재호흡기(Rebreather:리브리더) 잠수란?

 

재호흡기란?

재호흡기(Rebreather)란 무엇이고 어떻게 작동하는지 알기 위해서 현재 스쿠버 장비가 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 필요하다현재의 거의 모든 잠수 장비들을 잠수교육에서 배웠듯이 개방식 잠수장비이다 시스템의 레저 잠수는 쿠스토에 의해 소개되었고, 고압가스 공급원과 다이버가 호흡하기 위한 호흡기로 되어있다. 배기가스는 매 호흡마다 기포의 형태로 버려진다. 그 때문에 개방식이라 불린다.

 

개방식 스쿠버는 원래부터 비효율적이다. 왜냐하면 흡기 가스 중의 작은 비율(산소)만이 실제로 다이버의 신진대사를 위해 사용되므로 매 호흡마다 사용 가능한 산소의 엄청난 소모가 있게된다. 더욱이 수심이 증가하면 이런 산소의 손실량도 증가하게 된다.

 

재호흡기는 근본적으로 완전히 다른 종류의 잠수 장비이다현재 공공기관이나 산업계에서 사용되고 있는 재호흡기는 3가지이다순산소식, 반폐쇄식과 완전폐쇄식이다각 재호흡기는 각각의 독특한 이점과 단점이 있다. 그 내용을 아래와 같이 간단히 설명하면 어떤 종류의 재호흡기도 공통 적으로 기본적인 구성요소는 같다.

 

모든 설계는 마우스피스(Mouthpiece)와 다이버의 호흡이 되돌아오는 호흡회로(Breathing Loop)로 되어있다만약 모든 호흡회로가 딱딱한 물체로 되어있다면 배기가스가 들어갈 곳과 흡입가스가 공급되는 곳이 사이다 병에 입을 대고 공기를 불고 빨아서 호흡하려고 하는 것과 비슷할 것이다. 호흡회로에는 배기 시에는 팽창하고 흡기 시에는 수축하는 부드러운 접이식 주머니로 되어있다. 그 때문에 이 주머니는 호흡낭(Counterlung)라 불린다.

 

다이버가 호흡회로를 통해서 계속해서 호흡하면 다이버의 배기가스에 의해 이산화탄소 중독이 걸릴 것이다다이버가 자신이 뱉어낸 배기가스가 흡입되지 않도록하기 위해 재호흡기는 배기 가스가 한 방향으로만 계속해서 돌게 마우스피스의 양쪽에 일방향 밸브가 설치되어 있다.  


호흡회로에는 배기가스의 이산화탄소를 흡수하는 약품(Sodasorb, Sofnolime  또는 리륨하이드록사이드 등)이 들어 있는 여과통이 설치 되어져야 한다. 물론 재호흡기의 여과통 이산화탄소 흡수재 만으로는 다이버가 오랫동안 호흡할 수 없게 된다. 왜냐하면 호흡회로 속의 산소는 신진대사에 의해 점점 소모되기 때문이다. 그 때문에 재호흡기는 다이버 생명유지를 계속하기 위해 재호흡기 내에 산소를 주입해주어야 한다


재호흡기의 또 다른 공통된 장치는 마우스피스에 잠글 수 있는 밸브가 있고 이 밸브는 마우스피스가 수중에서 입에서 빠져나와도 호흡회로에 물이 침수되는 것을 막기 위해 잠글 수 있게 되어있다.

세 가지 재호흡기의 근본적인 차이는 순환회로에 가스를 첨가시키는 방법과 호흡가스 속의 산소를 농축시키는 것을 조절하는 것이다.

 

순산소 재호흡기

순산소 재호흡기(OXYGEN Rebreather)도 기본적인 구조는 똑같다. 단지 다이버가 소모하는 산소를 보충하는 순산소용 실린더를 추가하고 있다는 것이다. 몇 종류의 순산소 재호흡기는 산소를 순환 회로에 일정한 비율로 보충하고 있다. 산소를 보충해주는 비율은 다이버가 신진대사에 소모하는 양과 거의 일치하도록 선택할 수 있게 되어있다.

 

다이버의 신진대사량의 비율은 잠수 중의 다이버의 활동량에 따라 여러 가지로 변할 수 있다. 따라서 이런 활동량에 따른 첨가 시스템은 휴식 중일 때에도(호흡회로에서 가스를 쓸데없이 배출시키게 된다.) 지나친 산소량을 추가하게 되고 심한 운동 시에는(산소를 추가하기 위해 다이버가 수동으로 우회식(BYPASS) 밸브를 작동하게 된다.) 산소가 충분하지 못하다.

 

많은 순산소 재호흡기들은 몇 종류의 수동식 추가(PASSIVE-ADDITION) 시스템이 첨가되어 있다. 다이버의 신진대사량에 따른 소모량에 맞는 산소량이 순환 회로에 추가되도록 되어 있다. 간단한 방법으로 호흡낭이 완전히 수축되어 버렸을 때 기계적으로 밸브를 작동하여 가스를 추가한다.

 

다이버의 몸은 신진대사를 통해 산소를 이산화탄소로 바꾸고 이산화탄소는 탄산가스 흡수제에 의해 제거되면 재호흡기 속의 가스의 전체량은 감소된다.

결과적으로 다이버의 총 흡기량은 호흡낭을 완전히 압착 시킨다. 그래서 기계적으로 밸브를 작동하여 산소를 더 추가하게 된다. 순산소 재호흡기의 구조상의 또 다른 위험성은 잠수하기 전에 재호흡기 속을 완전히 순산소로 환기해야 하며 이것은 매우 중요하고 환기하지 않으면 아주 위험하다.

 

만약 많은 양의 산소가 아닌 다른 가스가 재호흡기 속에 잔류하면 다이버는 호흡낭이 압착되어 기계적으로 산소추가 밸브가 작동하기 전에 저산소증에 걸리게 된다.

디자인 면에서 볼 때 순산소 재호흡기는 매우 단순하다. 왜냐하면 복잡한 산소조절 장치가 필요 없기 때문이다. 그리고 기능상에도 대단히 제한적이다. 왜냐하면 중추신경계 산소중독 때문에 사용 수심 6 m를 넘지 않도록 철저히 제한하고 있기 때문이다.

더 깊은 수심에 안전하게 잠수하기 위해서는 재호흡기 속의 혼합가스는 순산소에 다른 기체를 첨가해야 한다.(: 질소 또는 헬륨) 이런 혼합 가스용 재호흡기는 보통 한 두 가지 형태가 있다.

반폐쇄식 재호흡기와 완전 폐쇄식 재호흡기이다.

 

반폐쇄식 재호흡기(Semi closed 재호흡기)

순산소 대신 혼합가스를 사용한다. 반폐쇄식 재호흡기는 두 가지 근본적으로 다른 범주의 형태를 가지고 있다. 능동식 추가장치와 수동식 추가 장치이다. 그 중에서도 가장 일반적인 것은 능동형 가스 추가 장치이다.

이 장치는 구조상 순산소 재호흡기의 능동형 가스 추가장치와 비슷하고 단지 공급되는 가스가 순산소가 아니고 혼합가스의 차이뿐이다. 공급되는 가스는 재호흡기에 일정량의 비율로 주입되고 있다. 즉 다시 말하면 수심에 관계없이 주어진 시간 동안 일정한 양의 가스 입자가 재호흡기에 주입된다는 것이다.

 

이런 장치에 주입되는 가스비율은 공급되는 가스의 산소비율에 따라 조절되어야 하고 재호흡기에 추가되는 산소비는 다이버가 재호흡기에서 소모하는 산소와 같은 양이든지 더 많은 비율의 산소이어야만 한다.

 

이런 종류의 반폐쇄색 재호흡기의 이점은 순산소 재호흡기에 비해 다이버가 산소중독의 위험 없이 대단히 깊게 잠수할 수 있다는 것이다. 그러나 이 장치의 불리한 점으로는 공급되는 가스의 일부는 순산소가 아니고 (통상, 질소, 헬륨 또는 두 가스의 혼합), 이 가스 또한 재호흡기에 일정 비율로 추가되고 있다는 것이다.

 

왜냐하면 다이버의 신체는 이 다른 가스(산소가 아닌 공급되는 가스 중 일부분)를 소모하지 못하므로 재호흡기에 계속 증가 된다는 것이다. 심하게 계속 과팽창 되는 것을 막기 위해서 이 과잉 가스는 재호흡기에서 일정 기간마다 방출 되어져야 한다. 이상적으로 한다면 호흡 가스 중의 산소 이외의 가스는 재호흡기에서 배출 되어져야 만 산소를 저장해서 다이버가 소모할 수 있게 해준다. 그러나 재호흡기 속의 가스는 상당히 균일하게 혼합되어 있으므로 배출되는 어떤 비율의 혼합가스도 산소도 같이 배출되면서 소모된다.

또 다른 문제점은 능동식 산소추가장치가 설치된 반폐쇄식 재호흡기 속의 산소의 농축도는 가변적이라는 것이다. 먼저 재호흡기에 필요한 산소비는 공급가스 속의 산소비보다 조금 낮은 비율이란 것이다. 왜냐하면 다이버의 신체가 호흡 가스중의 산소를 소모하는 것이 공급가스 중의 다른 구성 성분을 소모하는 것보다 아주 빠르기 때문이다.

 

어떤 주어진 다이버의 대사 산소소모량의 비율은 정상적인 상태보다 6배나 그 이상의 비율로 변할 수 있고 활동량에 따라 극심할 때는 무려 10배의 차이가 난다. 이런 변동의 차이는 공급되는 가스의 산소비와 호흡하는 가스의 산소비 사이에 영향을 미친다. 저산소증의 위험성을 줄이기 위해서 공급되는 가스의 산소 농축도와 재호흡기에 주입되는 고압가스의 비율은 다이버가 심한 운동 시에도 필요한 양을 충분히 유지하는 양을 넘을 만큼 높아야 한다.


공급가스의 산소비가 높을수록 낮은 노동 부하시에 산소중독의 위험성 때문에 잠수 수심의 한계는 더 제한적이 되고 만다. 더욱이 나아가 주입되는 가스비가 높기 때문에 주어진 공급가스의 사용시간도 더 짧아지게 된다.

 

(더 비효율적으로 공급가스가 소모된다.) 그러므로 다이버가 잠수 중 필요한 산소가 변하고(통상 사전 통고없이) 이 변화에 맞게 반폐쇄식 재호흡기는 대량의 가스가 일정하게 흘러나오는 것을 제어할 수 없으므로 능동식 추가장치의 반폐쇄식 재호흡기는 다른 종류의 재호흡기와 비교해서 매우 비효율적이다. 반폐쇄식 재호흡기 장치와 또 다른 방안은 몇 종류의 능동식 산소 추가장치이다.

 

능동식 산소 추가장치 구조는 다이버의 대사에 의한 가스 소모량과 더 비슷하게 일치하도록 순환식 호흡 장치에 공급가스 비율을 조절하려고 시도한 것이다.

 

가장 단순한 방법으로 실시한 다이버의 호흡비에 비례해서 가스를 주입하는 것을 조절하는 것이 요점이고 어떤 환경에서도 호흡비 또는 공기소비량(RMV)은 대사량의 비율에 직접적으로 산소소모량에 일치하게 하는 것이다. 따라서 거의 모든 능동식 첨가 장치식 반폐쇄식 재호흡기는 순환 회로에 주입하는 공급 가스비는 다이버의 RMV에 따라 결정된다. 높은 RMV일 때는 더 많은 가스가 주입되고, 낮은 RMV일 때는 적은 가스가 주입된다.

 

이 장치는 다른 노동 부하 시의 호흡 가스 속의 산소량의 불균형에 의한 문제를 감소시키고는 있지만 아직까지 과잉가스를 정해진 주기마다 배출시켜서 생기는 가스 소모에 의한 비효율성은 문제점으로 남아있다.

 

폐쇄식 재호흡기

비록 폐쇄식 재호흡기란 용어는 가끔 모든 종류의 재호흡기 장비에 사용되지만 여기서는 이 용어를 완전폐쇄식 재호흡기와 혼합가스 재호흡기 장비에 특정 지어 논의하기로 한다. 폐쇄식 재호흡기도 반폐쇄식 재호흡기 장비처럼 혼합가스식 재호흡기이고 산소 재호흡기처럼 안전하고 대심도 잠수가 가능하게 해준다. 그리고 반폐쇄식 재호흡기와 폐쇄식 재호흡기는 몇 가지 중요한 장치가 기본적으로 차이점이 있다.

 

첫 번째 차이점은 산소가 순환식 호흡기에 첨가되는 방법이 전혀 다르다. 반폐쇄식 재호흡기는 산소를 다른 가스와 함께 섞어서 주입하지만 폐쇄식 재호흡기는 일반적으로 적어도 두 개의 별도의 가스 공급장치로 구성되어 있다는 것이다. 한 가지는 순산소로 채워져 있고 재호흡기에 다이버가 사용한 산소를 보충해주기 위한 것이다. 다른 한 가지 가스는 희석가스라 불려진다. 희석기체는 통상 압축공기나 헬리옥스(헬리움과 산소의 혼합가스로 통상의 공기보다 산소가 낮다.) 트라이믹스(보통 헬륨, 질소, 산소의 혼합가스)등으로 되어있다희석가스는 개방식 실린더에서 잠수 수심에 맞게 직접 호흡할 수 있는 것처럼 충분한 산소를 함유하고 있다. 몇 종류의 재호흡기는 장치가 작동 불능 시 긴급탈출용 가스공급 장치로 희석용 혼합가스를 사용하고 있다.

 

두 번째로 폐쇄식 재호흐기와 반폐쇄식 재호흐기의 주된 차이점은 어떻게 두 종류의 재호흡기 속의 산소의 농축도를 유지하는가 하는 것이다. 거의 모든 반폐쇄식 재호흡기는 대개 일정하게 산소비율(FO2)을 잠수 중 유지하는 반면 실지로 모든 폐쇄식 재호흡기는 순환식 호흡기의 산소 농도를 감지하는 몇 종류의 전자식 산소 감지 장치에 의해 산소 농도를 조절한다. 거의 모든 경우에 폐쇄식 재호흡기는 전자식 산소 조절장치가 설치되어 있고 어떤 수준(이 수준을 PO2 설정치라 부른다.) 이하로 PO2가 떨어지면 자동으로 산소를 추가해 준다.