Искусственные жабры для человека: можно ли научиться дышать под водой

Искусственные жабры для человека часто показывают в фантастических фильмах как небольшой прибор, позволяющий плавать без тяжёлых баллонов. Предполагается, что устройство забирает кислород непосредственно из окружающей воды и подаёт его водолазу.

Подобный принцип физически возможен: в морской и пресной воде действительно содержится растворённый кислород. Учёные уже создавали мембраны, способные отделять его от жидкости. Однако между лабораторным экспериментом и безопасным дыхательным аппаратом для человека остаётся огромная разница.

Рыбы получают кислород не из молекул воды

Настоящие жабры не расщепляют воду на водород и кислород. Рыбы используют газообразный кислород, который уже растворён в воде.

Вода проходит через тонкие жаберные лепестки, пронизанные кровеносными сосудами. Из-за различия концентраций кислород переходит через поверхность жабр в кровь, а углекислый газ движется в обратном направлении.

У многих рыб движение крови и воды организовано навстречу друг другу. Такой противоточный обмен позволяет эффективнее извлекать кислород.

Искусственная система должна повторить этот процесс без прямого контакта воды с лёгкими человека.

В воде гораздо меньше кислорода, чем в воздухе

Воздух приблизительно на одну пятую состоит из кислорода. В воде его содержание значительно ниже и зависит от температуры, солёности, глубины и биологической активности.

В одном литре хорошо насыщенной воды обычно содержится лишь несколько миллиграммов растворённого кислорода. Чтобы получить количество, необходимое человеку даже в состоянии покоя, аппарату пришлось бы непрерывно пропускать через себя десятки литров воды в минуту при очень высокой эффективности извлечения.

Во время плавания потребность организма возрастает. Значит, устройство должно становиться мощнее именно тогда, когда водолаз активно двигается.

Небольшой прибор без насоса не сможет обеспечить необходимый поток воды. Мощному насосу, в свою очередь, потребуются аккумулятор и прочная система фильтрации.

Мембрана пропускает газ и задерживает воду

Большинство проектов искусственных жабр основано на газопроницаемых мембранах. В них имеются структуры, через которые проходят молекулы газа, но не проникает жидкая вода.

Растворённый кислород перемещается к другой стороне мембраны под действием разницы парциальных давлений. Затем его необходимо собрать, подготовить и подать человеку.

Для увеличения производительности требуется очень большая площадь обмена. Поэтому мембраны делают в виде множества тонких полых волокон, листов или складчатых поверхностей.

Компактность становится серьёзной проблемой: маленькая мембрана извлекает слишком мало кислорода, а большая превращает устройство в громоздкую систему.

Полученный газ ещё нельзя сразу вдыхать

Извлечь кислород из воды недостаточно. Его необходимо собрать и подать с подходящим давлением.

Давление окружающей воды увеличивается с глубиной. Чтобы человек мог сделать вдох, дыхательная система должна подавать газ примерно под тем же давлением, что действует на грудную клетку.

Для этого нужны компрессор, регулятор и система контроля состава дыхательной смеси. Они потребляют энергию и увеличивают размеры оборудования.

Подача чистого кислорода тоже небезопасна на любой глубине. При повышенном парциальном давлении он становится токсичным. Поэтому состав смеси необходимо точно регулировать.

Углекислый газ представляет отдельную проблему

Человек не только поглощает кислород, но и непрерывно выделяет углекислый газ. Если он накапливается в дыхательном контуре, возникает опасное отравление.

Обычный акваланг удаляет проблему просто: выдохнутый газ выпускается в воду пузырьками. Но система с искусственными жабрами может использовать замкнутый или полузамкнутый контур.

В таком аппарате углекислый газ необходимо поглощать химическим веществом либо выводить через отдельную мембрану. Требуются датчики, клапаны и надёжная автоматика.

Даже при достаточном количестве кислорода ошибка в удалении углекислого газа способна привести к потере сознания.

Эксперимент с жуком не доказывает пригодность для людей

В одном из известных исследований учёные создали газопроницаемую мембранную систему и поместили в неё жука. Насекомое смогло оставаться под водой более двух суток.

Эксперимент подтвердил, что мембрана способна получать кислород из окружающей воды. Но потребление газа у небольшого насекомого несопоставимо с потребностями взрослого человека.

Люди являются теплокровными организмами и расходуют много энергии на поддержание температуры тела. Во время плавания мышцы дополнительно увеличивают потребление кислорода.

Чтобы увеличить лабораторную систему до человеческого масштаба, необходимо многократно повысить площадь мембраны, скорость потока и мощность оборудования.

Морская вода усложняет работу устройства

Лабораторная вода и настоящий океан отличаются. В море находятся соль, песок, планктон, микроорганизмы и органические частицы.

Они могут забивать тонкие каналы, оседать на мембране и снижать её газопроницаемость. Поверхность постепенно обрастает бактериями и другими организмами.

Для стабильной работы потребуются фильтры и регулярная очистка. Но фильтр создаёт дополнительное сопротивление потоку, заставляя насос расходовать больше энергии.

Содержание кислорода также меняется. В тёплой или загрязнённой воде его может оказаться заметно меньше, чем ожидал разработчик.

Форма небольшого респиратора нереалистична

В интернете периодически появляются проекты миниатюрных устройств, которые человек якобы сможет держать во рту и использовать десятки минут без баллона.

Такое обещание должно вызывать сомнение. Для работы необходимы мембрана большой площади, насос, источник энергии, компрессор, дыхательный контур, удаление углекислого газа и контроль давления.

Уместить все компоненты в маленьком корпусе при существующих технологиях невозможно. Красивый рисунок, патент или короткая демонстрация под водой не подтверждают безопасность и работоспособность устройства.

Настоящий дыхательный аппарат должен пройти независимые испытания, включая проверку при нагрузке, на разных глубинах и при отказе отдельных компонентов.

Современные проекты используют гибридный подход

Более реалистичная идея заключается не в полном отказе от запасённого газа, а в дополнении существующего ребризера искусственной жаброй.

Ребризер повторно использует выдыхаемую смесь. Специальный поглотитель удаляет углекислый газ, а израсходованный кислород восполняется из баллона.

Если мембрана сможет получать хотя бы часть кислорода из воды, запас газа будет расходоваться медленнее. Это позволит увеличить продолжительность погружения без необходимости обеспечивать всё дыхание только искусственными жабрами.

Именно такой гибридный подход исследуют некоторые современные проекты. Но и он требует длительных испытаний перед применением людьми.

Электролиз не является компактной заменой

Кислород можно получить не только из растворённого газа, но и расщеплением самой воды при помощи электричества. Этот процесс называется электролизом.

Однако для него требуется значительное количество энергии. Одновременно образуется водород, который необходимо безопасно отводить.

На подводных лодках кислород действительно могут получать с помощью сложных установок, но они питаются от мощной энергетической системы судна. Уменьшить такой комплекс до размера индивидуального респиратора чрезвычайно трудно.

Мембранные жабры и электролиз используют разные принципы, поэтому смешивать их в одном объяснении неправильно.

Акваланги пока остаются надёжнее

Обычный акваланг содержит заранее сжатый дыхательный газ. Водолаз точно знает его количество и может контролировать оставшийся запас по манометру.

Регулятор снижает давление газа и подаёт его для вдоха в соответствии с глубиной. Система не зависит от содержания кислорода в окружающей воде.

Ребризеры позволяют использовать газ экономнее, но требуют специального обучения и внимательного контроля. Ошибка при их эксплуатации может быть смертельно опасной.

Искусственные жабры должны стать не только компактнее существующего оборудования, но и как минимум такими же предсказуемыми и надёжными.

Глубина создаёт дополнительные опасности

Даже идеальная искусственная жабра не устранит остальные риски погружения. Давление продолжит воздействовать на организм человека.

В зависимости от состава дыхательной смеси и профиля погружения сохраняются опасности декомпрессионной болезни, азотного наркоза, кислородной токсичности и повреждения лёгких.

Устройство, обеспечивающее неограниченный запас кислорода, не позволит человеку безопасно находиться на любой глубине сколько угодно времени.

Для подводной работы всё равно потребуются обучение, контроль глубины, планирование подъёма и аварийный запас дыхательного газа.

Технология может найти другие применения

Даже если персональные жабры не появятся в ближайшее время, исследования газопроницаемых мембран остаются полезными.

Такие технологии могут применяться:

• в системах жизнеобеспечения;
• для очистки и насыщения жидкостей газами;
• в медицинском оборудовании;
• в аквакультуре;
• в подводной робототехнике;
• в гибридных дыхательных аппаратах.

Работа над искусственными жабрами помогает совершенствовать мембраны, насосы и методы газообмена. Иногда технология оказывается ценной в другой области раньше, чем достигает первоначальной цели.

Перспективная идея с серьёзными ограничениями

Искусственные жабры для человека не нарушают законы физики. Растворённый кислород действительно можно извлекать из воды при помощи специальных мембран.

Главная проблема заключается в масштабе. Человеку требуется намного больше кислорода, чем способно предоставить маленькое пассивное устройство. Необходимо прокачивать огромный объём воды, удалять углекислый газ и подавать смесь под подходящим давлением.

Поэтому компактные жабры без баллонов пока остаются научной концепцией. Наиболее реалистичное ближайшее применение технологии — гибридная система, которая извлекает часть кислорода из воды и помогает экономнее расходовать запас дыхательного газа.