Künstliche Kiemen: Elektrolyse für Kiemen?

Sie sind nicht die erste Person , die daran denkt... Peter Watts verwendet diese Art von Sauerstoffquelle in seiner Unterwasserliteratur, einschließlich Seestern ( vollständige Geschichte kostenlos auf seiner Website verfügbar ) und in einem Kurzgeschichtenausschnitt .

Bei den Riftern in Starfish wurde eine Lunge durch ein System ersetzt, das den entsprechenden Gasaustausch selbst durchführt und alle Probleme beseitigt, dass sich schlechte Dinge unter extremem Druck in und aus Körperflüssigkeiten auflösen, und letzteres hat ein einfacheres System, das Atemgas erzeugt von einem unveränderten Menschen eingeatmet.

Ich kann nicht sagen, an welchem ​​System Sie speziell interessiert sind, beachten Sie jedoch, dass ersteres invasiver ist und ein direktes Gasaustauschsystem benötigt, durch das Blut gepumpt wird (ein bisschen wie ECMO , vielleicht kombiniert mit Flüssigkeitsatmung , um jegliches Hoch- Druckgasstufen), um Sauerstoff hinein und CO ₂ hinaus zu bekommen. Das letztere System verwendet zu diesem Zweck die Lunge des Tauchers (effektiv Hydrox- Tauchen). Das ist offensichtlich einfacher und nicht invasiv, löst aber nicht die Probleme der Gasnarkose oder der Biegungen . Ich werde hier nicht weiter ins Detail gehen, aber offensichtlich gibt es Details, um die Sie sich kümmern müssen.

Betrachten wir jedoch Ihre Designideen:

Ich habe mich dafür entschieden, sie in großen "Flügeln" auf dem Rücken zu platzieren

Ein professioneller Aerobic-Sportler atmet vielleicht 150 Liter Luft pro Minute auf Meereshöhe, während er hart arbeitet, und dies scheint ein OK-Level für "maximale Leistung" zu sein. Etwa 5 % jeder Lunge werden verbraucht, wodurch Sie einen maximalen O2-Fluss von nur einem Achtel Liter pro Sekunde erhalten.

Die Sauerstoffdichte bei STP beträgt etwa 0,04013 mol/dm ³ (etwas weniger als das entsprechende ideale Gas ), sodass wir sehen können, dass unser Athlet ~5 mmol Sauerstoff pro Sekunde benötigt.

Es gibt ein einzelnes Sauerstoffatom pro Wassermolekül. Wir brauchen also 10mmol Wasser auf allgemein 5mmol O2. Das Molekulargewicht von Wasser beträgt 18,01528 g/mol, daher können Sie Ihren gesamten Sauerstoffbedarf aus 0,18 g reinem Wasser pro Sekunde decken ... ein äquivalenter Durchfluss von nur 10 ml pro Minute! (und wenn Sie daran interessiert sind, meine Ergebnisse zu überprüfen, hilft diese Antwort von Chemistry.SE )

Offensichtlich wären die Durchflussraten in einem echten Gerät wahrscheinlich höher, weil Sie nicht möchten, dass Ihre Elektrolysezelle vollständig trocken wird. Dies vermeidet Verstopfungen durch gelöste Stoffe wie Salz oder Kalziumkarbonate und verhindert, dass freigesetztes Gas zu heiß wird.

Sie können sehen, dass Sie das gesamte Wasser, das Sie für Ihre Elektrolyse-Kiemen benötigen, von einer winzigen Pumpe mit einem winzigen Einlassloch (oder mehreren Löchern, um das Risiko einer Verstopfung zu verringern) zuführen können. In ähnlicher Weise wäre ein kleines Entlüftungsloch (oder eine Reihe von Löchern) erforderlich, um überschüssiges Gas abzulassen, das 10 mmol/s H2 beträgt, wenn Sie das Blut des Tauchers direkt mit Sauerstoff versorgen.

Ein ruhender Mensch benötigt etwa 5-8 l/m Luft, was weitaus weniger ist als der Athlet, und so benötigt jemand, der sanft schwimmt oder paddelt, eine Größenordnung weniger Wasser.

Hinweis: Wenn Sie Gas zum Einatmen erzeugen , müssen Sie mehr Wasser spalten, um genügend Wasserstoff zum Verdünnen des Sauerstoffs bereitzustellen, da das Atmen mit einem zu hohen Sauerstoffpartialdruck zu einer akuten Sauerstofftoxizität führt , die tödlich sein kann. Das bedeutet, dass Sie anstelle eines Wasserstoffüberschusses einen Überschuss an Sauerstoff erzeugen, der ins Meer abgelassen werden muss. Denken Sie daran, dass Hydrox zwar unter normalen Umständen potenziell gefährlich ist, Sie jedoch weder große Mengen des Materials erzeugen noch speichern, und was Sie erzeugen, entweder sofort verbraucht oder entlüftet wird. Es sollte Sie ohne Narkoserisiko sicher in Tiefen von über 200 m tauchen lassen. Eine sorgfältige Dekompression ist immer noch erforderlich, aber dies könnte sicherer und einfacher als Heliox gemacht werdenTauchen.

Es werden keine riesigen Flächen zur Wassergewinnung durch Elektrolyse benötigt .

Und anscheinend ist Salzwasser ein guter Leiter?

Das ist es, aber wir haben festgestellt, dass Ihr Elektrolyseur ziemlich klein und daher gut geschützt sein kann. Falls erforderlich, könnte sie in einem gepulsten Betriebsmodus betrieben werden, bei dem das zu elektrolysierende Wasser durch Ventile elektrisch von der Außenseite isoliert ist und wenn Abfallwasserstoff ausgestoßen wird, kann Wasser angesaugt werden, um die Kammer wieder zu füllen. Elektrozeptive Arten wie Haie könnten Ihr Gerät bemerken, aber ob sie es interessant oder unangenehm finden würden, kann ich nicht sagen.

Der Strombedarf ist ein etwas größeres Problem. Wasser benötigt zum Aufspalten 237,24 kJ/mol . Um also die erforderliche Rate von 10 mmol Wasser pro Sekunde aufzuspalten, benötigen Sie eine Stromversorgung von ~ 2380 W, was bei den erforderlichen 1,23 V einem Strom von fast 2 KA entspricht. Dies entspricht der zum Schweißen benötigten Energieversorgung. Sie werden eine anständige Brennstoffzelle oder Batterie brauchen, um Ihre Luftversorgung zu betreiben!

Natürlich benötigt eine normale Person möglicherweise nur ein Zehntel der Durchflussrate eines Profisportlers und benötigt eine vernünftige 238-W-Stromversorgung , eher wie ein Elektrofahrrad, das mit moderner Batterietechnologie offensichtlich erreichbar ist, ohne zu sperrig oder teuer zu sein. Selbst der Athlet kann die Anstrengung im Sprint nicht lange aushalten, verglichen mit der wahrscheinlichen Länge eines Sprungs.

In jedem Fall sollten zukünftige Brennstoffzellen Ihnen eine ziemlich gute Energiedichte bieten, und zukünftige Fortschritte in der künstlichen Photosynthese sollten den Brennstoff liefern, der bequem auf See an der Oberfläche hergestellt werden kann.

Einige weitere chemische Geschicklichkeit wird zweifellos erforderlich sein. Beispielsweise kann die Elektrolyse von Salzwasser Chlorgas freisetzen, das Sie wahrscheinlich nicht einatmen möchten, und Chloridionen können die Elektrolyseausrüstung beschädigen. Auf diesem Gebiet gibt es bereits einige Forschungsarbeiten , obwohl es sich lohnt zu bedenken, dass einige Arten von Schäden (oder Sabotage!) an Ihren elektrolytischen Lungen im Meerwasser immer noch dazu führen können, dass Chlor freigesetzt wird.