¿Por qué no podemos extraer el oxígeno del agua para que los buzos puedan permanecer sumergidos por tiempo indefinido? Los peces pueden; ¿Por qué...

Sería un proyecto de ingeniería química interesante. En efecto, tendrías que construir un pequeño procesador químico portátil.

La concentración del oxígeno disuelto en agua en condiciones de equilibrio con el aire, es de 10 mg/litro a 15°C. Este valor es mayor a bajas temperaturas (cerca de 15 mg/litro a 0°C) y menor a altas temperaturas (7.5 mg/litro a 30°C). El agua de mar en regiones tropicales, con vegetación subacuática, tiene una concentración de entre 5 y 8 mg de oxígeno por litro.

La NASA estima que un humano consume cerca de 550 litros de oxígeno puro al día, un aproximado de 0.38 litros/min. Los nadadores de combate, nadando a su propio ritmo, consumen cerca de 1.5 litros/min, esto disminuye a 0.64 litros/min cuando están descansando.[1] El manual de buceo de la marina estadounidense (Tabla 3.4)[2] cita valores de entre 0.8 y 1.8 litros/min para nadadores. Considerando estos datos, se estima que se requeriría extraer un mínimo de 1 litro de oxígeno (cerca de 1.4 gramos) por minuto para poder realizar actividades significativas.

Asumiendo que pudiéramos extraer el 100% del oxigeno disuelto, seria necesario procesar de 2.9 a 4.7 litros de agua por segundo. Como explicare mas adelante, una eficiencia del 30% es lo máximo que se puede lograr sin recurrir a la expansión y compresión mecánica del gas respirable. Un rendimiento del 30% supondría la necesidad de procesar entre 10 y 15 litros de agua por segundo. Es un flujo considerable para un aparato portátil. Por ejemplo, una llave de jardín tiene un flujo promedio de 1.5 litros por segundo.

Para poner estos datos en contexto, la velocidad de nado de un buzo experimentado es de aproximadamente 0.5 m/s.[3] A esa velocidad, un flujo de 15 litros/s correspondería a una sección circular con un diámetro de 20 cm. Por ello, si se fuera a construir un dispositivo con una caída de presión mínima, el nadador debería de mantener una velocidad lo suficientemente rápida como para proveer al dispositivo con el flujo de agua necesario (si reflexionamos un poco, seria como los tiburones que no pueden dejar de nadar).

Se han desarrollado membranas permselectivas para extraer oxigeno, con una permeabilidad de 10^-8 cc*cm/cm2/s/cmHg.[4]

Hagamos las siguientes suposiciones:

• Extracción del 30% del oxigeno disuelto en un dispositivo de contracorriente y el mantenimiento de una presión parcial diferencial de 0.30*0.21*760 = 4.8 cmHg a lo largo del dispositivo.
• Una membrana soportada de 1 micrón de grosor (=0.0001 cm).
• Una demanda de 16.7 cc de oxígeno por segundo (equivalentes a 1 litro de oxígeno por minuto).
• El dispositivo será usado en aguas relativamente poco profundas, para evitar problemas de toxicidad por oxigeno y narcosis por nitrógeno.

Una vez que se han establecido esas condiciones de operación, es posible definir que se necesitara de una membrana con un área de 16.7*0.0001/4.8/10^-8 = 35 000 centímetros cuadrados, equivalentes a 3.5 metros cuadrados de área superficial de membrana. Esta superficie operativa puede ser contenida en un modulo de membrana de fibra hueca como este:

El siguiente problema es el suministro del líquido. Bombear 4 litros/s a través de un modulo tan pequeño como este requeriría de una gran caída de presión, tal vez lo suficientemente grande como para romper la membrana.

Afortunadamente, la empresa “3M” tiene módulos de membrana huecos de mayor tamaño a la venta, diseñados para remover gases de fases líquidas.[5]Sus guías técnicas sugieren la utilización de módulos de 8” de diámetro de al menos un metro de largo.

El manejo del gas es un asunto más complejo. La presión parcial de oxígeno mínima necesaria para que los buzos puedan respirar es de 0.16 bar.[6]Asumiendo que el agua circundante esta en equilibrio con la atmósfera, la presión parcial del oxígeno seria de 0.20 bar, entonces podemos contar una diferencia de 0.04 bar para realizar la transferencia de oxígeno a través de la membrana. En humanos, la presión parcial del oxigeno que abandona los pulmones suele ser de 0.10 bar. En un separador de membrana a contracorriente, en el que el liquido y el gas se desplazan en direcciones opuestas, el agua debe de tener una presión parcial mayor a 0.10 bar en la salida. Nuestro ambicioso diseño sugiere una presión de membrana constante de 0.04 bar desde la entrada hasta la salida del dispositivo, por lo que el agua a la salida debería de tener una presión parcial de 0.14 bar. Considerando todo eso, la cantidad máxima de oxígeno disuelto en agua recuperable, en condiciones de para ser respirado, es de 0.06/0.20 = 0.3 (30%).

Para obtener rendimientos mas altos seria necesario reducir la presión del gas, se necesitaría de un aparato mecánico que expanda y comprima de nuevo el gas. La demanda de energía que necesitaría este tipo de dispositivo haría que no fuera practico. Algún tipo de separador químico de ciclos termales, o algún separador/absorbente podrían ser viables, pero aun seria necesario considerar las necesidades energéticas.

Otro problema, sería que la separación de gases solo puede reemplazar el oxígeno consumido. Un “rebreather” sería necesario para purgar el dióxido de carbono producido por el buzo y reciclar el oxigeno sin aprovechar. Afortunadamente, existen varios “rebreathers” disponibles en el mercado.[7]

El uso de fluidos portadores para la extracción de oxigeno podría ser una alternativa al uso de membranas de separación de gases. Esto fue propuesto en la década de 1980[8]y se experimentó con hemoglobina humana, sangre de pez y otros portadores. El truco es encontrar el compuesto adecuado y ser capaz de realizar la extracción liquido-liquido en un dispositivo portátil.

Un dispositivo de buceo portátil para extraer oxigeno del agua podría ser plausible. Pero no se dejen llevar, se necesitarían de varios esfuerzos para adaptar las tecnologías existentes en un aparato de uso práctico.

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