Жидкость в которой можно дышать
В России представили систему жидкостного дыхания
Сегодня вице-президент Российской Федерации Дмитрий Рогозин в ходе встречи с президентом Сербии Александром Вучичем продемонстрировал ему ряд инновационных российских разработок в различных областях. Одной из них стала уникальная система жидкостного дыхания, позволяющая живым организмам дышать под водой при помощи жидкости, заполняющей их лёгкие. Нечто подобное вы могли видеть в научно-фантастическом фильме «Бездна» режиссёра Джеймса Кэмерона.
Специально для президента Сербии провели впечатляющую демонстрацию уникальной технологии. В резервуар с насыщенной кислородом жидкостью поместили таксу, которая освоилась там спустя несколько минут, после чего начала совершенно нормально дышать в новой для себя среде. Спустя некоторое время собаку извлекли из резервуара, тщательно протёрли полотенцем, и Александр Вучич смог лично убедиться, что с животным всё в полном порядке. Президент отметил, что остался сильно впечатлён увиденным. Дмитрий Рогозин подчеркнул, что данная российская разработка – это завтрашний день, к которому стремятся российские учёные.
Жидкостное дыхание осуществляется при помощи жидкостей, отлично растворяющих кислород. Оно подразумевает заполнение лёгких насыщенной кислородом жидкостью, который затем поступает в кровь. Чаще всего для этих целей используются перфторуглеродные соединения, которые имеют низкое поверхностное натяжение, высокоинертны, а также не метаболизируются в организме. На сегодняшний день не существует ни одной системы жидкостного дыхания, которую бы активно использовали в той или иной сфере. Несколько команд исследователей лишь проводили отдельные эксперименты в данной области.
Данная технология является одной из нескольких, созданных в стенах Фонда перспективных исследований (ФПИ). Руководит проектом Фёдор Арсеньев. Учёный считает, что рабочая система жидкостного дыхания сможет спасти немало человеческих жизней. Например, во время крушения подводной лодки на глубине свыше 100 метров, моряки просто не могут подняться на поверхность из-за кессонной болезни, в ходе которой возникает «эффект закипающей крови». В случае же использования аппаратов жидкостного дыхания, люди смогут покинуть субмарину без какого-либо риска и совершенно спокойно подняться на поверхность. Помимо всего прочего, подобная технология может спасти недоношенных детей, а также помочь людям, получившим ожоги дыхательных путей.
«Технология жидкостного дыхания отработана»
Разрабатываемая Фондом перспективных исследований (ФПИ) система жидкостного дыхания поможет подводникам быстро подниматься на поверхность без кессонной болезни. Антропоморфный робот Фёдор примет участие в испытаниях нового российского космического корабля и может помочь Росатому в утилизации ядерных отходов. Подводный аппарат для экстремальных глубин будет испытан на дне Марианской впадины. О проектах ФПИ «Известиям» рассказал председатель научно-технического совета фонда Виталий Давыдов.
— Сколько проектов реализовано фондом и какие из них вы бы отметили особо?
— В разной стадии выполнения у нас находится около 50 проектов. Еще 25 завершены. Полученные результаты переданы или передаются заказчикам. Созданы демонстраторы технологий, получено порядка 400 результатов интеллектуальной деятельности. Диапазон тематик — от погружения на дно Марианской впадины до космоса.
Из реализованных проектов можно назвать, например, успешно проведенные в прошлом году совместно с ведущим предприятием ракетного двигателестроения НПО «Энергомаш» испытания ракетного детонационного двигателя. Параллельно впервые в мире фонд получил устойчивый рабочий режим демонстратора детонационного воздушно-реактивного двигателя. Если первый предназначен для космической техники, то второй — для авиационной. Гиперзвуковые летательные аппараты, использующие такие системы, столкнутся с множеством проблем. Например, с высокими температурами. Фонд нашел решение этих проблем, использовав эффект термоэмиссии — преобразования тепловой энергии в электрическую. Фактически мы получаем электроэнергию для питания систем аппарата и одновременно охлаждаем элементы планера и двигатель.
— Один из самых известных проектов Фонда — робот Фёдор. Его создание завершено?
– Да, работы по Фёдору завершены. Сейчас идет передача МЧС полученных результатов. Причем оказалось, что они заинтересовали не только МЧС, но и другие министерства, а также госкорпорации. Многие, наверное, слышали, что технологии Фёдора будут использованы «Роскосмосом» для создания робота-испытателя, который отправится в полет на новом российском пилотируемом космическом корабле «Федерация». Большой интерес к роботу проявил «Росатом». Ему нужны технологии, обеспечивающие возможность работы в условиях, опасных для человека. Например, при утилизации ядерных отходов.
Испытание антропоморфного робота Фёдора проекта «Спасатель» в лаборатории Фонда перспективных исследований (ФПИ)
— Можно ли использовать Фёдора для спасения экипажей подлодок, обследования затонувших кораблей?
— Технологии, полученные при создании Фёдора, могут быть использованы для различных целей. Фонд реализует ряд проектов, связанных с подводными необитаемыми аппаратами. И в принципе технологии антропоморфного робота могут быть в них интегрированы. В частности, предусматривается создание подводного аппарата для работы на экстремальных глубинах. Мы намерены испытать его в Марианской впадине. При этом не просто опуститься на дно, как наши предшественники, а обеспечить возможность передвижения в придонной области и проведения научных исследований. Такого еще никто не делал.
— В США разрабатывается четырехногий робот для перевозки грузов BigDog. Ведутся ли в ФПИ аналогичные разработки?
— Что касается шагающих платформ для переноски грузов или боеприпасов, то фонд такую работу не ведет. Но некоторые организации, с которыми мы сотрудничаем, в инициативном порядке занимались подобными разработками. Вопрос о том, нужен ли подобный робот на поле боя, остается открытым. В большинстве случаев выгоднее использовать колесные или гусеничные машины.
— Какие робототехнические платформы создаются в ФПИ, помимо Фёдора?
— У нас разрабатывается целый спектр платформ различного назначения. Это и наземные, и воздушные, и морские роботы. Выполняющие задачи разведки, транспортировки грузов, а также способные вести боевые действия. Одним из направлений работ в этой области является определение облика и отработка способов применения дронов, включая групповой. Думаю, что если всё будет идти теми же темпами, уже в ближайшее время произойдет существенное расширение применения дронов в том числе и для решения боевых задач.
— ФПИ разрабатывает атмосферный спутник «Сова» — большой электросамолет. Как идут его испытания?
—Испытания демонстратора беспилотного аппарата «Сова» завершены. Состоялся длительный полет на высоте около 20 тыс. м. К сожалению, аппарат попал в зону сильной турбулентности и получил серьезные повреждения. Но к этому времени мы уже получили все необходимые данные, убедились как в перспективности самого направления исследований, так и правильности выбранных конструктивных решений. Полученный опыт будет использован при создании и испытании полноразмерного аппарата.
Беспилотный аппарат «Сова»
— Предприятие «Роскосмоса» НПО им. Лавочкина ведет аналогичную разработку — создает атмосферный спутник «Аист». Вы следите за разработкой конкурентов?
— Мы в курсе этих работ, поддерживаем связь с разработчиками «Аиста». Речь идет не о конкуренции, а о взаимном дополнении.
— Могут ли подобные аппараты использоваться в арктической зоне, где нет связи и инфраструктуры для частых взлетов-посадок?
— Необходимо учитывать, что весной и осенью, а тем более в условиях полярной ночи «атмосферный спутник» может просто не получить энергии, необходимой для зарядки батарей. Это ограничивает его применение.
— Недавно общественности были продемонстрированы технологии жидкостного дыхания – погружение таксы в специальную насыщенную кислородом жидкость. Демонстрация «утопления» вызвала волну протестов. Продолжатся ли после этого работы в данном направлении?
—Работы по жидкостному дыханию продолжаются. На основе нашей разработки могут быть спасены тысячи жизней. И речь идет не только о подводниках, которые благодаря жидкостному дыханию смогут без последствий в виде кессонной болезни оперативно подняться на поверхность. Есть целый ряд заболеваний и травм легких, при лечении которых можно добиться успеха с помощью жидкостного дыхания. Интересны перспективы использования технологии жидкостного дыхания для быстрого охлаждения организма, когда необходимо замедлить протекающие в нем процессы. Сейчас это делается за счет внешнего охлаждения или ввода в кровь специального раствора. Можно то же самое, но более эффективно, делать с помощью заполнения легких охлажденной дыхательной смесью.
Руководитель лаборатории ФПИ по созданию жидкостного дыхания Антон Тоньшин с таксой по кличке Николас, с помощью которой ученые Фонда перспективных исследований (ФПИ) изучали возможности жидкостного дыхания
Вода, в которой можно дышать
Звучит фантастически, но давайте разберёмся. Помните фильм “Бездна” 1989 года? Есть там такой момент, когда крысу помещают в ёмкость, заполненную жидкостью. Сначала крыса начинает паниковать, но очень быстро успокаивается и начинает осматриваться по сторонам, продолжая при этом дышать под водой. Казалось бы, хитроумный спецэффект. В то время не было таких развитых, как сегодня, возможностей использования компьютерной графики, но как-то создателям фильмов удавалось всё-таки извернуться и показать что-то невероятное. Только в данной ситуации с крысой никаких спецэффектов не использовалось, она действительно просто дышит в банке с прозрачной жидкостью.
Жидкостное дыхание
Исследования в области жидкостного дыхания велись ещё в 1970 – 1980-х годах в США и СССР и до сих пор находятся в стадии клинических испытаний.
В начале подопытных мышей погружали в соляной раствор с высокой концентрацией растворённого в нём кислорода. Проблема этого метода заключалась в том, что соляной раствор не мог растворить и вывести из организма углекислый газ, что в последствии приводило к повреждению лёгких.
Учёные искали наиболее подходящую для дыхания жидкость, она должна была хорошо растворять кислород и углекислый газ, обладать низким поверхностным натяжением и быть инертной. Исследования показали, что лучше всего этим критериям соответствуют перфторуглеродные соединения. Эта маслянистая жидкость, кстати, способна проводить в два раза больше кислорода на единицу объёма, чем обычный воздух, которым мы дышим.
Прикольно конечно, но зачем?
По мнению учёных частичная вентиляция лёгких с применением перфторуглерода (неполное замещение воздуха в лёгких жидкостью) могла бы применяться для лечения некоторых заболеваний дыхательных органов, особенно у младенцев. Способность соединения проводить больше кислорода позволит повреждённым или не до конца развитым тканям восстанавливаться. Также есть мнение, что водолаз, у которого лёгкие целиком заполнены жидкостью, мог бы погружаться на большую глубину, а при подъёме избежать проблем, связанных с декомпрессией.
В чём подвох?
Жидкость, которой можно было бы полностью заменить воздух в лёгких и нормально дышать в течение длительного времени пока открыть не удаётся, на то есть ряд причин. К примеру, высокая плотность по сравнению с воздухом предполагает значительные усилия для вдоха и выдоха. Такое дыхание получилось бы весьма изматывающим.
Жидкостное дыхание
Крыса “дышит” перфторуглеродом
Может ли человек дышать жидкостью?
Это уже, наверное, клише в научной фантастике: в костюм или капсулу очень быстро поступает некое вязкое вещество, и главный герой внезапно для себя обнаруживает, как быстро он теряет остатки воздуха из собственных лёгких, а его внутренности заполняются необычной жидкостью оттенка от лимфы до крови. В конце концов он даже паникует, но делает несколько инстинктивных глотков или, скорее, вздохов и с удивлением обнаруживает — он может дышать этой экзотической смесью так, словно он дышит обычным воздухом.
А для чего вообще нужно дышать жидкостью, если человек прекрасно дышит воздухом?
Другими словами, где могло бы применяться такое дыхание?
Существует три перспективных пути использования этой технологии: это медицина, ныряние на большие глубины и космонавтика.
Давление на тело ныряльщика растёт с каждыми десятью метрами на одну атмосферу. Из-за резкого понижения давления может начаться кессонная болезнь, при проявлениях которой растворённые в крови газы начинают закипать пузырьками. Также при высоком давлении возможны кислородное и наркотическое азотное отравление. Со всем этим борются применением специальных дыхательных смесей, но и они не дают никаких гарантий, а лишь снижают вероятность неприятных последствий. Конечно, можно использовать водолазные скафандры, которые поддерживают давление на тело ныряльщика и его дыхательной смеси ровно в одну атмосферу, но они в свою очередь крупногабаритны, громоздки, затрудняют движение, а также очень дороги.
Жидкостное дыхание могло бы предоставить третье решение этой проблемы с сохранением мобильности эластичных гидрокомбинезонов и низких рисков жёстких скафандров. Дыхательная жидкость в отличие от дорогих дыхательных смесей не насыщает тело гелием или азотом, поэтому также отпадает необходимость в медленной декомпрессии для избежания кессонной болезни.
В медицине жидкостное дыхание можно использовать при лечении недоношенных детей, чтобы избежать повреждения недоразвитых бронхов лёгких давлением, объёмом и концентрацией кислорода воздуха аппаратов искусственной вентиляции лёгких. Подбирать и пробовать различные смеси для обеспечения выживания недоношенного плода начали уже в 90-х. Возможно использование жидкой смеси при полных остановках или частичных недостаточностях дыхания.
Космический полёт сопряжён с большими перегрузками, а жидкости распространяют давление равномерно. Если человека погрузить в жидкость, то при перегрузках давление будет идти на всё его тело, а не конкретные опоры (спинки кресла, ремни безопасности). Такой принцип использовался при создании костюма для перегрузок Libelle, который представляет из себя жёсткий скафандр, наполненный водой, что позволяет пилоту сохранять сознание и работоспособность даже при перегрузках выше 10 g.
Этот метод ограничен разницей плотностей тканей тела человека и используемой жидкостью для погружения, поэтому предел составляет 15—20 g. Но можно пойти дальше и заполнить лёгкие жидкостью, близкой по плотности к воде. Полностью погруженный в жидкость и дышащий жидкостью космонавт будет относительно слабо ощущать эффект экстремально высоких перегрузок, поскольку силы в жидкости распределяются равномерно во всех направлениях, но эффект всё равно будет из-за различной плотности тканей его тела. Предел всё равно останется, но он будет высок.
Первые эксперименты по жидкостному дыханию проводились в 60-х годах прошлого века на лабораторных мышах и крысах, которых заставили вдыхать солевой раствор с высоким содержанием растворённого кислорода. Эта примитивная смесь давала животным возможность выжить некоторое количество времени, но она не могла удалять углекислый газ, поэтому лёгким животных наносился непоправимый вред.
Почему вода или водно-солевые растворы не пригодны для дыхания?
Эти жидкости при нормальных условиях плохо растворяют газы, прежде всего кислород и углекислый газ, которые так необходимы организму человека. Когда вода или водно-солевые растворы попадают в легкие, то повреждают альвеолы и вымывают из них поверхностно-активное вещество под названием сурфактант. После этого альвеолы не могут слипаться и возникают трудности возврата к дыханию воздухом.
Люди, которых интересовала возможность дышать жидкостью, продолжали поиск таких из них, которые бы хорошо растворяли кислород и углекислый газ при нормальных условиях. И такая жидкость была найдена. Ее использовали в 1966 году в эксперименте Леланда Кларка и Голлана, когда в нее помещали мышей на несколько часов (вплоть до 20 часов), после чего мыши благополучно переходили к нормальному воздушному дыханию, и жили после этого долгое время. Такие опыты проводились и над кошками, только в состоянии анестезии.
Позже начались работы с перфторуглеродами, и их первые результаты были куда лучше результатов экспериментов с соляным раствором. Перфторуглероды — это органические вещества, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора.
Вот их преимущества:
– обладают уникальным свойством – абсолютной инертностью и устойчивостью;
– могут вобрать в себя до пятидесяти объемных процентов кислорода и почти до двухсот процентов углекислого газа, то есть кислород доставляется в нуждающийся в нем орган в необходимом количестве;
– в любом состоянии (жидком, твердом или газообразном) не соединяются ни с металлами, ни с щелочами, ни с кислотами, ни с металлоидами, то есть ни с чем;
– не растворяются в воде;
– пожаробезопасные и безвредные для человеческого организма.
Проводились ли опыты по жидкостному дыханию с людьми?
Первые опыты на людях начались в 1989 году в Пенсильвании, штат Филадельфия. Это были младенцы при смерти с серьёзными нарушениями дыхания. Их физиологические показатели улучшились и даже оставались такими после прекращения жидкостной вентиляции, но позже они все погибли. Также в 1996 году проводились эксперименты с недоношенными младенцами 24—34 (в среднем 28) недель беременности весом в среднем по килограмму (от 640 до 2000 грамм).
Есть мнение, что в фильме “Бездна”, который вышел в 1989 году, актер реально дышал жидкостью пригодной для дыхания.
Разумеется, на самом деле это спецэффект.
В произведении Дэна Брауна “Утраченный символ” главного героя помещают в камеру сенсорной депривации, полностью заполненную кислородсодержащими перфторуглеродами. Так же в этой книге рассказывается о применении подобной методики при допросах. Допрошаемый помещается в подобную капсулу не зная о возможности дыхания в ней и для него создается иллюзия утопления. После нескольких циклов утопления-воскрешения человек совершенно теряется в реальности(этому также способствуют галлюциногенные добавки в жидкость) и какие-либо тайны уже не составляют для него важности.
А как обстоят дела в реальности?
Жидкость для дыхания вязка и плохо выводит углекислый газ, поэтому понадобится принудительная вентиляция лёгких. Для удаления углекислого газа от обычного человека массой 70 килограммов потребуется поток 5 литров в минуту и выше, и это очень много с учётом высокой вязкости жидкостей. При физических нагрузках величина необходимого потока будет только расти, и вряд ли человек сможет двигать 10 литров жидкости в минуту. Наши лёгкие просто не созданы для дыхания жидкостью и сами прокачивать такие объёмы не в состоянии.
Использование положительных черт жидкости для дыхания в авиации и космонавтике тоже может навсегда остаться мечтой — жидкость в лёгких для костюма защиты от перегрузок должна обладать плотностью воды, а перфлуброн(самое совершенное на данный момент решение) в два раза её тяжелей.
Наши лёгкие технически способны «дышать» определённой богатой кислородом смесью, но, к сожалению, пока мы можем это делать только на протяжении нескольких минут, поскольку наши лёгкие не настолько сильны, чтобы обеспечивать циркуляцию дыхательной смеси продолжительные периоды времени. Ситуация может измениться в будущем, остаётся лишь обратить наши надежды на исследователей в этой области.
