Membran undurchlässig für N2N2N_2, aber durchlässig für CO2CO2CO_2 und O2O2O_2?

Ich werde hier auf die Beine gehen und nein sagen (und damit durchkommen, weil Sie nicht nach harter Wissenschaft gefragt haben!)

$N_2$ist kleiner und leichter als$CO_2$, und beide sind nicht polar. Es gibt keinen trivialen Weg, eine Membran herzustellen, die das größere Molekül durchlässt und das kleinere zurückweist. Es gibt eine Technologie, um Stickstoff (verwendet in Sauerstoffkonzentratoren ) und Kohlendioxid (wie in Rebreathers verwendet ) aus der Luft zu filtern, aber das würde nicht helfen, wenn Sie das Ergebnis als Atemgas verwenden, weil Sie entweder massiv zugenommen haben die Partialdrücke der restlichen Komponenten Ihres Atemgases (was gefährlich ist, siehe unten) oder Sie haben es mit einem anderen Inertgas gefüllt, um das Gleichgewicht herzustellen, wodurch Ihr ursprüngliches Konstruktionsziel zunichte gemacht wird (und kein alternatives Gas ist perfekt, alle sind mit Kosten und Risiken verbunden).

Am besten bauen Sie einen alternativen Gasaustauschmechanismus, der keinen atmosphärischen Umgebungsdruck verwenden muss, um Gas in und aus dem Blut zu bringen, dh. eine spezialisierte künstliche Lunge ( ECMO ). Sie müssten wahrscheinlich Ihre erforderlichen Atemgase in einer Art Flüssigkeit auflösen (ähnlich wie bei einem Flüssigkeitsatmungsansatz ) und die Gase dann über eine einfachere Membran in den Blutkreislauf diffundieren lassen.

Dies wäre ein nicht triviales Stück Technik und Medizin, wenn Sie wollten, dass es kompakt, zuverlässig und sicher in Unterwasserumgebungen ist. Ich stelle fest, dass dieser Ansatz in Peter Watts' Starfish und seinen anderen Rifters- Büchern mit einem chirurgisch implantierten Lungenersatz verwendet wurde. Er ging noch einen Schritt weiter und ließ es auch per Elektrolyse Sauerstoff aus Wasser extrahieren (lesen Sie den Link für weitere Details und verwandte Arbeiten). Wenn Sie das nicht möchten, können Sie es immer noch als Unterwasser-Atemsystem verwenden ... nehmen Sie einfach einen geeigneten Kohlendioxidwäscher und eine Sauerstoffquelle, die mit der Atemflüssigkeit arbeitet, und betreiben Sie es als eine Art Flüssigkeitskreislauf-Rebreather.

Indem Sie den Umgebungsdruck aus der Gleichung entfernen, befassen Sie sich nicht nur mit Gastoxizitätsproblemen, sondern auch mit einigen Gasausdehnungsproblemen, wenn Sie die Tiefe ändern. Das Risiko einer Dekompressionskrankheit ist viel geringer, wenn beispielsweise keine gelösten Gase Blasen in Ihrem Körper bilden. Sie müssten sich immer noch darum kümmern, die Lungen, Nebenhöhlen und Eustachischen Röhren unter Druck zu halten (das System von Watts hat die Atemwege mit Kochsalzlösung geflutet, als die künstliche Lunge in Betrieb war), also müssen Sie immer noch auf Quetschungen und Überdehnungsverletzungen achten.

Stickstoffnarkose wäre absolut tödlich

Viele Dinge werden bei ausreichend hohem Druck tödlich. Akute Sauerstofftoxizität führt zu Krampfanfällen, langfristige Exposition gegenüber Hochdrucksauerstoff schädigt (unter anderem) die Lunge. Sie müssen sehr vorsichtig mit anderen Verunreinigungen sein, die von einer Reizung an der Oberfläche bis hin zu tödlichen Folgen in der Tiefe reichen können. Sie haben auch andere ernsthafte, nicht biologische Probleme, wie zum Beispiel die Tatsache, dass es viel zusätzlichen Sauerstoff in der Luft gibt, der Brände in Ihren Lebensräumen wirklich aufregend macht .

Ich vernachlässige hier das Hochdrucknervensyndrom, da Wale eine Problemumgehung gefunden haben

Wale, wie auch alle anderen tauchenden Meeressäuger, halten den Atem an. Dies begrenzt stark, wie lange ihre Tauchgänge sein können. Es begrenzt auch die maximale Menge eines Gases, das in ihren Körper diffundieren kann. Sie haben auch Anpassungen, um ihr Blut und ihre Muskeln vor dem Tauchgang besser mit Sauerstoff zu füllen und den Gastransfer aus der Lunge in die Tiefe zu begrenzen, wodurch die Fähigkeit unerwünschter Gase verringert wird, in ihr Blut zu diffundieren und dann toxische oder narkotische Wirkungen oder das Risiko von Biegungen zu verursachen . Es ist überhaupt nicht klar, dass sie in dem von Ihnen gemeinten Sinne "eine Problemumgehung gefunden haben", weil sie ihr Nervensystem möglicherweise einfach nicht den Arten und Mengen gelöster Gase aussetzen, die Tiefseetaucher tun.

Wenn Sie in der Tiefe bleiben und kontinuierlich aus einer anderen Luftquelle atmen, lösen sich die "trägen" Teile Ihres Atemgases in Ihrem Blutstrom auf, was Walen nicht passiert. Ignorieren Sie tauchende Säugetiere, wenn Sie eine langfristige Unterwasserbehausung in Betracht ziehen. sie tun es nicht und sind nicht dafür geeignet. Der längste Tauchgang eines Säugetiers dauert etwas mehr als 2 Stunden , durch etwas mit einer ganz anderen Physiologie als der Mensch. Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie, wenn Sie Unterwasseratemgeräte für Wale und Walrosse haben, feststellen werden, dass sie im Laufe der Zeit eine ganze Reihe von druckbedingten Krankheiten entwickeln, genau wie Menschen.

Über einen längeren Zeitraum unter hohem Druck zu stehen, bringt eine ganze Reihe neuer Probleme mit sich, die kaum verstanden werden. Lesen Sie sich die Risiken durch, denen Sättigungstaucher ausgesetzt sind , um Beispiele für diese Art von Problemen zu finden. Es ist unwahrscheinlich, dass eine Änderung der Atmosphärenzusammensetzung all diese Probleme löst.

Je nachdem, wie tief Sie gehen, ist Stickstoff nicht Ihr einziges Problem. Sobald Sie unter etwa 60 m Tiefe kommen, setzt auch die Sauerstoffvergiftung ein und CO ₂ -Vergiftung ist auch etwas, worüber sich Taucher wirklich Sorgen machen müssen. All dies lösen sie mit speziellen Luftmischungen, die prozentual Inertgas enthalten, um die Menge an eingeatmetem Sauerstoff und Stickstoff zu reduzieren und ihre Ausatmung vollständig entweichen zu lassen, sodass sich das CO 2 nicht in einem geschlossenen System _ansammeln kann .

So; Umgebungen mit niedrigem Druck tief im Ozean sind möglich, aber Sie werden einige Inertgase einbringen und versuchen, Ihre Umgebung so geschlossen wie möglich zu halten. Aber wie bekommt man überhaupt das richtige Gleichgewicht?

Beginnen wir mit dem Stickstoff; Stickstofffiltration ist eine Sache, und es ist bereits möglich, Stickstoff aus der Atmosphäre zu reinigen und zu extrahieren. Bis zu einem gewissen Grad können wir dasselbe mit Sauerstoff machen, und wir verstehen sogar die Theorie der chemischen Befreiung von Sauerstoff aus CO ₂ . Es ist nicht einfach, aber es ist möglich.

So; In seiner einfachsten Form ist der Ansatz, den Sie benötigen, folgender:

1) Bringen Sie einen Tank mit Inertgas herunter.
2) mit dem Herausfiltern und Auffangen von Stickstoff beginnen, aber
3) mit dem Nachfüllen von Inertgas bei atmosphärischem Druck beginnen.

Sie müssen dasselbe auch mit Sauerstoff tun, wenn Sie können, für Notfälle. Überwachen Sie weiterhin Ihre atmosphärischen Werte, und wenn Ihr Sauerstoffpartialdruck bei etwa 0,2 ATM und Ihr Stickstoff bei etwa 0,6 ATM liegt, haben Sie Ihr Gleichgewicht erreicht.

Auf lange Sicht benötigt Ihre Umgebung natürlich Pflanzen zum Überleben, daher sollten Sie große Erntekuppeln haben, die CO ₂ für Sie auf natürliche Weise in O _{2 umwandeln.} Pflanzen Sie auch viele Hülsenfrüchte wie Bohnen. Diese nehmen den Stickstoff aus der Atmosphäre auf und „fixieren“ ihn im Boden, was für eine gute Pflanzenbewirtschaftung benötigt wird. (Deshalb können Sie nicht einfach den gesamten Stickstoff aus der Atmosphäre entfernen.)

Einfach gesagt, alle Geräte, die Sie im industriellen Maßstab benötigen, sind bereits verfügbar, sowohl für die Erfassung als auch für die Freisetzung und Überwachung von Gasbestandteilen in Ihrer Atmosphäre. Langfristig möchten Sie auch versuchen, ein möglichst nachhaltiges Ökosystem in Ihren Kuppeln zu entwickeln, da dies den Verschleiß Ihrer Ausrüstung verringert. Dies ist mit der aktuellen Technologie tatsächlich durchaus machbar; Der einzige Hinweis zur Vorsicht ist, dass die Ökologie der Erde ein komplexes Zusammenspiel von Wechselwirkungen ist, von dem Sie nicht hoffen können, es in Ihrer Unterwasserumgebung perfekt zu replizieren. Sie müssen dennoch von Zeit zu Zeit Aspekte Ihrer Umgebung, einschließlich der Atmosphäre, auffrischen.

Sie könnten dies mit einer Mischung aus einem SCUBA-System und einem Sauerstoffkonzentrator tun.

https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_concentrator

Sauerstoffkonzentratoren verwenden typischerweise die Druckwechseladsorptionstechnologie (PSA) und werden sehr häufig für die Sauerstoffversorgung in Gesundheitsanwendungen verwendet, insbesondere dort, wo flüssiger oder unter Druck stehender Sauerstoff zu gefährlich oder unbequem ist, wie z. B. zu Hause oder in tragbaren Kliniken. Für andere Zwecke gibt es auch Konzentratoren auf Basis der Membrantechnologie. Ein Sauerstoffkonzentrator nimmt Luft auf und entfernt Stickstoff daraus, wodurch ein mit Sauerstoff angereichertes Gas zur Verwendung durch Menschen zurückbleibt, die aufgrund eines niedrigen Sauerstoffgehalts in ihrem Blut medizinischen Sauerstoff benötigen. 1Sauerstoffkonzentratoren werden auch verwendet, um eine wirtschaftliche Sauerstoffquelle in industriellen Prozessen bereitzustellen, wo sie auch als Sauerstoffgasgeneratoren oder Sauerstofferzeugungsanlagen bekannt sind. Sauerstoffkonzentratoren verwenden ein Molekularsieb, um Gase zu adsorbieren, und arbeiten nach dem Prinzip der schnellen Druckwechseladsorption von atmosphärischem Stickstoff auf Zeolithmineralien und dem anschließenden Ablassen des Stickstoffs. Diese Art von Adsorptionssystem ist daher funktionell ein Stickstoffwäscher, der die anderen atmosphärischen Gase passieren lässt. Dadurch verbleibt Sauerstoff als verbleibendes Primärgas. Die PSA-Technologie ist eine zuverlässige und wirtschaftliche Technik für die Sauerstofferzeugung im kleinen bis mittleren Maßstab, wobei die kryogene Trennung bei höheren Volumina besser geeignet ist und die externe Zufuhr im Allgemeinen besser für kleine Volumina geeignet ist. 2

Aber ein Problem für Ihre Menschen ist, dass sie selbst dann, wenn sie das N2 entfernen, immer noch Helium zum Atmen benötigen. Wenn Sie bei diesem Druck Stickstoff loswerden, haben Sie verbleibenden Hochdrucksauerstoff, der die Lungen schnell verbrennt. Sie müssen auch den Sauerstoff auf einen minimalen Prozentsatz reduzieren und ein Inertgas (Helium) einführen, um den fehlenden Druck auszugleichen, damit sie einatmen können.

Verwenden Sie die Bindehaut als Atmungsmembran.

Ihre Tiefenbewohner müssen vor hohen O2- und N2-Konzentrationen geschützt werden. Die Schnittstelle, die wir mit der Atmosphäre (Lunge) haben, ist viel größer, als sie zum Austausch von Gasen bei diesen Konzentrationen benötigt, und die Lunge stellt kein Hindernis dar, dass konzentriertes Stickstoffgas mit dem Blut ins Gleichgewicht kommt. Lungenempfindliche Lungen werden durch hochkonzentrierten Sauerstoff verbrannt.

Sie brauchen die Lunge aus dem Blick. Ihre Tiefenbewohner halten ihren fötalen Kreislauf aufrecht. Ihr Blut umgeht die Lunge.

Beim Fötus findet statt des Gasaustauschs in der Lunge ein Gasaustausch in der Plazenta statt. Bei hochkonzentriertem Sauerstoff kann der Gasaustausch über einen kleinen gasexponierten Bereich stattfinden. Sie benutzen die Augen.

Die Augen sind der Umgebungsluft ausgesetzt. Ihre tiefen Bewohner haben einen hohen Hämoglobinspiegel und Blut wird weiter im Auge freigelegt, wodurch die Sklera rot wird, wie bei einer Bindehautblutung. Das ist extravasiertes Blut, wie ein blauer Fleck, aber sie bleiben hellrot, weil die Hornhaut sauerstoffdurchlässig ist.

Das sorgt für die Sauerstoffversorgung. Der Stickstoffeintrag ist begrenzt, wird sich aber dennoch allmählich ausgleichen. Dieser leichte Überschuss an Stickstoff sowie das durch die Atmung entstehende CO2 werden intern behandelt.

Überschüssiger Stickstoff wird durch kommensale Stickstofffixierer im Darm zu Harnstoff fixiert. Harnstoff wird vom Körper verbraucht oder ausgeschieden.

CO2 ist am schwierigsten, weil wir viel produzieren. Wie kann man es loswerden, ohne zu atmen? Ich schlage vor, es in alkalischen Flüssigkeiten im Magen abzusondern und durch Aufstoßen zu beseitigen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Phonation ermöglicht wird, da ohne Atmung kein Sprechen möglich wäre. Ihre Tiefenbewohner werden zwangsläufig prägnant sein und ihre Worte sparsam wählen.

Sollte alles andere fehlschlagen, können Sie sich an eine biochemische Lösung wenden.
Zellen haben Transport-/Kanalproteine ​​in ihren Wänden, die nur bestimmte molekulare oder atomare Ionen passieren lassen.

Die Fähigkeit, nur bestimmte Partikel passieren zu lassen, hängt mit der energetischen Struktur des bindenden Teils eines Kanalproteins zusammen, das auf die energetische Struktur des Ziel-Transportpartikels „geeicht“ ist. Was nicht passt, kann einfach nicht passieren.

Während ich glaube, dass dies in eine Art Atemmaske biotechnologisch umgewandelt werden könnte (indem wir die Geschwindigkeit des Prozesses ein wenig erhöhen), sind Proteinbindungen nicht ohne Fehler. Hämoglobin, das der Körper hauptsächlich zum Transport verwendet$\rm O_2$, kann auch binden$\rm CO$, Vergiftung verursachen. Aber einige zukünftige Technologien könnten in der Lage sein, damit umzugehen.