domingo, 5 de febrero de 2017

Presurización parte I: fisiología aeronáutica


La diferencia principal entre submarinos y aviones en cuanto a presión se refiere

El problema de la altitud y la falta de presión fue algo que se empezó a estudiar hace ya muchos años. Los efectos fisiológicos sobre las personas se notaban enseguida, incluso al subir una montaña muy alta. Un par de "chiflados" británicos (Henry Coxwell y James Glaisher) querían saber más sobre ello y se embarcaron en un globo aerostático, allá por 1862, con el fin de describir detalladamente lo que les ocurría a sus cuerpos cuando ascendían en la barquilla sin ninguna ayuda suplementaria. Llegaron a leer en el barómetro (un altímetro es un barómetro calibrado en pies o metros) 8.833 metros de altura. Pero en realidad se dice que los muy insensatos pudieron haber llegado a los 11.300 metros. Un poco más y no lo cuentan. Los efectos de la altitud de los que informaron los intrépidos aeronautas fueron los siguientes:

  • 5.640 metros - se les aceleró el pulso hasta casi las 100 pulsaciones por minuto.
  • 5.850 metros - La respiración empezó a alterarse, seguían las palpitaciones y tuvieron dificultad en la lectura de los instrumentos.
  • 6.510 metros - Empezaron a perder la visión.
  • 8.700 metros - los problemas anteriores empeoraron
  • 8.833 metros - ambos se desmayaron (uno de ellos todavía semi-inconsciente, fue capaz de hacer descender el globo tirando con los dientes del cordón de la válvula. Sus manos estaban agarrotadas por el frío intenso. Finalmente descendieron casi 19.000 pies en unos 15 minutos y lograron aterrizar vivos en Ludlow. Casi mueren en el intento de describir los efectos de la altitud).

Cuando comenzó la construcción de aviones y se hizo necesario subir a grandes alturas, la tripulación podía hacer uso de máscaras con oxígeno suplementario, pero esto no era algo que pudiera servir para un sistema de transporte civil donde debería privar la comodidad. La solución a estos problemas vino de la mano de la presurización de las cabinas de los aviones. Para los que les guste la historia, el Boeing Modelo 307 Stratoliner fue el primer avión de transporte comercial que entró en servicio con una cabina presurizada. Lo hizo el 4 de julio de 1940 con Pan-Am, pero el avión ya había sido diseñado con este sistema en 1938. Como se puede ver la solución civil a este problema es muy antigua. Se trataba de meter aire del exterior y se podía hacer de varias maneras. Una de las más usuales es la que se puede ver debajo. El motor del avión, con aire de sangrado, mueve una turbina y esta a su vez mueve un compresor que manda el aire al interior de la cabina. Una válvula de alivio o "outflow valve" se instalaba en alguna parte del avión para controlar la cantidad de presurización. 


Desde entonces se ha avanzado mucho en los sistemas de presurización. Las ventajas de contar con uno de estos sistemas son muchas, aunque también existen varias desventajas. 

Ventajas 

  • No se necesita suplemento de oxígeno
  • El riesgo de sufrir una descompresión (formación de burbujas del gas disuelto en el cuerpo) es reducido.
  • Se obtiene movilidad en el interior del avión
  • La posibilidad de experimentar baro-traumas (disbarismo) es reducida


Desventajas

  • Se incrementa el peso y la complejidad del avión
  • Se debe de obtener potencia extra
  • Se reducen las prestaciones de la aeronave y la capacidad de carga
  • Se requiere mantenimiento 
  • Existe el riesgo de experimentar una rápida descompresión en vuelo 

El sistema de presurización de un avión comercial moderno funciona normalmente con el aire de sangrado de los motores. En el post dedicado a ello se hablaba de la posibilidad de utilizar parte del aire que comprime el motor en su camino a la cámara de combustión. Este aire suele encontrarse muy caliente y muy comprimido (con mucha presión debido a que se suele extraer de las últimas etapas del compresor de alta). Es posible que parte de este aire pueda ser acondicionado (su temperatura se disminuye y su presión se regulariza) para ser utilizado en otros propósitos, como por ejemplo la presurización del avión.

Un poco de fisiología aeronáutica


El propósito principal de la presurización es permitir la respiración interna. En el cuerpo humano la respiración se produce en varios pasos fundamentales, el primero es meter el aire en los pulmones, pero luego existen otra serie de pasos para que este aire pueda llegar a nuestras células. El paso fundamental es aquel que tienen lugar en los alvéolos y consiste en que este aire rico en oxígeno pase a través de la membrana alveolar y sea captado por la hemoglobina de los glóbulos rojos. Una vez captado el oxigeno se transporta a todas las partes del cuerpo. Los glóbulos rojos cambian el O2 por CO2. Entonces vuelven a los alvéolos con el CO2 para descargarlo y volver a cargar el O2. Este ciclo se puede ver más abajo. La composición del aire que respiramos se puede ver debajo.


Aunque resulte chocante, la composición del aire es prácticamente la misma a cualquier altitud en la que operan los aviones comerciales, es decir, 78% nitrógeno, 21% oxígeno y aproximadamente 1% otros gases. Esta composición apenas cambia desde el nivel del mar hasta grandes altitudes (unos 70.000 pies o 21.300 metros). Esto es algo que mucha gente desconoce. Incluso en las alturas donde operan los satélites se puede encontrar restos de estas partículas, produciendo una mínima resistencia, pero que puede ser cuantificable y debe de ser corregida. La sonda japonesa Kaguya acaba de encontrar oxígeno de la tierra en la Luna. Por lo tanto la falta de oxígeno no es el problema. La diferencia o problema fundamental es que la presión no es la misma en todos los puntos de la atmósfera. El peso del aire es muy importante para que el O2 pueda llegar a donde se necesita. El O2 es el único componente que nos interesa aquí y vamos a despreciar el resto de los componentes en la explicación. Como se puede ver en el gráfico de abajo, la presión desciende hasta casi un 50% de la existente al nivel del mar cuando nos encontramos a 18.000 pies de altura. El descenso no es lineal, a 25.000 pies tendríamos la cuarta parte de lo que se tiene a nivel del mar.



En efecto, a nivel del mar en un día estándar, la presión es de 1013 milibares o hectopascales o si se quiere 760 mm de mercurio (Hg) (ver post dedicado). Esta presión es suficiente como para que el oxígeno del aire sea forzado a pasar a través de la membrana alveolo-capilar, también llamada membrana pulmonar. Esta membrana es una estructura más o menos homogénea, que desempeña un papel muy importante en la difusión de los gases que se encuentra en los alvéolos. Debajo se puede ver la presión parcial de cada componente del aire. Tal como se precia, a nivel del mar (sea level) tenemos que de los 720 mm de mercurio, solo 103 milímetros de mercurio es la presión del O2. El resto (N2, CO2, vapor de agua) no nos importa. A 18.000 pies de altura solo existen 380 mm de Hg, totales, de los cuales solo 39 mm de Hg son debidos al oxígeno. La presión ejercida por el O2, es por tanto 2,64 veces menor que a nivel del mar. 


Si nos encontramos a 25.000 pies de altura, la presión disminuye a la cuarta parte. Con tan poca presión, ese 21% de oxígeno que contiene el aire a casi cualquier altitud, no puede pasar (o pasa en pequeñas cantidades) a la sangre. Si los glóbulos rojos, que son los encargados de transportarla por todo el cuerpo (incluido el cerebro) no llevan el aporte necesario y se produce lo que se conoce como hipoxia. Debajo se puede ver un diagrama explicativo (con fórmulas y todo) de lo que ocurre entre la cavidad alveolar y los capilares. Los círculos blancos son el oxígeno que se difunde a través de la membrana hacia el interior y los puntos negros representan el CO2 disuelto en el plasma sanguíneo que sale hacia nuestros pulmones para ser expulsado. 


La presión parcial del oxígeno a nivel del mar es suficiente para forzar al O2 a través de la membrana pulmonar. Existen unos 100 mm de Hg o más en la zona azul del diagrama, que representa el alvéolo. El CO2 es forzado a salir desde el capilar sanguíneo debido a la diferencia de presiones. Internamente existen 46 mm de Hg o algo más y exteriormente solo 40 mm de Hg o algo menos. Si no existiera esta diferencia de presiones no se realizaría la oxigenación ni podríamos expulsar el CO2. No podríamos sobrevivir. Así que la diferencia de presiones es fundamental (no solo en las alas de los aviones). Cuando el oxígeno llega a las células es cuando se produce la llamada respiración interna. esto es lo que se puede ver en el gráfico de abajo. 



Las arterias son las que llevan la sangre oxigenada desde el corazón y las venas retornan a este con la sangre empobrecida y cargada de CO2. Curiosamente lo que dispara el reflejo automático de la respiración (cuando sufrimos apnea nocturna por ejemplo), es el nivel de CO2 en sangre, no la falta de oxígeno. En efecto, los receptores especializados que se encuentran en el cerebro detectan un nivel inusualmente alto de CO2 y disparan las alarmas en el sistema nervioso autónomo. 

¿Qué ocurriría si voláramos sin protección a grandes alturas? Entre otras cosas nos bulliría la sangre en la llamada línea Armstrong. Se puede ver debajo lo que ocurre en las llamadas zonas de la atmósfera.  

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