Мембрана непроницаема для N2N2N_2, но проницаема для CO2CO2CO_2 и O2O2O_2?

Я собираюсь пойти на риск и сказать « нет » (и это сойдет с рук, потому что вы не просили о точных науках!)

$N_2$меньше и легче, чем$CO_2$, и ни один из них не является полярным. Не существует тривиального способа сделать мембрану, которая пропускала бы более крупные молекулы и отталкивала бы более мелкие. Существуют технологии фильтрации азота (используемого в кислородных концентраторах ) и углекислого газа (используемого в ребризерах ) из воздуха, но это не поможет, если вы используете результат в качестве дыхательного газа, потому что вы либо значительно увеличили парциальные давления остальных компонентов вашего дыхательного газа (что опасно, см. совершенны, все имеют связанные с ними затраты и риски).

Лучше всего сделать альтернативный механизм газообмена, который не должен использовать окружающее атмосферное давление, чтобы ввести и вывести газ из крови, т.е. специализированное искусственное легкое ( ЭКМО ). Вам, вероятно, придется растворить газы, необходимые для дыхания, в какой-то жидкости (что-то вроде подхода к жидкостному дыханию ), а затем позволить газам диффундировать в кровоток через более простую мембрану.

Это было бы нетривиальной частью техники и медицины, если бы вы хотели, чтобы он был компактным, надежным и безопасным в подводных условиях. Я отмечаю, что этот подход использовался в «Морской звезде » Питера Уоттса и других его книгах о Рифтерах с хирургически имплантированной заменой легкого. Он пошел еще дальше и заставил ее также извлекать кислород из воды с помощью электролиза (прочитайте ссылку для получения более подробной информации и связанных с ней работ). Если вы этого не хотите, вы все равно можете использовать его как подводную дыхательную систему... просто возьмите подходящий очиститель углекислого газа и источник кислорода, который работает с дыхательной жидкостью, и запустите его как своего рода ребризер с жидкостным контуром.

Исключив давление окружающей среды из уравнения, вы не только столкнетесь с проблемами токсичности газа, но и с некоторыми проблемами расширения газа при изменении глубины. Например , гораздо меньше риск декомпрессионной болезни , когда в вашем теле нет растворенных газов, образующих пузыри. Вам все равно придется иметь дело с поддержанием давления в легких, носовых пазухах и евстахиевых трубах (система Уоттса заполнила дыхательные пути физиологическим раствором, когда работало искусственное легкое), поэтому вам все равно нужно быть осторожным в отношении сдавливаний и травм чрезмерного расширения.

азотный наркоз был бы абсолютно смертельным

Многие вещи становятся смертельными при достаточно высоком давлении. Острая кислородная интоксикация вызовет судороги, длительное воздействие кислорода под высоким давлением повредит легкие (среди прочего). Вы должны быть очень осторожны с другими загрязняющими веществами, которые могут превратиться из раздражения на поверхности в смертельную опасность на глубине. У вас также есть другие серьезные, небиологические проблемы, такие как тот факт, что в воздухе много дополнительного кислорода, который сделает пожары в ваших местах обитания действительно захватывающими .

Я не рассматриваю здесь нервный синдром высокого давления, поскольку киты нашли обходной путь.

Киты, как и все другие ныряющие морские млекопитающие, задерживают дыхание. Это резко ограничивает продолжительность их погружений. Это также ограничивает максимальное количество любого газа, который может диффундировать в их тела. У них также есть приспособления для лучшего наполнения крови и мышц кислородом перед погружением и ограничения переноса газов из легких на глубину, что снижает способность нежелательных газов диффундировать в их кровь и затем вызывать токсические или наркотические эффекты или риск перегибов. . Совершенно не очевидно, что они «нашли обходной путь» в том смысле, который вы имеете в виду, потому что они вполне могут просто не подвергать свою нервную систему воздействию таких типов и количеств растворенных газов, как это делают глубоководные ныряльщики.

Оставаясь на глубине и постоянно дыша из какого-либо другого источника воздуха, «инертные» части вашего дыхательного газа растворяются в кровотоке, чего не происходит с китами. Не принимайте во внимание ныряющих млекопитающих при рассмотрении вопроса о долгосрочном подводном обитании; они этого не делают и не приспособлены к этому. Самое продолжительное погружение млекопитающего составляет немногим более 2 часов , что-то с физиологией, совершенно отличной от человеческой. Я почти уверен, что если бы у вас были киты и моржи с подводным дыхательным аппаратом, вы бы обнаружили, что со временем у них развивается целый ряд заболеваний, связанных с давлением, как и у людей.

Пребывание под высоким давлением в течение длительных периодов времени влечет за собой совершенно новый набор проблем, которые плохо изучены. Прочтите о рисках, связанных с дайверами с насыщением , чтобы увидеть примеры подобных проблем. Изменение состава атмосферы вряд ли решит все эти проблемы.

В зависимости от того, насколько глубоко вы погружаетесь, азот — не единственная ваша проблема. Как только вы опуститесь на глубину менее 60 м, кислородное отравление также начнет проявляться, и дайверам действительно следует беспокоиться об отравлении _{углекислым газом.} Они справляются со всем этим с помощью специальных воздушных смесей, содержащих процентное содержание инертного газа, чтобы уменьшить количество кислорода и азота, которыми они вдыхают, и позволяя своим выдохам полностью выходить, что означает, что CO 2 не может накапливаться в закрытой _{системе} . .

Так; Среды под давлением глубоко в океане возможны, но вы собираетесь вносить инертные газы и пытаться сохранить окружающую среду как можно более закрытой. Но как добиться правильного баланса в первую очередь?

Начнем с азота; Фильтрация азота — это вещь, и уже можно очищать и извлекать азот из атмосферы. Мы можем сделать то же самое с кислородом до некоторой степени, и мы даже понимаем теорию химического освобождения кислорода от CO ₂ . Это непросто, но возможно.

Так; в простейшей форме вам нужен такой подход;

1) сбить баллон с инертным газом.
2) начать отфильтровывать и улавливать азот, но
3) начать заполнять атмосферное давление инертным газом.

Вы также должны сделать то же самое с кислородом, если можете, в экстренных случаях. Продолжайте следить за своим атмосферным уровнем, и когда парциальное давление кислорода будет около 0,2 атм, а азота около 0,6 атм, вы достигли баланса.

Конечно, в долгосрочной перспективе ваша среда нуждается в растениях, чтобы выжить, поэтому у вас должны быть большие купола сельскохозяйственных культур, которые естественным образом преобразуют CO ₂ в O ₂ для вас. Кроме того, сажайте много бобовых, таких как фасоль. Они забирают азот из атмосферы и «закрепляют» его в почве, что необходимо для хорошего ухода за посевами. (Вот почему вы не можете просто удалить весь азот из атмосферы.)

Проще говоря, все оборудование, которое вам нужно в промышленных масштабах, уже доступно как для улавливания, выпуска, так и для мониторинга составляющих газов в вашей атмосфере. В долгосрочной перспективе вы также хотите попытаться разработать как можно более устойчивую экосистему в своих куполах, поскольку это уменьшит износ вашего оборудования. На самом деле это вполне достижимо с современными технологиями; единственное предостережение заключается в том, что экология Земли представляет собой сложный баланс взаимодействия, который вы не можете надеяться идеально воспроизвести в вашей подводной среде; вам все равно придется время от времени обновлять аспекты вашего окружения, включая атмосферу.

Вы можете сделать это с помощью системы SCUBA и кислородного концентратора.

https://en.wikipedia.org/wiki/Кислород_концентратор

Кислородные концентраторы обычно используют технологию адсорбции при переменном давлении (PSA) и очень широко используются для обеспечения кислородом в медицинских целях, особенно там, где жидкий или сжатый кислород слишком опасен или неудобен, например, в домах или в переносных клиниках. Для других целей также существуют концентраторы на основе мембранной технологии. Кислородный концентратор забирает воздух и удаляет из него азот, оставляя газ, обогащенный кислородом, для использования людьми, нуждающимися в медицинском кислороде из-за низкого уровня кислорода в крови. 1Кислородные концентраторы также используются в качестве экономичного источника кислорода в промышленных процессах, где они также известны как генераторы газообразного кислорода или установки для производства кислорода. Кислородные концентраторы используют молекулярное сито для адсорбции газов и работают по принципу быстрой адсорбции атмосферного азота при переменном давлении на цеолитных минералах с последующим выпуском азота. Таким образом, этот тип адсорбционной системы функционально представляет собой скруббер азота, пропускающий другие атмосферные газы. Это оставляет кислород в качестве основного оставшегося газа. Технология PSA является надежным и экономичным методом для производства кислорода в малых и средних масштабах, при этом криогенное разделение больше подходит для больших объемов, а внешняя подача обычно больше подходит для небольших объемов. 2

Но проблема ваших людей в том, что даже если они очистят N2, им все равно будет нужен гелий для дыхания. При таком давлении, если вы избавитесь от азота, у вас останется кислород под высоким давлением, который быстро сожжет легкие. Вам также необходимо сократить количество кислорода до минимального процента и ввести инертный газ (гелий), чтобы компенсировать недостающее давление, чтобы они могли вдыхать.

Используйте конъюнктиву в качестве дыхательной мембраны.

Ваши глубинные обитатели должны быть защищены от высоких концентраций O2 и N2. Интерфейс, который мы имеем с атмосферой (легкие), намного больше, чем им нужно для обмена газами при таких концентрациях, и легкие не представляют собой барьера для концентрированного газообразного азота, уравновешивающегося с кровью. Легкие нежные легкие будут сожжены кислородом высокой концентрации.

Им нужны легкие из вида. Ваши глубинные обитатели сохраняют свое эмбриональное кровообращение. Их кровь обходит легкие.

У плода вместо газообмена в легких происходит газообмен в плаценте. При высокой концентрации кислорода газообмен может происходить на небольшой площади воздействия газа. Они используют глаза.

Глаза подвергаются воздействию окружающего воздуха. У ваших глубинных обитателей высокий гемоглобин, и кровь шире обнажается в глазах, окрашивая склеру в красный цвет наподобие конъюнктивального кровоизлияния. Это кровь из сосудов, как синяк, но они остаются ярко-красными, потому что роговица проницаема для кислорода.

Это заботится об оксигенации. Поступление азота ограничено, но постепенно уравновешивается. Этот небольшой избыток азота, а также CO2, образующийся при дыхании, заботятся о себе.

Избыток азота фиксируется в мочевине комменсальными азотфиксаторами в кишечнике. Мочевина используется организмом или выводится из организма.

С CO2 сложнее всего, потому что мы делаем много. Как бросить его, не дыша? Я предлагаю изолировать его щелочными жидкостями в желудке и вывести через отрыжку. Это будет иметь дополнительное преимущество, позволяя фонацию, поскольку без дыхания речь была бы невозможна. Ваши глубинные обитатели обязательно будут немногословны, экономно подбирая слова.

Если ничего не помогает, вы можете обратиться к решению биохимии для этого.
В стенках клеток есть транспортные/канальные белки, которые пропускают только определенные молекулярные или атомарные ионы.

Способность пропускать только определенные частицы связана с энергетической структурой связывающей части канального белка, которая «откалибрована» на энергетическую структуру транспортной частицы-мишени. Все, что не соответствует, просто не может пройти.

Хотя я полагаю, что это может быть биоинженерно превращено в своего рода дыхательную маску (немного увеличивая скорость процесса), связывание белков не обязательно. Гемоглобин, который организм использует в первую очередь для транспортировки$\rm O_2$, также может связываться с$\rm CO$, вызывая отравление. Но некоторые будущие технологии могут справиться с этим.