Zusammenfassung des Vortrages
»Im Tiefenrausch – physiologische und technische Adaptionen an eine feindliche Umwelt«
von Helmut Schütz, gehalten am 23. September 1999 im Salle de Bal in Wien im Rahmen des Projektes »Vampyroteuthis infernalis« von Miki Malör.
1 Einleitung
Erste bildliche Darstellungen von Tauchern finden sich in Ägypten.
Aristoteles (384-322 v. Chr.) vergleicht den Rüssel des Elefanten mit dem Luftschlauch der Taucher.
Tatsächlich durchqueren Elefanten schwimmend im offenen Meer Strecken von mehreren Kilometern.
Abbildungen die an moderne Tauchausrüstung erinnern sind erstmals im Spätmittelalter anzutreffen, und dürften eher intensivem Wunschdenken denn tatsächlicher Anschauung entsprungen sein.
Auch eine bis heute noch weit verbereitete Vorstellung vom Hauptzweck des Tauchens, nämlich die des Hebens von Schätzen, ist bereits anzutreffen.
Deutlich sind zwei Auftriebskörper zu erkennen, die den flexiblen Schnorchel an der Wasseroberfläche halten sollen. Ähnliche Konstruktionen mit Gelenksschwimmern oder Ping-Pong-Bällen zum Verschluß des Schnorchels beim Abtauchen waren noch bis in die 70er-Jahre des 20. Jahrhunderts in Gebrauch.
Bedauerlicherweise sind dieser (und allen analogen) Konstruktionen natürliche Grenzen gesetzt.
Erste wissenschaftliche Untersuchungen zur Schnorchelatmung wurden vom k.k. Militärarzt Robert Stigler im Wiener Stadionbad durchgeführt (R. Stigler: Baden, Schwimmen und Tauchen. Schriften des Vereins zur Verbreitung naturwissenschaftlicher Kenntnisse in Wien, Bd. 55, 1912).
Versuche an Freiwilligen zeigten, daß ein Aufenthalt 60 Zentimeter unter Wasser beim Ein- und Ausatmen durch getrennte Röhren (um die Vermischung von Ein- und Ausatemluft zu vermeiden) nur 3¾ Minuten ausgehalten werden konnte.
Die erträgliche Tauchzeit reduzierte sich bei 90 Zentimeter Wassertiefe auf 1 Minute, bei 1 Meter auf 30 Sekunden und bei 1½ Metern auf nur 6 (!) Sekunden.
Vermutlich war damit das Reservoir an Freiwilligen sogar für einen Militärarzt erschöpft, und Dr. Stigler sah sich daher zu einem heroischen Selbstversuch veranlaßt: die Röhrenatmung in 2 Metern Wassertiefe führte allerdings innerhalb weniger Sekunden zu einer Herzdehnung, die ihn zwang drei Monate lang das Bett zu hüten.
Mit der Entwicklung der Technik im 19. Jahrhundert standen schon zu Stiglers Zeiten Verfahren zur Vermeidung von Druckschädigungen zur Verfügung.
Problematisch bei den ersten Normal-Atmosphären-Tauchanzügen (d.h. innerhalb des »Skaphanders« herrscht unabhängig von der Tauchtiefe stets der Oberflächendruck von 1 bar) waren allerdings vor allem – neben dem Gewicht – die nur schwer zu lösenden Gelenksprobleme.
Schwergängigkeit und – viel schlimmer – Undichtigkeiten waren an der Tagesordung.
Erst in jüngster Zeit wurden diese Probleme zufriedenstellend gelöst.
Da das Tauchen oft in einer nur schwer zugänglichen Umgebung (Schleusen, Hafenbecken, Wracks) stattfand, wurde bald der Wunsch nach einer „Befreiung von den Schläuchen” immer drängender.
Eine Erfindung des Bergbauingenieurs 
Benoît Rouquayrol, ein Regelventil (in der Abbildung eine Membran, die den Tank nach oben verschließt), das, abhängig vom Umgebungsdruck, den Taucher mit Luft versorgt, und die hartnäckigen Förderungen seines Freundes, des Kapitänleutnants Auguste Denayrouse führen 1864 zu ersten halbstündigen Tauchgängen in einer Tiefe von weniger als 10 Metern ohne Oberflächenversorgung.
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Obwohl die beiden in der Folge mehrere Reglertypen für Tauchtiefen über 40 Meter entwickeln, setzte sich das oberflächenversorgte Tauchgerät durch.
Die fehlende Kommunikation mit der Oberfläche (eine Verbindung durch das kurz später erfundene Telefon wird in der Helmtaucherei bald zum Standard), mangelnder Käteschutz und zu geringe Reichweite wegen des begrenzten Luftvorrats (die Tanks enthielten komprimierte Luft mit einem Druck von maximal 40 bar) erklären den mangelnden kommerziellen Erfolg.
Das autonome Tauchgerät diente Jules Verne als Vorlage in seinem Roman »Zwanzigtausend Meilen unter dem Meer« (1869).
Nach ersten Versuchen gegen Ende des 19. Jahrhunderts, den in der Ausatemluft vorhandenen Restsauerstoff zu nutzen und dem Taucher nach Reinigung vom in der Atmung produzierten Kohlendioxid wieder zuzuführen, kam 1912 ein Vorläufer der lange Zeit in erster Linie militärisch verwendeten Kreislaufgeräte (»Rebreather«) auf den Markt.
Das schlauchlose Tauchgerät ermöglichte auch längere Erkundungsfahrten unter Wasser.
In deutschen Küstengewässern wurden mit dem Tauchschlitten Geschwindigkeiten von 4 km/h erreicht. Limitierend war dabei ausschließlich die begrenzte Sichtweite.
Das »autonome Tauchgerät« mit einem 3 Liter Presslufttank (135 bar) erlaubte Korvettenkapitän Yves Le Prieur erste Tauchgänge mit Aufenthalten von bis zu 30 Minuten auf 7 Meter Wassertiefe, oder 10 Minuten auf 12 Meter.
Die Verwendung von Schwimmbrillen und Nasenklammer erlaubte zwar den Druck auf die Trommelfelle auszugleichen, die Augen wurden jedoch ungehindert „gepresst”.
Erste Annäherungen an moderne Sporttauchausrüstungen (den Druckausgleich erlaubende Maske) gibt es seit den 30er-Jahren des 20. Jahrhunderts.
Le Prieur wurde durch seine Vorführung im Pariser Trocadero-Aquarium (Juni 1934) berühmt.
Ein Jahr später wurde der erste Tauchklub gegründet, der »Le Club des scaphandriers«.
Allerdings war das Regelventil von Rouquayrol bereits wieder in Vergessenheit geraten; überschüssige Atemluft strömte ungehindert an den Ohren des Tauchers vorbei an die Oberfläche.
Obwohl optisch die Kampftaucher des 2. Weltkriegs mit ihren Sauerstoffkreislaufgeräten bereits an moderne Taucher erinnern, haben sie mit ihnen doch mehr Trennendes denn Gemeinsames.
Der geknöpfte Hosenschlitz wirkt zumindest etwas befremdlich…
Der verbrauchsgesteuerte Atemregler mußte leider neu erfunden werden (Georges Commeinhes 1942 / Emile Gagnan 1943), und wurde ab 1946 als »Aqualunge« von Jacques-Yves Cousteau popularisiert.
Im deutschen Sprachraum erlebte der Tauchsport vor allem durch die Bücher und Filme von Hans Hass in den frühen 50er-Jahren des 20. Jahrhunderts eine erste Blüte; der erste kommerzielle Hersteller von Sporttauchausrüstungen in Deutschland war Barakuda (1949). Der Verband deutscher Sporttaucher ( VDST) wurde 1954 gegündet, der Welttauchverband ( CMAS – Confédération Mondiale des Activités Subaquatiques) 1959, der Tauchsportverband Österreich ( TSVÖ) 1967.
Im Bereich der kommerziellen Taucherei wurden besonders durch die Off-Shore Ölgewinnung die Arbeitstiefen und Aufenthaltszeiten unter Wasser immer weiter gesteigert. Erschwerend sind dabei die geringen Wassertemperaturen und Dekompressionszeiten, die bis zu 3 Wochen betragen können.
Eine Neuentwicklung (1984) stellt das Normal-Atmosphärentauchsystem NewtSuit dar, das bei Tauchtiefen von bis zu 300 Metern einen direkten Aufstieg an die Oberfläche ohne Dekompression ermöglicht. Die Probleme alter Systeme (Gewicht, Dichtheit) wurden dabei durch den Einsatz moderner Materialien (Aluminium, Teflon) vermieden.
2 Ein bißchen Physik…
| Wasser | Luft | Helium | H2O/Luft | He/Luft | |
|---|---|---|---|---|---|
| Dichte [kg/dm³] | 1 | 0.00129 | 0.00018 | 774 | 0.13799 |
| Lichtgeschw. [km/s] | 224840 | 299709 | 0.75019 | ||
| Brechungszahl [cM/cV] | 1.33335 | 1.00027 | 1.33299 | ||
| Wärmeleitzahl [W/m·K] | 5.883 | 0.25923 | 1.5 | 22.7 | 5.79 |
| Schallgeschw. [m/s] | 1498 | 340 | 4.4 |
Die physikalischen Eigenschaften des Wassers und – nicht zuletzt – die Unterschiede zu den Eigenschaften der Luft konfrontieren den Taucher mit einer ihm zunächst vollkommen ungewohnten Umgebung.
Am auffälligsten ist die von der Wellenlänge abhängige Absorption des Lichts, wobei langwelliges (rotes) Licht am stärksten absorbiert wird, die höchste Eindringtiefe hat kurzwelliges (blaues) Licht. Der Taucher befindet sich daher mit zunehmender Tiefe in einer fast monochrom blaugrünen Umgebung.
Schon in geringen Tiefen ist die Farbe Rot fast vollständig ausgefiltert. Die „farbenprächtige Unterwasserwelt” erschließt sich nur bei Verwendung künstlicher Lichtquellen.
Das „unbewaffnete” Auge ist unter Wasser mit ca. -30 Dioptrien kurzsichtig.
Bei Verwendung einer luftgefüllten Tauchermaske befindet sich das Auge zwar wieder in gewohnter Umgebung; durch die unterschiedlichen Brechungsindices von Wasser und Luft erscheinen Objekte allerdings um 1/3 größer und um ¼ näher.
Im Gegensatz zum „Angler- und Jägerlatein” beruht daher das „Taucherlatein” neben psychologischen auch auf physikalischen und physiologischen Grundlagen und relativiert so manche Begegnungen mit „riesigen” Haien und Mantas.
Falls Sie gerade keinen Hai im Glas für das Experiment zur Hand haben, tut’s auch ein Teelöffel.
Die einzige Möglichkeit, unter Wasser einen unverzerrten Blick auf die Umgebung zu werfen, besteht in der Verwendung spezieller Kontaktlinsen, hier demonstriert vom Altmeister des Apnoe-Tauchens, Jacques Mayol (dem ersten Menschen, der freitauchend mehr als 100 Meter erreichte).
Eine Schallquelle außerhalb des Wassers ist beim Tauchen wegen der Reflexion an der Wasseroberfläche nicht zu hören.
Durch die viermal größere Ausbreitungsgeschwindigkeit sind Schallquellen unter Wasser nicht zu orten, d.h. der Zeitunterschied, mit dem die Signale beide Ohren erreichen, ist zu gering um von unserem Gehirn richtig interpretiert werden zu können.
Durch den unter Wasser pro 10 Meter um 1 bar ansteigenden Druck kommt es bald nach dem Abtauchen (Kompressionsphase) zu einem schmerzhaften Gefühl in den Ohren. Das Trommelfell wird nach innen gewölbt und kann – in Extremfällen – schon bei einem Überdruck von 0.1 bar (entsprechend einer Wassertiefe von 1 Meter) reissen.
Abhilfe schafft der sogenannte „Druckausgleich”, wobei Luft aus dem Rachenraum über die Eustachischen Röhren (Tuben) zu den Trommelfellen gepresst wird. Die Trommelfelle befinden sich damit wieder in einem entspannten Zustand (Isopressionsphase; der Druck auf beiden Seiten ist ident).
Da der relative Druckunterschied im Flachwasserbereich am größten ist (Oberfläche=1 bar – 10 Meter=2 bar: +100 %; 30 Meter=4 bar – 40 Meter=5 bar: +25 %), muß der Druckausgleich besonders beim Abtauchen oft durchgeführt werden um Verletzungen (Trommelfellriß) zu vermeiden.
Durch die ca. 20mal größere Wärmeleitfähigkeit von Wasser kommt es sehr schnell zur Auskühlung. Selbst in tropischen Gewässern mit Wassertemperaturen von 28 °C sind „Badehosentauchgänge” von mehr als 30 Minuten kaum möglich. Das Becken unseres »Vampyroteuthis infernalis« ist daher auf exakt 35.5 °C thermostatisiert (unter Wasser ist die übliche Wärmeabgabe durch Schwitzen/Verdunstung nicht möglich; die Temperaturdifferenz zu Vampys Körpertemperatur ermöglicht die Abgabe der Wärmeproduktion von ca. 100 Watt).
Vom steigenden Druck ist auch der als Wärmeschutz dienende Naßtauchanzug betroffen. Die isolierende Wirkung kommt im Neopren® durch eingeschlossene Gasblasen zustande. Mit steigendem Wasserdruck nimmt durch Kompression die Dicke des Anzugs, und damit auch die Wärmeisolation, ab.
3 …und Physiologie
Körpereigenes Fettgewebe kann helfen den Wärmeverlust gering zu halten. Das Muscheltauchen wird bei den Amas auf der Insel Mishima/Japan nicht zuletzt deshalb ausschließlich von Frauen ausgeübt.
Nach eigenen Beobachtungen sind unter heimischen Süßwassertauchern solche mit einer ausgeprägten „Bioprenschicht” überdurchschnittlich häufig vertreten…
Eine Warnung an alle, die den Amas nacheifern wollen: es ist keine gute Idee durch intensives Atmen vor dem Abtauchen „Sauerstoff tanken” zu wollen. Das Blut und die Gewebe sind an der Oberfläche bereits mit Sauerstoff gesättigt (zusätzlicher O2 kann nicht mehr aufgenommen werden); der einzige bei einer solchen Hyperventilation eintretende Effekt ist das Absenken des Kohlendioxidspiegels.
Unglücklicherweise wird unser Atemreiz primär über den CO2-Gehalt im Blut geregelt. Der Atemreiz tritt daher nicht ein, es kommt durch den absinkenden Sauerstoffgehalt zum sogenannten „Schwimmbad-Blackout”.
Eine andere Variante ist das „Flachwasser-Blackout”, wobei es beim Auftauchen durch Sinken des O2-Partialdrucks zu Bewußtlosigkeit kommt. Mit Patrialdrücken werden wir uns später noch beschäftigen.
Bei esoterisch angehauchten Tauchern und Walfreunden ist immer wieder vom sogenannten „Tauchreflex” die Rede.
Es wird gebetsmühlenartig wiederholt, daß der Tauchreflex ein Erbe unserer maritimen Vergangenheit ist, und bei allen Säugetieren beim Eintauchen (speziell des Gesichts) reflektorisch die Pulsfrequenz sinkt. Bei tauchenden Säugetieren trifft das tatsächlich zu; beim Menschen wurde ebenfalls ein – obwohl geringer – Effekt beobachtet. Die behaupteten „Tauchrezeptoren” im Mundbereich konnten leider bis heute nicht identifiziert werden.
In einem Experiment wurden acht Probanden in sitzender Position bei 35 °C zunehmend in Wasser getaucht, wobei das Gesicht stets im Trockenen blieb.
Im Gegensatz zum oft zitierten Tauchreflex handelt es sich bei der sinkenden Herzfrequenz in Wirklichkeit um einen reinen „Immersionseffekt”, d.h. durch den Auftrieb – der die Wirkungen der Schwerkraft kompensiert – werden die Dehnungsrezeptoren des Herzvorhofs aktiviert; es kommt zu Veränderungen der Druckverhältnisse und damit zu sinkender Herzfrequenz.
Es gibt nur zwei Arten von Tauchern: solche, die in ihren Anzug pissen, und Lügner.
Die „Taucherheizung” beruht auf der Immersionsdiurese, wobei es durch Umverteilung des Blutvolumens zu einer Aktivierung zentraler und peripherer Druckrezeptoren (Herzvorhof, Aortenbogen, Carotissinus) kommt.
Der Körper interpretiert diese Umverteilung fälschlich als Flüssigkeitsüberschuß; der ADH- (Adiuretin, Vasopressin) und Aldosteronspiegel sinkt, während die Produktion von ANP (Atrial Natriuretic Peptide) und BNP (Brain Natiuretic peptide) zunimmt. ANP und BNP steigern die Diurese durch Hemmung der Reninproduktion und direkte Wirkung an der Niere.
Unser Vampy kann nur durch rechtzeitige intranasale Verabreichung des antidiuretischen Hormons Desmopressin – einem synthetischen Analog von ADH – die beschriebenen Effekte verhindern.
4 Praxis
Nachdem wir uns jetzt ausgiebig mit dem (Ein-)tauchen beschäftigt haben, nun zu etwas ganz anderem.
Da kommerzielle Tauchausrüstungen erst Ende der 40er Jahre des 20. Jahrhunderts zur Verfügung standen, gab es immer wieder Versuche, mit ewas handwerklichem Geschick das Rad neu zu erfinden.
Hier sehen wir Jack Sheppard und »Digger« Harris 1936 vor dem Versuch den ersten Syphon in Swildon’s Hole in Großbritannien zu durchtauchen. Das Unternehmen wurde von einer Fußballpumpe und zwei 23 Meter langen Gartenschläuchen unterstützt.
5 Sorry, hier beginnt die Baustelle…
Atmosphärendruck
Höhe / Tiefe
Tiefe
Luft
Diffusion
Oberfläche: Gleichgewicht
Abtauchen: Kompressionsphase
Tauchen: Gewebesättigung
Tauchen: Ongassing
Auftauchen: Dekompression
Entsättigung
Auftauchen: Outgassing
Austauchtabelle DECO ’92
Bret Gilliam on the Air (464 Fuß = 141 Meter)
Sanctuary Blue Hole, South-Andros/Bahamas
Sporttauchprofil, Stickstoffdruck in den Geweben
Profile eines Tauchlehrers (links), b.z.w. Höhlentauchers (rechts)
Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von Stickstoff in Wasser
| M [g/mol] |
Dichte [kg/m³] |
Dichte [Luft=1] |
Wärmeleitzahl [W/m·K] |
Diff.geschw. [N2=1] |
|
|---|---|---|---|---|---|
| Wasserstoff H2 | 2.02 | 0.08987 | 0.06952 | 1.81 | 3.73 |
| Helium He | 4.00 | 0.17839 | 0.1381 | 1.5 | 2.65 |
| Neon Ne | 20.18 | 0.90035 | 0.69638 | 0.489 | 1.18 |
| Stickstoff N2 | 28.01 | 1.2505 | 0.9673 | 0.259 | 1 * |
| Argon Ar | 39.94 | 1.7839 | 1.3799 | 0.177 | 0.84 |
| Krypton Kr | 83.80 | 3.74 | 2.868 | 0.46 | |
| Lachgas N2O | 44.01 | 0.1978 | 1.53 | 0.8 | |
| Sauerstoff O2 | 32.00 | 1.42895 | 1.1053 | 0.264 | 0.94 |
| Luft | 28.96 | 1.2928 | 1 * | 0.2592 | 0.98 |
| Wasserdampf H2O | 18.02 | 0.0768 | 0.5941 |
| Lösl. in Wasser |
Lösl. in Plasma |
Lösl. in Blut |
Lösl. in Öl |
Öl/Wasser | narkot. Pot. [N2=1] |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Wasserstoff H2 | 16.19 | 15.13 | 14.76 | 47.767 | 2.9504 | 0.456 |
| Helium He | 8.409 | 8.45 | 8.635 | 15.692 | 1.8661 | 0.235 |
| Neon Ne | 9.474 | 9.2 | 9.178 | 19.64 | 2.073 | 0.279 |
| Stickstoff N2 | 12.11 | 11.687 | 12.83 | 66.124 | 5.4603 | 1 * |
| Argon Ar | 27.634 | 26 | 25.66 | 146.66 | 5.2857 | 2.326 |
| Krypton Kr | 83.5 | 1700 | 20.3593 | 25.641 | ||
| Lachgas N2O | 210.93 | 350.61 | 384.9 | 1600 | ||
| Sauerstoff O2 | 23.548 | 22.354 | 22.354 | 110.535 | ||
| Luft | 14.684 |
Relative narkotische Potenz (links), Dichte von Gasen (rechts)
Diffusionsgeschwindigkeit (links), Wärmeleitfähigkeit von Gasen (rechts)
Atlantis III (1981, 42-tägiger Druckkammertauchgang auf 686 Meter, Trimix)
Die wichtigsten physiologischen Gefahren beim Tauchen.
Enjoy (Sistema Sac Actun, Yucatan/Mexico)
Stand 2007-07-24, wird fortgesetzt…
Bildnachweise
- Seitenhintergrund:
Kupferstich von Alphonse de Neuville / Vingt mille lieues sous les mers in:
Andréi Aksionov, Alexandre Tchernov:
L’Exploration des Profondeurs.
Flammarion, Paris 1981 - [6] [9] [11] [14]
Anonym:
NOAA Diving Manual.
U.S. Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration, Springfield 1991 - [16] [18] [22] [28] [30] [31] [32] [33] [35] [36] [37] [39] [40] [42]
Hubertus Bartmann:
Taucher-Handbuch.
ecomed, Landsberg 1996 - [54]
Peter Bennett, David Elliott:
The Physiology and Medicine of Diving.
W.B. Saunders, London 1993 - [26] [55]
Oskar Ehm:
Tauchen noch sicherer.
Müller Rüschlikon, Cham 1996 - [29] [56]
Martyn Farr:
Höhlentauchen.
Müller Rüschlikon, Cham 1993 - [1]
Jean-Albert Foex:
Der Unterwassermensch.
Schwalbenverlag, Stuttgart 1966 - [17]
Herbert Frei:
Blitzlichtfotografie unter Wasser.
Naglschmid, Stuttgart, 1988 - [43]
Bret Gilliam:
Deep Diving.
Watersport Publishing, San Diego 1995 - [2] [3] [4] [7] [8]
Hanns Günther:
Die Eroberung der Tiefe.
Kosmos, Stuttgart 1928 - [5] [10]
Michael Jung (Bearb):
Das Handbuch des Tauchsports.
Delius Klasing Edition Naglschmid, Bielefeld 1996 - [21] [23] [25]
Thilo Künneth:
Tauch-Theorie.
Weinmann, Berlin 1997 - [20] [24]
Jacques Mayol:
Homo Delphinus.
Glénat, Grenoble 1986 - [15] [44]
Rob Palmer:
An Introduction to Technical Diving.
Underwater World Publications, Teddington 1997 - [12] [13]
Erwin Sauerbeck:
Tauchsport.
Albrecht Philler Verlag, Minden ca.1955 - [34]
Erwin Schrödinger:
Was ist Leben?
Piper, München 1967 - [27]
Helmut Schütz, Wien 1999, nach Daten aus:
Gerstenbrand, Lorenzoni, Seeman:
Tauchmedizin 2
Schlütersche Verlagsanstalt, Hannover 1983 - [19] [38] [41] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53]
Helmut Schütz, Wien 1999-2006
© Helmut Schütz 1999-2007.
