen sind aufgrund der Kosten für Helium sowie der Kosten für das Mischen und Komprimieren des Gemisches wesentlich teurer als Luftfüllungen.

Helium ist aufgrund seiner geringen Wärmedämmeigenschaften nicht zum Aufblasen von Trockentauchanzügen geeignet – im Vergleich zu Luft, die als guter Isolator gilt, besitzt Helium eine sechsmal höhere Wärmeleitfähigkeit. ^{[ 29 ]} Das niedrige Molekulargewicht von Helium (monoatomares MW = 4, im Vergleich zu zweiatomigem Stickstoff MW = 28) erhöht die Tonhöhe der Stimme des Atmenden, was die Kommunikation beeinträchtigen kann. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 30 ]} Dies liegt daran, dass sich Schall in einem Gas mit niedrigerem Molekulargewicht schneller ausbreitet, wodurch die Resonanzfrequenz der Stimmbänder ansteigt. ^{[ 1 ] [ 30 ]} Helium tritt leichter aus beschädigten oder defekten Ventilen aus als andere Gase, da Heliumatome kleiner sind und somit auch durch kleinere Spalten in Dichtungen hindurchtreten können .

Helium kommt in nennenswerten Mengen nur in Erdgas vor , aus dem es durch fraktionierte Destillation bei niedrigen Temperaturen gewonnen wird.

Neon (Ne) ist ein Edelgas, das gelegentlich beim Tieftauchen eingesetzt wird , jedoch sehr teuer ist. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 19 ]} Ähnlich wie Helium wirkt es weniger narkotisch als Stickstoff, verfälscht aber im Gegensatz zu Helium nicht die Stimme des Tauchers. Neon besitzt im Vergleich zu Helium überlegene Wärmedämmeigenschaften. ^{[ 21 ]} Neon hat eine Atom- und Molekularmasse von etwa 20, im Vergleich zu 14 bei Stickstoff und 4 bei Helium. Stickstoffgas (N₂) hingegen _hat eine Molekularmasse von 28.

Wasserstoff (H₂ ₎ wird in Atemgasgemischen für Tieftauchgänge verwendet, ist jedoch in Mischungen mit mehr als etwa 4 bis 5 % Sauerstoff (wie im Atemgas enthalten) hochexplosiv. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 14 ] [ 16 ]} Daher ist die Verwendung von Wasserstoff auf Tieftauchgänge beschränkt und erfordert aufwendige Protokolle, um sicherzustellen, dass überschüssiger Sauerstoff vor Beginn der Wasserstoffatmung aus dem Atemgerät entfernt wird. Wie Helium erhöht auch Wasserstoff die Stimmlage des Tauchers. Das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch wird als Tauchgas manchmal als Hydrox bezeichnet. Gemische, die sowohl Wasserstoff als auch Helium als Verdünnungsmittel enthalten, werden als Hydreliox bezeichnet .

Viele Gase sind als Atemgase für Taucher ungeeignet. ^{[ 5 ] [ 31 ]} Hier ist eine unvollständige Liste der in der Tauchumgebung häufig vorkommenden Gase:

Argon (Ar) ist ein Edelgas mit stärkerer narkotischer Wirkung als Stickstoff und eignet sich daher im Allgemeinen nicht als Atemgas beim Tauchen. ^{[ 32 ]} Argox wird für Dekompressionsstudien verwendet. ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 33 ] [ 34 ]} Aufgrund seiner guten Wärmedämmeigenschaften wird es gelegentlich von Tauchern, deren primäres Atemgas Helium ist, zum Aufblasen von Trockentauchanzügen eingesetzt . Argon ist teurer als Luft oder Sauerstoff, aber deutlich günstiger als Helium. Argon ist Bestandteil der natürlichen Luft und macht 0,934 Vol.-% der Erdatmosphäre aus. ^{[ 35 ]}

Kohlendioxid (CO₂ ₎ entsteht beim Stoffwechsel im menschlichen Körper und kann zu einer Kohlendioxidvergiftung führen . ^{[ 31 ] [ 36 ] [ 37 ]} Bei der Wiederverwendung von Atemgas in einem Kreislaufgerät oder Lebenserhaltungssystem wird das Kohlendioxid vor der Wiederverwendung durch Gaswäscher entfernt.

Kohlenmonoxid (CO) ist ein hochgiftiges Gas, das mit Sauerstoff um die Bindung an Hämoglobin konkurriert und dadurch den Sauerstofftransport im Blut verhindert (siehe Kohlenmonoxidvergiftung ). Es entsteht typischerweise bei unvollständiger Verbrennung . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 31 ]} Vier häufige Quellen sind:

• Abgase von Verbrennungsmotoren, die CO enthalten, werden in einen Tauchluftkompressor angesaugt . CO in der Ansaugluft lässt sich durch keinen Filter entfernen. Die Abgase aller mit Erdöl betriebenen Verbrennungsmotoren enthalten CO, was insbesondere auf Booten problematisch ist, da der Ansaugstutzen des Kompressors nicht beliebig weit von den Motor- und Kompressorabgasen entfernt positioniert werden kann.
• Durch die Erwärmung des Kompressors können die Schmierstoffe so weit verdampft werden, dass sie dem Kompressoreinlass oder der Ansaugleitung zur Verfügung stehen.
• In manchen Fällen kann kohlenwasserstoffhaltiges Schmieröl durch beschädigte oder verschlissene Dichtungen direkt in den Zylinder des Kompressors gelangen. Dort kann es (und wird es in der Regel auch) aufgrund des hohen Verdichtungsverhältnisses und des damit verbundenen Temperaturanstiegs entzündet. Da Schweröle schlecht brennen – insbesondere bei unzureichender Zerstäubung – führt eine unvollständige Verbrennung zur Bildung von Kohlenmonoxid.
• Ein ähnlicher Prozess kann potenziell bei allen partikulären Materialien auftreten, die organische (kohlenstoffhaltige) Stoffe enthalten, insbesondere in Zylindern für hyperoxische Gasgemische. Versagen die Kompressorluftfilter, gelangt gewöhnlicher Staub in den Zylinder, der organische Stoffe enthält (da er üblicherweise Humus enthält ). Eine gravierendere Gefahr besteht darin, dass die Luftpartikel auf Booten und in Industriegebieten, wo Zylinder befüllt werden, oft kohlenstoffhaltige Verbrennungsprodukte enthalten (diese färben einen schmutzigen Lappen schwarz). Gelangen diese in einen Zylinder, stellen sie eine deutlich höhere CO-Gefahr dar.

Kohlenmonoxid wird im Allgemeinen so weit wie vernünftigerweise möglich vermieden, indem der Lufteinlass in sauberer Luft positioniert, Partikel aus der Ansaugluft gefiltert, ein geeigneter Kompressor und geeignete Schmierstoffe verwendet und sichergestellt wird, dass die Betriebstemperaturen nicht zu hoch sind. Bei zu hohem Restrisiko kann im Hochdruckfilter ein Hopcalit- Katalysator eingesetzt werden, um Kohlenmonoxid in das deutlich weniger giftige Kohlendioxid umzuwandeln.

Kohlenwasserstoffe (C _{_x}H_{_y} ) sind in Kompressorschmierstoffen und -kraftstoffen enthalten . Sie können durch Verunreinigungen, Leckagen oder unvollständige Verbrennung in der Nähe des Lufteinlasses in Tauchflaschen gelangen. ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 31 ] [ 38 ]}

• Sie können bei der Verbrennung als Brennstoff wirken und dadurch das Explosionsrisiko erhöhen , insbesondere bei sauerstoffreichen Gasgemischen.
• Das Einatmen von Ölnebel kann die Lunge schädigen und letztendlich zu einer Degeneration der Lunge mit schwerer Lipidpneumonie ^{[ 39 ]} oder Emphysem führen .

Beim Komprimieren von Gas in eine Tauchflasche wird dem Gas Feuchtigkeit entzogen. ^{[ 5 ] [ 31 ]} Dies schützt die Flasche zwar vor Korrosion , führt aber dazu, dass der Taucher sehr trockenes Gas einatmet. Das trockene Gas entzieht den Lungen des Tauchers unter Wasser Feuchtigkeit und trägt so zur Dehydrierung bei , die auch als Risikofaktor für die Dekompressionskrankheit gilt . Die Verdunstung in den Lungen verursacht einen erheblichen Wärmeverlust. Trockenes Gas ist zudem unangenehm, da es Mund und Rachen austrocknet und Durst verursacht. Dieses Problem wird bei Kreislauftauchgeräten reduziert , da die Natronkalkreaktion , die Kohlendioxid entfernt, dem Atemgas auch wieder Feuchtigkeit zuführt. ^{[ 10 ]} Die relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Ausatemluft sind relativ hoch, und es kommt durch die Rückatmung zu einem kumulativen Effekt. ^{[ 40 ]} In heißen Klimazonen kann das Tauchen mit offenen Kreislauftauchgeräten die Hitzeerschöpfung aufgrund von Dehydrierung beschleunigen. Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit dem Feuchtigkeitsgehalt ist die Kondensationstendenz der Feuchtigkeit, die beim Durchströmen des Atemreglers durch die Ausdehnung des Gases entsteht. In Verbindung mit der extremen Temperaturabsenkung, ebenfalls bedingt durch die Dekompression, kann dies dazu führen, dass die Feuchtigkeit zu Eis gefriert. Diese Vereisung im Atemregler kann zum Festfressen beweglicher Teile und damit zum Ausfall des Reglers oder zu einem unkontrollierten Gasaustritt führen. Aus diesem Grund werden Atemregler für Taucher üblicherweise aus Messing gefertigt und zum Schutz verchromt. Messing leitet aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit die Wärme des umgebenden Wassers schnell an die kalte, dekomprimierte Luft ab und beugt so der Vereisung vor.

Gasgemische müssen im Allgemeinen entweder während des Herstellungsprozesses oder nach dem Mischen zur Qualitätskontrolle analysiert werden. Dies ist besonders wichtig für Atemgasgemische, da Fehler die Gesundheit und Sicherheit des Endverbrauchers gefährden können. Die meisten Gase, die in Tauchflaschen vorkommen, sind schwer nachzuweisen, da sie farb-, geruch- und geschmacklos sind. Für einige Gase existieren elektronische Sensoren, wie z. B. Sauerstoff- , Helium- , Kohlenmonoxid- und Kohlendioxid- Detektoren. ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]} Sauerstoffanalysatoren werden häufig unter Wasser in Kreislauftauchgeräten eingesetzt . ^{[ 10 ]} Sauerstoff- und Heliumanalysatoren werden oft an der Oberfläche während des Mischens von Gasen verwendet , um den Sauerstoff- bzw. Heliumanteil in einem Atemgasgemisch zu bestimmen. ^{[ 4 ]} Chemische und andere Gasanalysemethoden werden beim Sporttauchen seltener angewendet, dienen aber der regelmäßigen Qualitätsprüfung von Druckluft aus Tauchkompressoren. ^{[ 4 ]}

Standards für die Atemgasqualität werden von nationalen und internationalen Organisationen veröffentlicht und können gesetzlich vorgeschrieben sein. In Großbritannien gibt die Health and Safety Executive (HSE) an, dass die Anforderungen an Atemgase für Taucher auf der Norm BS EN 12021:2014 basieren. Die Spezifikationen umfassen sauerstoffkompatible Luft, Nitrox-Gemische (hergestellt durch Zugabe von Sauerstoff, Entfernung von Stickstoff oder Mischen von Stickstoff und Sauerstoff), Helium-Sauerstoff-Gemische (Heliox), Helium-Stickstoff-Sauerstoff-Gemische (Trimix) sowie reinen Sauerstoff, sowohl für offene Kreislaufsysteme als auch für Rückgewinnungssysteme und für Hoch- und Niederdruckversorgung (über und unter 40 bar). ^{[ 41 ]}

Der Sauerstoffgehalt variiert je nach Betriebstiefe, die Toleranz hängt jedoch vom Gasanteilsbereich ab und beträgt ±0,25 % bei einem Sauerstoffanteil unter 10 Vol.-%, ±0,5 % bei einem Anteil zwischen 10 % und 20 % und ±1 % bei einem Anteil über 20 %. ^{[ 41 ]}

Der Wassergehalt ist durch die Gefahr der Vereisung von Regelventilen und der Korrosion von Behälteroberflächen begrenzt – eine höhere Luftfeuchtigkeit stellt kein physiologisches Problem dar – und hängt im Allgemeinen vom Taupunkt ab . ^{[ 41 ]}

Weitere spezifizierte Schadstoffe sind Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Öl und flüchtige Kohlenwasserstoffe, deren Verwendung aufgrund toxischer Wirkungen begrenzt ist. Andere mögliche Schadstoffe sollten auf Grundlage einer Risikobewertung analysiert werden; die erforderliche Prüfhäufigkeit für Schadstoffe richtet sich ebenfalls nach der Risikobewertung. ^{[ 41 ]}

In Australien wird die Qualität der Atemluft durch den australischen Standard 2299.1, Abschnitt 3.13 „Qualität der Atemgase“, spezifiziert. ^{[ 42 ]}

Das Mischen von Atemgasen für Taucher bezeichnet das Befüllen von Gasflaschen mit Nicht- Luft -Atemgasgemischen. Das Befüllen von Flaschen mit einem Gasgemisch birgt Gefahren sowohl für den Befüller als auch für den Taucher. Beim Befüllen besteht Brandgefahr durch die Verwendung von Sauerstoff und Explosionsgefahr durch die Verwendung von Hochdruckgasen. Die Zusammensetzung des Gemisches muss für die geplante Tauchtiefe und -dauer sicher sein. Ist die Sauerstoffkonzentration zu niedrig, kann der Taucher aufgrund von Hypoxie das Bewusstsein verlieren ; ist sie zu hoch, kann es zu einer Sauerstoffvergiftung kommen . Die Konzentration von Inertgasen wie Stickstoff und Helium wird geplant und überprüft, um Stickstoffnarkose und Dekompressionskrankheit zu vermeiden.

Zu den angewandten Verfahren gehören das Chargenmischen mittels Partialdruck oder Massenanteil sowie kontinuierliche Mischprozesse. Die fertigen Gemische werden zur Gewährleistung der Anwendersicherheit auf ihre Zusammensetzung analysiert. Gasmischer müssen unter Umständen gesetzlich ihre Kompetenz nachweisen, wenn sie Gase für andere Personen abfüllen.

Eine zu hohe Dichte eines Atemgases kann die Atemarbeit unerträglich erhöhen und selbst bei niedrigeren Dichten zu einer Kohlendioxidretention führen. ^{[ 7 ]} Helium wird als Bestandteil verwendet, um die Dichte zu reduzieren und die Narkose in der Tiefe zu verringern. Wie der Partialdruck ist auch die Dichte eines Gasgemisches proportional zum Volumenanteil der einzelnen Gase und zum absoluten Druck. Die idealen Gasgesetze sind für Gase bei atembaren Drücken ausreichend genau.

Die Dichte eines Gasgemisches bei einer gegebenen Temperatur und einem gegebenen Druck kann wie folgt berechnet werden:

ρ _m = (ρ ₁ V ₁ + ρ ₂ V ₂ + .. + ρ _n V _n ) / (V ₁ + V ₂ + ... + V _n )

Wo

ρ _m = Dichte des Gasgemisches

ρ ₁ ... ρ _n = Dichte der einzelnen Komponenten

V ₁ ... V _n = Partialvolumen jedes der Komponentengase ^{[ 43 ]}

Da der Gasanteil F _i (Volumenanteil) jedes Gases als V _i / (V ₁ + V ₂ + ... + V _n ) ausgedrückt werden kann

durch Substitution

ρ _m = (ρ ₁ F ₁ + ρ ₂ F ₂ + .. + ρ _n F _n )

Atemgase für den Einsatz bei reduziertem Umgebungsdruck werden für Höhenflüge in ungeschützten Flugzeugen , für Raumflüge (insbesondere in Raumanzügen ) und für Höhenbergsteigen verwendet . In all diesen Fällen ist die Gewährleistung eines ausreichenden Sauerstoffpartialdrucks von größter Bedeutung . Manchmal wird dem Atemgas Sauerstoff beigemischt, um eine ausreichende Konzentration zu erreichen, manchmal besteht es aus reinem oder nahezu reinem Sauerstoff. Geschlossene Kreislaufsysteme können eingesetzt werden, um das Atemgas zu sparen, dessen Vorräte begrenzt sein können – beim Bergsteigen muss der Benutzer den zusätzlichen Sauerstoff mitführen, und im Weltraum sind die Kosten für den Transport von Masse in den Orbit sehr hoch.

Medizinische Anwendungen von Atemgasen, die nicht Luft sind, umfassen Sauerstofftherapie und Anästhesie.

Sauerstoff ist für den normalen Zellstoffwechsel des Menschen notwendig . ^{[ 44 ]} Luft besteht typischerweise zu 21 Vol.-% aus Sauerstoff. ^{[ 45 ]} Dies ist normalerweise ausreichend, aber unter bestimmten Umständen ist die Sauerstoffversorgung des Gewebes beeinträchtigt.

Sauerstofftherapie , auch bekannt als Sauerstoffgabe, bezeichnet die Anwendung von Sauerstoff zu medizinischen Zwecken . ^{[ 46 ]} Sie kann beispielsweise bei niedrigem Blutsauerstoffgehalt , Kohlenmonoxidvergiftung , Clusterkopfschmerzen und zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Sauerstoffversorgung während der Inhalationsnarkose eingesetzt werden . ^{[ 47 ]} Eine Langzeit-Sauerstofftherapie ist häufig hilfreich bei Menschen mit chronisch niedrigem Sauerstoffgehalt, beispielsweise aufgrund einer schweren COPD oder Mukoviszidose . ^{[ 48 ] [ 46 ]} Sauerstoff kann auf verschiedene Weise verabreicht werden, unter anderem über eine Nasenkanüle , eine Gesichtsmaske oder in einer hyperbaren Kammer . ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Hohe Sauerstoffkonzentrationen können zu einer Sauerstoffvergiftung wie Lungenschäden oder Atemversagen bei prädisponierten Personen führen. ^{[ 47 ] [ 45 ]} Sie können außerdem die Nase austrocknen und bei Rauchern die Brandgefahr erhöhen . Die empfohlene Ziel- Sauerstoffsättigung hängt von der zu behandelnden Erkrankung ab. In den meisten Fällen wird eine Sättigung von 94–98 % empfohlen, während bei Patienten mit einem Risiko für Kohlendioxidretention Sättigungen von 88–92 % bevorzugt werden und bei Kohlenmonoxidvergiftung oder Herzstillstand die Sättigung so hoch wie möglich sein sollte. ^{[ 46 ]}

Die Anwendung von Sauerstoff in der Medizin wurde um 1917 üblich. ^{[ 51 ] [ 52 ]} Er steht auf der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisation . ^{[ 53 ] [ 54 ]} Die Kosten für Sauerstoff zu Hause betragen in Brasilien etwa 150 US-Dollar pro Monat und in den Vereinigten Staaten etwa 400 US-Dollar pro Monat. ^{[ 48 ]} Sauerstoff kann zu Hause entweder mit Sauerstoffflaschen oder einem Sauerstoffkonzentrator bereitgestellt werden . ^{[ 46 ]} Sauerstoff gilt als die häufigste Behandlungsmethode in Krankenhäusern der entwickelten Welt . ^{[ 55 ] [ 46 ]}

Die häufigste Methode der Allgemeinanästhesie ist die Anwendung von Inhalationsanästhetika. Jedes Anästhetikum hat eine spezifische Wirkstärke, die mit seiner Öllöslichkeit korreliert. Diese Korrelation beruht darauf, dass die Medikamente direkt an Proteine ​​im zentralen Nervensystem binden, obwohl verschiedene Theorien zur Wirkungsweise von Allgemeinanästhetika beschrieben wurden. Man geht davon aus, dass Inhalationsanästhetika ihre Wirkung auf unterschiedliche Bereiche des zentralen Nervensystems entfalten. So beruht beispielsweise die immobilisierende Wirkung von Inhalationsanästhetika auf einem Effekt auf das Rückenmark, während Sedierung, Hypnose und Amnesie Hirnregionen betreffen. ^{[ 56 ] : 515}

Ein Inhalationsanästhetikum ist eine chemische Verbindung mit allgemeinanästhetischen Eigenschaften, die durch Inhalation verabreicht werden kann. Zu den aktuell klinisch relevanten Wirkstoffen zählen volatile Anästhetika wie Isofluran , Sevofluran und Desfluran sowie Narkosegase wie Lachgas und Xenon .

Narkosegase werden von Anästhesisten (einschließlich Anästhesisten , Anästhesiepflegekräften und Anästhesieassistenten ) über eine Narkosemaske, eine Larynxmaske oder einen Trachealtubus verabreicht , der an einen Narkoseverdampfer und ein Narkosemittelzufuhrsystem angeschlossen ist . Das Narkosegerät (auch Anästhesiemaschine oder Boyle-Maschine genannt) dient der Unterstützung der Narkoseeinleitung . Der in den Industrieländern am häufigsten verwendete Narkosegerätetyp ist das Durchflussnarkosegerät. Es ist so konzipiert, dass es eine präzise und kontinuierliche Zufuhr von medizinischen Gasen (wie Sauerstoff und Lachgas ) gewährleistet, die mit einer genau definierten Konzentration an Narkosemitteldampf (wie Isofluran ) vermischt und dem Patienten mit einem sicheren Druck und Fluss zugeführt werden. Moderne Geräte umfassen ein Beatmungsgerät , eine Absaugeinheit und Patientenüberwachungsgeräte . Das Ausatemgas wird durch einen Gaswäscher geleitet, um Kohlendioxid zu entfernen. Narkosemitteldampf und Sauerstoff werden bei Bedarf nachgefüllt, bevor das Gemisch dem Patienten wieder zugeführt wird.

• Mechanische Beatmung  – Methode zur mechanischen Unterstützung oder zum Ersatz der Spontanatmung
• Tauchluftkompressor  – Gerät zur Komprimierung von Atemluft für den Einsatz bei Unterwassertauchern
• Tauchflasche  – Behälter zur Versorgung mit Hochdruckgas für Tauchvorgänge
• Druckerhöhungspumpe  – Maschine zur Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks
• Industriegase  – Gasförmige Stoffe, die für die Verwendung in der Industrie hergestellt werden.

• Medien zum Thema Atemgase auf Wikimedia Commons
• Westfalen (2004). „Factsheet zu Divox“ (PDF) (in Niederländisch). Westfalen. Archiviert vom Original (PDF) am 24.07.2011 . Abgerufen am 29.08.2008 .
• Taylor, L. „Eine kurze Geschichte des Mischgastauchens“ . Abgerufen am 29.08.2008 .
• OSHA. „Vorschriften für das gewerbliche Tauchen (Standards – 29 CFR) – Mischgastauchen. – 1910.426“ . US-Arbeitsministerium, Arbeitsschutzbehörde (OSHA) . Abgerufen am 29.08.2008 .