Partialdruckmischung: Nitrox mischen

Sauerstoffflasche mit weißer Flaschenschulter und Druckminderer neben einer Tauchflasche an der Füllleiste im Mischraum einer Tauchbasis. — Illustration, mit Google Gemini erzeugt.

Die Partialdruckmischung ist das Verfahren, bei dem ein Atemgas dadurch entsteht, dass zuerst eine berechnete Menge reinen Sauerstoffs in die leere Flasche gefüllt und anschließend mit sauerstoffverträglicher Luft auf den Enddruck aufgefüllt wird. Sie ist das flexibelste der gebräuchlichen Mischverfahren – und das mit den höchsten Anforderungen an Ausrüstung und Sorgfalt.

Wie es abläuft

Die Flasche wird entleert, der Sauerstoff aus einer Vorratsflasche über eine Füllleiste bis zu einem berechneten Zwischendruck eingelassen, dann wird mit Luft aus dem Kompressor auf den Fülldruck aufgefüllt. Weil der Anteil eines Gases am Gesamtdruck sein Partialdruck ist, ergibt sich der Zielanteil aus dem Verhältnis der beiden Fülldrücke. DAN beschreibt das Verfahren als Einfüllen von reinem Sauerstoff nach Rechnung und anschließendes Auffüllen mit sauerstoffverträglicher Luft und nennt als Vorzüge, dass sich damit jedes Gemisch bis hin zu reinem Sauerstoff herstellen lässt und dass dafür nicht zwingend ein eigener Kompressor nötig ist.

Die Rechnung

Beim Füllen einer leeren Flasche gilt für den Sauerstoffanteil, den man zuerst einlässt:

p(O₂) = p(Ende) × (F − 0,21) ÷ 0,79

Dabei ist F der Zielanteil an Sauerstoff, p(Ende) der Enddruck und 0,21 der Sauerstoffanteil der Luft, die den Rest beisteuert. Für EAN32 in einer Flasche, die auf 200 bar gefüllt werden soll, sind das rund 28 bar Sauerstoff, danach Luft bis 200 bar. Die Rechnung setzt eine wirklich leere Flasche und ideales Gasverhalten voraus – beides trifft in der Füllkammer nur näherungsweise zu, weshalb das Ergebnis am Ende analysiert und nicht geglaubt wird. Wie genau, steht unter Sauerstoffanalyse; welcher Zielanteil für eine geplante Tiefe der richtige ist, unter Best Mix.

Warum das Verfahren heikel ist

Hier liegt der eigentliche Punkt. DAN hält fest, dass bei der Partialdruckmischung jedes Bauteil der Füllkette sauerstoffverträglich und sauerstoffgereinigt sein muss – nicht nur die Flasche, sondern Ventil, Schläuche, Armaturen und Dichtungen.

Dabei räumt DAN mit einem verbreiteten Irrtum auf: Die oft gehörte Grenze von 40 Prozent sei keine physikalische. Ein Gemisch mit mehr als 23,5 Prozent Sauerstoff gelte nach den amerikanischen Gefahrgutvorschriften als Oxidationsmittel, und die Normen der Flaschenhersteller, der CGA, der ASTM und der U.S. Navy setzten die Schwelle typischerweise bei 23,5 bis 25 Prozent an. Daraus zieht DAN den Schluss, dass jedes Bauteil, das im normalen Betrieb Gemischen mit mehr als 25 Prozent Sauerstoff ausgesetzt ist, sauerstoffverträglich und sauerstoffgereinigt sein muss.

Wie stark der Druck die Sache verschärft, macht DAN an einem Beispiel deutlich: Baumwolle brenne bei Umgebungsdruck in 40-prozentigem Nitrox doppelt so schnell wie in 25-prozentigem Sauerstoff, und auf rund 3000 psi verdichtet stiegen die Brandraten exponentiell. Als häufigste Zündursache nennt DAN die adiabatische Erwärmung durch zu schnelles Füllen – deshalb wird der Sauerstoff langsam eingelassen, nicht aufgerissen.

Die Alternativen

DAN stellt zwei andere Verfahren daneben. Beim kontinuierlichen Mischverfahren wird der Sauerstoff am Ansaugstutzen des Kompressors zugegeben; das ist wirtschaftlich für größere Mengen bis 40 Prozent, verlangt aber ständige Überwachung und einen für diesen Sauerstoffanteil geeigneten Kompressor. Beim Membranverfahren wird Umgebungsluft durch eine halbdurchlässige Membran gezogen, die einen Teil des Stickstoffs entfernt; das Verfahren liefert gleichbleibende Gemische bis etwa 40 Prozent, ist in der Anschaffung teuer und für das technische Tauchen zu unflexibel.

Entscheidend ist der Hinweis, den DAN allen drei Verfahren mitgibt: Auch die auf 40 Prozent begrenzten Verfahren entbinden nicht von der Sauerstoffreinigung, weil das erzeugte Gas anschließend hochverdichtet gespeichert wird.

Was der Taucher davon merkt

Am Steg bekommt man das Verfahren selten zu sehen, wohl aber seine Folgen. Wer eine Flasche zum Nitroxfüllen abgibt, gibt ein Bauteil ab, das anschließend Sauerstoff unter hohem Druck ausgesetzt ist. Deshalb fragen ordentliche Basen nach, ob die Flasche sauerstoffgereinigt ist, deshalb wird sie gekennzeichnet, und deshalb steht am Ende der Analysator. Als Tauchlehrer halte ich die Reihenfolge für nicht verhandelbar: analysieren, aufschreiben, kennzeichnen, dann den Tauchcomputer einstellen. Ein Gemisch, das man nicht selbst gemessen hat, ist kein bekanntes Gemisch.

Gilt die 40-Prozent-Grenze für die Sauerstoffreinigung nun oder nicht?

DAN bezeichnet sie ausdrücklich als verbreiteten Irrtum. Die von DAN angeführten Normen der Flaschenhersteller, der CGA, der ASTM und der U.S. Navy legen die Schwelle typischerweise bei 23,5 bis 25 Prozent Sauerstoff an; jedes Bauteil oberhalb davon soll sauerstoffverträglich und gereinigt sein. Die 40 Prozent sind eine Verfahrensgrenze des Membran- und des kontinuierlichen Mischverfahrens, keine Sicherheitsgrenze.

Warum muss die Flasche vorher leer sein?

Weil sich der Sauerstoffanteil sonst aus dem Restgas und dem Zugefüllten zusammensetzt und die einfache Rechnung nicht mehr trägt. Mit einem bekannten Restdruck und einem bekannten Restgemisch lässt sich weiterrechnen, aber jede Unsicherheit über den Rest geht voll in das Ergebnis ein. Das ist einer der Gründe, warum am Ende analysiert wird.

Kann ich mit Partialdruckmischung auch Trimix herstellen?

Das Verfahren ist dafür geeignet, weil sich Helium auf demselben Weg als weiterer Anteil zugeben lässt; DAN nennt die Flexibilität bis hin zu reinem Sauerstoff als Hauptvorzug gegenüber Membran- und kontinuierlichem Verfahren. Die Anforderungen an Sauerstoffverträglichkeit und Sorgfalt steigen dabei nicht, sie waren schon vorher hoch.

Quellen

DAN, Alert Diver: Nitrox Production Methods – Beschreibung der drei Verfahren mit Vor- und Nachteilen, die Schwelle von 23,5 bis 25 Prozent, die Brandrate von Baumwolle bei 40 Prozent Nitrox und die adiabatische Erwärmung als häufigste Zündursache.
TDI: Calculating Gas Mixes – Rechnen mit Partialdrücken bei der Gemischplanung, mit Zielpartialdrücken von 1,4 bar Sauerstoff und 3,16 bar Stickstoff.

Zur Quellenlage: Die Angaben zu Verfahren, Schwellenwerten und Brandverhalten stammen aus einer einzigen Veröffentlichung von DAN; die dort genannten Normen der CGA, der ASTM und der U.S. Navy liegen diesem Eintrag nicht im Original vor. Die Formel und das Zahlenbeispiel für EAN32 sind aus dem Partialdruckbegriff hergeleitet und nicht aus einer Fundstelle übernommen. Für die in Deutschland geltenden Anforderungen an die Atemluftqualität gilt EN 12021; eine frei zugängliche, belastbare Fundstelle für deren Grenzwerte liegt nicht vor.