Sensores de oxígeno en el buceo con rebreathers




Sonia Rowley, Ph.D., fotografía el registrador de datos de temperatura que acaba de lanzar en la bajada en la isla de Pohnpei, Micronesia.


Una medición confiable del oxígeno es la tecnología que hace posible el uso de rebreathers (recirculadores) de circuito cerrado (CCR, por sus siglas en inglés) con mezclas respiratorias. Durante los últimos 50 años, todos los CCR electrónicos menos uno han dependido del sistema inventado por el científico marino Walter Starck para el Electrolung, el primero CCR comercial. El diseño de Starck, que fue presentado en 1968, incluía tres sensores de oxígeno (O2) electromecánicos junto con un protocolo de "lógica de votación" para abordar la poca fiabilidad de los sensores individuales. No obstante, Desarrollos recientes sugieren que la hegemonía tecnológica de Starck ha alcanzado su apogeo.


Sensor óptico de Poseidon
En marzo de 2017, Poseidon Diving Systems comenzó a distribuir el primer sensor de CCR de estado sólido digital, que promete aportar una mayor precisión y fiabilidad a la medición de oxígeno. Este sensor óptico está configurado para funcionar como suplemento externo de los sensores galvánicos utilizados en los rebreathers MKVI y SE7EN de Poseidon. La empresa con sede en Suecia también tiene pensado incorporar el sensor a su rebreather SE7EN dentro del próximo año y ha ofrecido conceder la licencia de la tecnología a otros fabricantes.

Avon Underwater Systems también ha anunciado planes de lanzar un sensor óptico de O2 que se utilizará en su nuevo rebreather militar MCM100. El MCM100 es la creación del director de desarrollo comercial Kevin Gurr, que vendió su empresa a Avon después de inventar los rebreathers deportivos Sentinel y Hollis Explorer. Avon está trabajando con el desarrollador de sensores Polestar Technologies, que también está creando un sensor óptico de dióxido de carbono (CO2) (consulte Equipo, Alert Diver, primer trimestre de 2016).

Este tan esperado desarrollo es una excelente noticia para el buceo con rebreathers, que aún tiene un índice de mortalidad que se estima es hasta 5 a 10 veces más alto que el del buceo con circuitos abiertos. Los sensores galvánicos son considerados el talón de Aquiles de los CCR; una gran cantidad de muertes y accidentes puede atribuirse a sus fallas. Los sensores ópticos prometen ser una mejora de seguridad considerable.

Dada la envergadura y la economía del mercado del buceo deportivo, probablemente transcurrirá algún tiempo antes de que los sensores ópticos sean algo corriente. La mayoría de los conocedores dicen que es poco probable que los sensores ópticos puedan reducir la cantidad de muertes por su propia cuenta de manera tangible. Sin embargo, contribuirán considerablemente con el avance de la tecnología de rebreathers desde su naturaleza de prueba piloto actual a un punto más cercano a una posición permanente.
La perspectiva de Starck
El Electrolung de Starck utilizaba tres sensores polarográficos inventados recientemente cuya conductividad variaba proporcionalmente con los niveles de oxígeno. Starck y sus colegas ensamblarían y calibrarían sensores nuevos para cada día de buceo. Dada la falibilidad inherente de los sensores, Starck incorporó un protocolo de lógica de votación que determinaba la presión parcial de oxígeno (PO2) al promediar la salida de los dos sensores cuyas lecturas eran más cercanas e ignorar el tercero.

En el transcurso de un año otra empresa incipiente, BioMarine Instruments, utilizó el diseño de sensor de Starck para su CCR-1000, el predecesor del Mark 16 (MK 16) de la Marina de los Estados Unidos. Su versión reemplazó los sensores polarográficos con celdas galvánicas de combustible, que no requerían un suministro de energía. Si bien las primeras celdas tenían que ser reemplazadas cada algunas semanas, rápidamente se convirtieron en el estándar de la industria.

Los sensores galvánicos, que básicamente son baterías de celda húmeda que generan una corriente en milivoltios proporcional al PO2 en el sistema, han mejorado considerablemente desde ese entonces, pero como cualquier buzo con rebreathers sabe, son puntillosos en el mejor de los casos. Los sensores tienen una vida limitada, pueden estar limitados respecto a la corriente y sufrir irregularidades en la fabricación y una variación individual. También pueden tener problemas con la calibración, compensación de la temperatura, condensación y manipulación. Además, en algunas circunstancias, se ha demostrado que el protocolo de lógica de votación de Starck ofrece una mayor fiabilidad que un único sensor.
En busca del Santo Grial


Poseidon impulsó su entrada al negocio de los rebreathers en 2005 gracias a la licencia de la tecnología Cis-Lunar de Bill Stone y ha sido un gran innovador en los que se refiere a los rebreathers deportivos. En 2007 la empresa presentó su sistema Active Sensor Validation (ASV), que valida automáticamente su sensor de O2 principal cada cinco minutos, realiza otras pruebas cada un minuto e incorpora un sensor redundante secundario, probablemente la primera innovación significativa en los sensores de O2 desde el Electrolung.

A continuación la empresa se embarcó en una cruzada para reemplazar sus sensores galvánicos por tecnología más confiable. El resultado es un sensor óptico nuevo que utiliza extinción luminiscente. Básicamente, una luz LED excita la parte inferior de la superficie del polímero especial, que está cubierta por una membrana hidrofóbica y expuesta al gas en el circuito de respiración. Un medidor de color digital luego mide el cambio consecuente en la fluorescencia, que depende de la tensión de oxígeno, y un algoritmo calcula el PO2 (consulte el diagrama).

"Durante los últimos cinco años mi Santo Grial ha sido mejorar los sensores de oxígeno", explicó el CEO de Poseidon Jonas Brandt, que espera que su nuevo sensor dure más de 3.000 horas de buceo. "Creo que hemos tenido éxito". El sensor viene calibrado de fábrica y necesita la computadora de buceo M28 de Poseidón para funcionar; no puede ser sustituido por un sensor analógico.


Poseidón está ofreciendo su sensor óptico y contenedor CPOD como un sensor externo que se conecta al circuito de respiración y está accionado por la computadora M28 de Poseidon.


Un colaborador de Stone, Richard Pyle, y un equipo de ictiólogos del Bishop Museum en Honolulu, Hawái, han estado realizando pruebas de campo de los nuevos sensores durante más de un año y generando abundantes datos que se están utilizando para perfeccionar el algoritmo del sensor. El rebreather SE7EN registra entre 30.000 y 40.000 sucesos por hora. Pyle calculó que tienen aproximadamente 1.000 horas de buceo en los sensores a profundidades de hasta 152 metros (500 pies). "El sensor ha sido sumamente confiable y mucho más granular que la celda galvánica", manifestó. "Tuvimos numerosos incidentes donde las celdas galvánicas no concordaban con el sensor de estado sólido; en todos los casos las celdas estaban equivocadas".

Brandt comentó que la empresa tenía reservas por unos 80 de los sensores de 1.495 dólares estadounidenses y adaptadores externos CPOD a partir de marzo de 2017. Poseidon tiene pensado incorporar el nuevo sensor a su sistema ASV el próximo año y está en conversaciones con al menos un fabricante más que está interesado en la licencia de la tecnología.

El nuevo sensor de Polestar también está basado en la extinción luminiscente pero cuenta con una cinta de detección de polímeros consumible que debe ser reemplazada periódicamente. La empresa inicialmente desarrolló la química del sensor para NASA, que necesitaba un sensor confiable para monitorear los jardines de estaciones espaciales. Vende sensores por aproximadamente 1 millón de dólares estadounidenses cada año para el mercado de biorreactores y actualmente los está adaptando para el buceo.

"Muchas industrias están haciendo la conversión de sensores electromecánicos a ópticos debido a su fiabilidad", afirmó James Kane, vicepresidente de desarrollo de productos y tecnología de Polestar.
¿Qué está respirando?
¿Que implicará un sensor óptico de O2 sólido como una roca para los buzos? En primer lugar, probablemente sólo deberán controlar un único valor de PO2 en vez de tres. La probabilidad de que el sensor mejore la seguridad de los buzos con rebreathers es una pregunta más matizada. Conforme explicó el asesor de factores humanos Gareth Lock: "la seguridad es un concepto de sistemas, no una característica de un producto. No existe tal cosa como un rebreather seguro por sí mismo".

Sin embargo, eliminar la incertidumbre de los buzos respecto a qué están respirando en algún momento durante el buceo sólo puede mejorar la seguridad, al igual que completar sus checklists (listas de verificación).

© Alert Diver — 2do Trimestre 2017