Vereisung von Atemreglern

Ein Quäntchen Physik

Beim Gebrauch eines Tauchgeräts erfährt das Atemgas auf dem Weg von der Flasche in die Lunge des Tauchers Temperaturveränderungen an mehreren Stellen: Flasche, Flaschenventil, erste Stufe, zweite Stufe.

Bei Atmung oder Inflatorbetätigung sinkt in der Tauchflasche der Druck und das Gas expandiert. Das Gas erfährt dadurch eine Abkühlung, da dessen innere Energie abnimmt. Diese Zustandsänderung ist annähernd adiabatisch, d. h. die Zeitdauer ist zu kurz für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung. In den Atempausen kann das Gas über die Flaschenwand Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Strömt das Gas nun durch ein Drosselstelle (Ventil, erste oder zweite Stufe) entspannt es sich und erfährt eine weitere Temperaturveränderung. Dies wird als Joule-Thomson Effekt bezeichnet. Unter Normalbedingungen gilt für die meisten Gase und Gasgemische (z. B. Stickstoff, Luft), dass die Temperatur bei Entspannung sinkt. Bei anderen Gasen (z. B. Helium) hingegen steigt sie.

Die Ursache hierfür liegt in der Wechselwirkung der Gasteilchen. Bei grösserem Abstand der Teilchen zueinander ziehen sie sich gegenseitig an. Um bei Expansion den Abstand noch weiter zu vergrössern zu können, muss Arbeit geleistet werden. Die Teilchen werden dadurch langsamer, das Gas kühlt ab. Ist der Abstand der Gasteilchen zueinander sehr gering, so stossen sie sich gegenseitig ab und beschleunigen, wenn sie sich voneinander weg bewegen können. Das Gas erwärmt sich.

Der Joule-Thomson Effekt ist in Richtung und Stärke abhängig von Temperatur und Druck. Dieser Übergang ist in Abb. 1 als Inversionskurve für verschiedene Gase wiedergegeben. Auf dieser Kurve ist der Joule-Thomson Effekt gleich Null. Bei Stickstoff, bzw. Luft, hat diese Kurve ein Maximum bei ca. 170 bar, d. h. die Abkühlung durch Joule-Thomson-Effekt ist dann am stärksten.

Vereisungsarten

Bei Atemreglern unterscheidet man zwei Vereisungsarten: innere und äussere Vereisung.

Bei der inneren Vereisung sind im Hochdruck und Mitteldruck befindliche bewegliche Bauteile (z. B. Ventilspindel und Ventilsitz) des Atemreglers betroffen. Das für die Vereisung verantwortliche Wasser stammt aus dem Flascheninneren, dem Flaschenventil oder der ersten Stufe.

Bei der äusseren Vereisung gefrieren Teile des Atemreglers, welche der Umgebung ausgesetzt sind. Das Wasser dazu stammt aus der Umgebung oder der ausgeatmeten Luft. Sofern keine aussenliegende beweglichen Teile betroffen sind, wie z. B. Kolben in der Wasserkammer einer kolbengesteuerten ersten Stufe oder der Kipphebel einer zweiten Stufe, ist die Funktion des Atemreglers nicht beinträchtigt.

Beide Stufen eines Atemreglers können anfällig für Vereisung sein. Bei der ersten Stufe blockiert sie im offenen Zustand und der Mitteldruck steigt unkontrolliert an. Dieser wird bei Downstream-Bauweise über die abblasende zweite Stufe oder bei Upstream über ein Überdruckventil an der ersten Stufe oder am Mitteldruckschlauch abgebaut. Findet die Vereisung am Sinterfilter der ersten Stufe statt, so liefert sie keine Luft mehr. Dafür ist aber schon relativ viel Wasser in der Flasche nötig. Vereist eine zweite Stufe, so bläst sie bei Downstream-Bauweise ab. Bei Upstream blockiert sie für gewöhnlich.

Einflussfaktoren

Die Wahrscheinlichkeit einer Vereisung eines Atemreglers wird von von folgenden Faktoren beinflusst: Temperatur, Tauchflasche, Flaschendruck, Atemregler, Atemgas, Feuchtigkeit, Luftverbrauch, Tauchtiefe.

Temperatur

Die Temperatur der umgebenden Luft, des Wassers und des Tauchgerätes haben einen direkten Einfluss auf das Vereisungsrisiko. Der Tropentaucher kennt Vereisung höchstens von seinem Cocktailglas an der Bar. Als Kaltwasser bezeichnet man Wasser mit einer Temperatur von weniger als 10 °C, wie sie hierzulande auch im heissesten Sommer in den Seen unterhalb der Sprungschicht anzutreffen ist. Im Winter ist bei Temperaturen unterhalb von 5 °C auch an der Luft mit einem erhöhten Vereisungsrisiko zu rechnen. Generell sollte im Winter das Tauchequipment nicht lange draussen gelagert werden, da niedrige Temperaturen die mechanischen Eigenschaften von Dichtungen und Schmiermitteln negativ beeinflussen.

Tauchflasche

Form, Material, Wandstärke und Oberfläche einer Tauchflasche beeinflussen, wie schnell ein Wärmeaustausch zwischen dem umgebenden Medium und dem Atemgas im Innerern stattfinden kann. Je besser die Wärmeleitfähigkeit des Flaschenmaterials, desto schneller kann sich das durch die Expansion abgekühlte Atemgas in den Atempausen wieder erwärmen.

Die Form von Tauchflaschen ist abgesehen vom Flaschenboden nahezu identisch. Wesentliche Unterschiede gibt es bei Material und Wandstärke. Aluminium leitet Wärme etwa fünfmal besser als Stahl. Da aber Aluflaschen eine rund fünffach dickere Wandstärke als Stahlflaschen aufweisen, ist bei beiden das Temperaturverhalten in etwa vergleichbar. Bei Kompositflaschen hingegen wirkt die Umwickelung aus Kohlefaser, Glasfaser und Kunstharz derart isolierend, dass das sich das Atemgas in den Atempausen nicht mehr erwärmen kann.

Messungen am Steigrohr im Inneren einer Stahlflasche haben unter Laborbedingungen (4 °C Wassertemperatur, 50 m Tiefe, Abatmung mit 62.5 l/min nach DIN EN 250 Baumusterprüfung) ergeben, dass die Temperatur gegen Ende bei ca. -27 °C ein Gleichgewicht erreicht. Derselbe Versuch mit einer Kompositflasche ähnlicher Grösse ergab einen viel schnelleren, konstanten Temperaturabfall, welcher den Messbereich des Sensors von -65 °C unterschritt. (Berndt, 2016)

Theoretisch müsste auch eine Doppelflasche gegenüber einer Monoflasche mit ähnlichem Innenvolumen (z. B. 2 x 8.5 Liter gegenüber 15 Liter) etwas bessere Wärmeleiteigenschaften aufweisen, da die Oberfläche rund eineinhalb mal grösser ist. Wie gross der Unterschied tatsächlich ist und welchen Einfluss das Brückenventil hat, müsste einmal untersucht werden.

Dem Temperaturabfall des Atemgases kann mit zwei getrennten Flaschen entgegengewirkt werden. Wird in regelmässigen Intervallen (z. B. alle 20-50 bar) der Atemregler gewechselt, hat das Atemgas in der inaktiven Flasche genügend Zeit, sich der Umgebungstemperatur anzugleichen. Durch die zusätzliche Redundanz kann im Problemfall höchstens die Hälfte des vorhandenen Luftvorrates verloren gehen.

Flaschendruck

Bei Luft ist der Joule-Thomson-Effekt bei einem Druck von 160-180 bar am grössten. Da die meisten Taucher 200 bar Tauchgeräte verwenden, ist somit die Vereisungsgefahr genau dann am grössten, wenn die meiste Luft benötigt wird: zu Beginn des Tauchgangs bei Erreichen der grössten Tiefe, wenn zum Austarieren der Inflator betätigt wird. Dass das nicht nur abstrakte physikalische Theorie, sondern traurige Wahrheit ist, haben Untersuchungen von Tauchunfällen mit Vereisung ergeben: Die meisten fanden genau in diesem kritischen Druckbereich statt.

Atemregler

Messungen im Inneren verschiedener erster Stufen haben unter Laborbedingungen sehr unterschiedliche Werte ergeben und reichten von -27 °C bis -13 °C (Berndt, 2014) - anderen Quellen zufolge sogar -40 °C (Mares Blog, 2017). Am geeignetsten für Kaltwasser sind membrangesteuerte, versiegelte erste Stufen, da hier keine beweglichen Teile mit Wasser in Berührung kommen. Als Werkstoff ist das übliche Messing zu bevorzugen. Erste Stufen aus Titan machen sich zwar im Fluggepäck besonders leicht, doch hat dieses Metall eine fünf- bis sechsfach schlechtere Wärmeleitfähigkeit und wegen der geringeren Dichte auch nur etwa die Hälfte der Wärmekapazität.

In der zweiten Stufe sind die Temperaturen gemessen am Kipphebel nicht ganz so niedrig und ebenso stark von der Bauform abhängig, aber oft noch deutlich im Minusbereich. Hier treten kalte Luft und Feuchtigkeit (Atem, Wasser) ständig aufeinander, weshalb die zweite Stufe wesentlich anfälliger für Vereisung ist.

Ein zwei Meter langer Schlauch für den Hauptatemregler ist nicht nur geeignet, um besser Luft spenden zu können, sondern er enthält unter Druck etwa so viel Luft wie für einen Atemzug benötigt wird. Das gibt der Luft im Inneren des Schlauches in den Atempausen mehr Zeit für eine Erwärmung auf die Umgebungstemperatur, was das Vereisungsrisiko der zweiten Stufe reduziert.

Hauptatemregler und primäres Tariermittel sollen nicht an derselben ersten Stufe angeschlossen werden. Dies verteilt die gelieferte Luft auf zwei erste Stufen, welche dadurch weniger stark abkühlen. Einige Verbände empfehlen gar an der ersten Stufe des Hauptatemreglers keinerlei Inflatoren anzuschliessen, so dass trotz geschlossenem Hauptventil normal mit Weste und Trockenanzug tariert werden kann.

Atemgas

Da sich Helium innerhalb der im Tauchgerät herrschenden Temperaturen und Drücke aufgrund des Joule-Thomson-Effektes erwärmt, kann durch eine Beimischung von Helium ins Atemgas (Trimix) ein deutlich geringerer Temperaturabfall erzielt werden. Der Effekt ist im Flascheninneren zwar kaum messbar, jedoch auf der Mitteldruckseite mit einigen Grad Celsius Unterschied am Grössten. Bei extremen Bedingungen (z. B. Salzwasser unter 0 °C) ist daher Trimix als erhöhtes Sicherheitspolster zu empfehlen.

Feuchtigkeit

Keine Vereisung ohne Feuchtigkeit. Ein paar Tropfen Wasser im Inneren einer Tauchflasche sind bereits über dem Grenzwert von regelmässig gewarteten Kompressoren. Wasser im Flascheninneren stammt aber meist aus dem Flaschenventil selbst und wird beim Füllen hineingedrückt. Daher das Ventil vor dem Füllen immer kurz ausblasen. Auch sollte stets ein Restdruck von ca. 30 bar in der Flasche bleiben, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Mikrofilter aus hydrophobem Kunststoff am Flaschenventil sorgen zusätzlich dafür, dass weninger Feuchtigkeit in die Flasche gelangen kann.

Beim Abspülen des Atemreglers darauf achten, dass keine Feuchtigkeit in den Atemregler gelangt: Erste Stufe luftdicht verschliessen und nicht die Luftdusche an der zweiten Stufe drücken. Wenn möglich alles unter Druck abspülen.

Schon die feuchte Ausatemluft kann bei sehr niedrigen Temperaturen die zweiten Stufe zum vereisen bringen. Liegt im Winter die Lufttemperatur unter der des Wassers, soll der Atemregler deshalb erst im Wasser probegeatmet werden.

Luftverbrauch

Je mehr Luft ein Atemregler liefern muss, desto stärker kühlt er ab. Daher soll der Luftverbrauch, besonders im kritischen Druckfenster von 160-180 bar minimiert werden. Beim Abstieg den Inflator zur Befüllung der Tarierweste und/oder Trockenanzug nicht ganz am Schluss wie die Reissleine eines Fallschirms betätigen, sondern mehrmals in kurzen Intervallstössen. Eine zusätzliche Reduzierung kann mit einer dedizierten Flasche für den Trockenanzug erreicht werden.

Der eigene Luftverbrauch kann durch eine gute Tarierung mit der korrekten Menge Blei reduziert werden. Ein gut isolierender Trockenanzug ist nicht verkehrt, denn wer friert, atmet schneller und ist gestresst. Körperliche Anstrengung um sich aufzuwärmen, ist unter Wasser in punkto Luftverbrauch kontraproduktiv.

Wenn bei einer Ohne-Luft-Situationen zwei Taucher aus derselben Flasche atmen, besteht erhöhtes Vereisungsrisiko. Durch den massiv erhöhten Luftbedarf (in der Situation sind beide Taucher zusätzlich gestresst) kühlt die Luft bereits in der Flasche noch stärker ab und gelangt so noch kälter in die Atemregler. Ob diese dann getrennte erste Stufen besitzen, spielt dabei eine untergeordnete Rolle.

Tauchtiefe

Das Verhältnis von Flaschendruck zu Mitteldruck (Umgebungsdruck plus etwa 10 bar) sinkt mit zunehmender Tauchtiefe, wodurch sich die Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt eigentlich etwas verringert. Dazu kommt aber der mehrfach erhöhte Luftbedarf: Ein Atemzug auf 40 Metern Tiefe bei 5 bar Umgebungsdruck benötigt fünfmal mehr Luft wie an der Oberfläche. Dadurch steigt adiabatische Abkühlung des Atemgases im Flascheninneren und somit das Vereisungsrisiko mit zunehmender Tauchtiefe. Hier kommt ein weiterer Vorteil von Trimix zum Vorschein: Nicht nur die Stickstoffnarkose ist geringer, sondern auch Abkühlung des Atemgases, da sich Helium bei Expansion erwärmt.

Hilfe, der Atemregler bläst ab!

Bläst ein Atemregler ab, bleibt nicht viel Zeit das Problem zu lösen. Je nach Tauchtiefe und Flaschengrösse ist diese in nur ein bis zwei Minuten leer. Was ist zu tun?

Zeigt dies kein Erfolg, gibt es je nach Ausrüstung verschiedenes Vorgehen. Taucher mit Sidemount-Flaschen, Doppelgerät auf dem Rücken oder langer Monoflasche mit T-Ventil sollten in der Lage sein, das Problem eigenständig innert Sekunden wie folgt zu beheben:

Hat das Tauchgerät zwar zwei getrennte Stufen, aber man kommt nicht selber an die Ventile ran, weil die Flasche zu niedrig sitzt oder die Ventilräder nach unten statt zur Seite oder nach oben zu zeigen, ist wie folgt vorzugehen:

Taucht man wider aller Vernunft mit einem Tauchgerät mit nur einer ersten Stufe und ausser Sicht- oder Reichweite seines Tauchpartners:

Übungen

Es ist äusserst empfehlenswert den Ventildrill regelmässig zu üben, bis er ohne nachzudenken automatisch abläuft - am besten am Anfang oder Schluss eines Tauchgangs. Das spart im Ernstfall wertvolle Zeit.

Es sollte keine ungewohnte Situation sein, aus einem abblasenden Automaten zu atmen. Dazu einfach die Luftdusche gedrückt halten, das Mundstück nicht ganz umschliessen und den Kopf seitwärts halten. Dies aber besser im warmen Wasser üben, da sonst der Automat wirklich einfrieren kann.

Wer eine kurze 12 Liter Flasche besitzt und somit nicht selber ans Ventil gelangt, kann versuchen nach vorne gebeugt die Flasche nach oben drücken. Manche ziehen auch dazu ihr Jacket aus. Empfehlenswert ist dieses Vorgehen aber nicht, da man in der Hektik schnell unkontroliert die Tauchtiefe verlieren kann.

Spätestens am Ende dieses Artikels sollte jeder Taucher für sich überlegt haben, ob seine Ausrüstung für kalte Gewässer geeignet ist und ob er eine Fehlfunktion seines Atemgeräts sofort selber beheben kann oder auf die Fähigkeit seines Tauchparters vertraut.

Quellen

• Wikipedia: „Joule-Thomson Effekt“, Wikipedia, 19. 9. 2017, de.wikipedia.org
• John Clarke: „How cold can scuba regulators become“, 8.1.2018, johnclarkeonline.com
• John Clarke: „Safe Water Temperatures for Scuba Regulators“, 8. 1. 2018, johnclarkeonline.com
• Frank Ostheimer: “Begründungen und Hintergrundwissen für VDST Spezialkurs Problemlösungen beim Tauchen, VDST Ausrüstungsempfehlung”, 10. 1. 2018, wlt-ev.de
• Mares-Team Blog: „Ankündigung Technik Serie Kaltwasser“, 1. 12. 2017, mares-team.de
• Mares-Team Blog: „Serie Vereisung: Teil 1 Auslöser und begünstigende Faktoren“, 1. 12. 2017, mares-team.de
• Mares-Team Blog: „Serie Vereisung: Teil 2 Normen und Standards“, 1. 12. 2017, mares-team.de
• Mares-Team Blog: „Serie Vereisung: Teil 3 Technische Aspekte“, 1. 12. 2017, mares-team.de
• Dr. Dietmar Berndt: „Prüfen - Messen - Analysieren. Tauchausrüstung auf dem Prüfstand“, Divemaster 79, 1/2014
• Dr. Dietmar Berndt: „Prüfen - Messen - Analysieren. Teil 2. Kältebelastung von Atemreglern“, Divemaster 80, 2/2014
• Dr. Dietmar Berndt: "Vereisung von Atemreglern. Adiabatische Abkühlung bei Atemgasen. Erste Messungen", Divemaster 90, Okt 2016
• Dr. Dietmar Berndt: "Vereisung von Atemreglern. Adiabatische Abkühlung bei Atemgasen. Teil 2. Weitere Messungen u. a. Einbeziehung von Helium", Divemaster 93, Juli 2017