Sauerstofffenster (oxygen window)

Taucher haengt mit einer zusaetzlichen Stage-Flasche an der Aufstiegsleine auf einer flachen Dekompressionsstufe. — Illustration, mit Google Gemini erzeugt.

Das Sauerstofffenster ist das Druckdefizit, das der Stoffwechsel im Körper hinterlässt: Dem arteriellen Blut wird Sauerstoff entnommen, zurück kommt nur wenig Kohlendioxid. Die Summe der Gaspartialdrücke im venenseitigen Blut und im Gewebe liegt deshalb unter dem Umgebungsdruck. Englisch heißt das oxygen window; daneben stehen die Bezeichnungen inherent unsaturation und partial pressure vacancy.

Die Rechnung dahinter

Ein Arzt führt sie für die GUE an der Luftatmung auf Meereshöhe vor, in Millimeter Quecksilbersäule bei einem Umgebungsdruck von 760: Trockene Luft trägt einen Sauerstoffpartialdruck von 159; in den Lungenbläschen sind es 103, im arteriellen Blut 95, dazu 47 Millimeter Wasserdampf bei Körpertemperatur. Die Summe aller Partialdrücke im arteriellen Blut beträgt damit 752. Auf dem Weg durchs Gewebe fällt der Sauerstoff von 95 auf 44, während das Kohlendioxid nur von 40 auf 45 steigt. Die venenseitige Summe liegt bei 706 — also 54 Millimeter unter dem Umgebungsdruck. Diese 54 Millimeter sind nach derselben Darstellung das Fenster.

Dass das Kohlendioxid die Lücke nicht füllt, hat zwei Gründe, die dieselbe Quelle beide nennt: Nur etwa 80 Prozent des verbrauchten Sauerstoffs werden zu Kohlendioxid, und Kohlendioxid ist rund zwanzigmal besser löslich. Der Anstieg zwischen Arterie und Vene sei deshalb praktisch immer gleich groß — „the a-v increase in PCO2 is always about 5 mmHg“. Stickstoff und Wasserdampf bleiben auf dem ganzen Weg unverändert.

Wie groß das Fenster wird

Es wächst mit dem Sauerstoffpartialdruck des Atemgases, und zwar beträchtlich. Dieselbe GUE-Darstellung nennt für reinen Sauerstoff auf Meereshöhe 518 Millimeter, für Sauerstoff auf zehn Fuß Tiefe 844 und auf zwanzig Fuß 1066; als Obergrenze nennt sie rund 1400 Millimeter, erreicht oberhalb eines arteriellen Sauerstoffpartialdrucks von 1600. Unter Wasser begrenzt die Sauerstoffvergiftung das lange vorher.

Bei der Zahl für die Luftatmung gehen die Darstellungen auseinander. Die englischsprachige Übersicht führt das ursprüngliche Fenster, das Albert R. Behnke 1967 benannte, mit 60 Torr; die GUE-Darstellung rechnet 54 Millimeter aus. Beides liegt in derselben Größenordnung, aber es ist nicht dieselbe Zahl, und keine der beiden Quellen erklärt die Abweichung.

Wer es beschrieben hat

Der Gedanke ist älter als sein Name. Die Übersicht nennt frühe Arbeiten von Momsen zur „partial pressure vacancy“ aus dem Jahr 1942; Behnke prägte 1967 den Ausdruck oxygen window; LeMessurier und Hills beschrieben etwa zur selben Zeit und unabhängig davon die inherent unsaturation; Van Liew und Mitarbeiter machten 1965 eine ähnliche Beobachtung, ohne sie zu benennen, und fassten 1993 die Grenzen der Berechnung zusammen. Kot und Mitarbeiter erweiterten das Konzept 2015 auf die Sättigungsdekompression.

Was es für die Dekompression wirklich leistet

Hier sitzt der häufigste Kurzschluss. Das Fenster beschleunigt die Gasabgabe nicht: Bei gegebenem Druckgradienten erhöht es die Ausgasungsrate nach der englischsprachigen Übersicht ausdrücklich nicht. Was es tut, ist etwas anderes — es senkt das Risiko, dass Blasen entstehen und wachsen, und lässt damit einen größeren Gradienten zu. Daraus ergeben sich zwei Möglichkeiten, und man muss sich für eine entscheiden: entweder schneller und auf flacherer Stufe bei gleichem Risiko, oder auf gleicher Tiefe bei geringerem Risiko.

Das ist der physiologische Unterbau dessen, was unter Deko-Gas und Sauerstoffdekompression praktisch beschrieben ist: Ein sauerstoffreiches Gas verdrängt Inertgas aus dem Atemgas und vergrößert zugleich das Fenster. Der Gradient, der die Entsättigung treibt, und die Übersättigung, die man sich dabei erlauben darf, sind zwei verschiedene Größen — das Fenster wirkt auf die zweite.

Die Grenzen

Drei Dinge begrenzen den Nutzen, und die Übersicht nennt sie der Reihe nach: die Sauerstoffvergiftung, die sich aufsummiert — Krämpfe werden oberhalb von 1,6 bar wahrscheinlicher, dazu mehr unter Hyperoxie und Sauerstoffkrampf; die gefäßverengende Wirkung des Sauerstoffs, die die Durchblutung gerade dort drosselt, wo das Gas heraus soll; und die Tiefe, ab der kritische Gewebe nicht mehr auf-, sondern entsättigen.

Eine Einschränkung kommt vom Autor der GUE-Darstellung selbst. Seine Annahme, ein größeres Fenster begrenze zugleich die venenseitige Übersättigung, bezeichnet er als „conjecture“ — als Vermutung, der keine unmittelbare Untersuchung zugrunde liegt.

Als Tauchlehrer

Für den Sporttaucher ohne Dekompressionstauchgänge ist das Sauerstofffenster keine Rechengröße, sondern eine Erklärung. Es sagt, warum ein sauerstoffreiches Gas auf der flachen Stufe mehr bringt als nur den geringeren Inertgasanteil — und es sagt zugleich, dass dieser Zusatznutzen nicht aus einer schnelleren Entsättigung kommt, sondern aus der größeren Spanne, die man sich dabei erlauben darf. Wer den Unterschied kennt, versteht auch, warum sich dieselbe Spanne nicht zweimal ausgeben lässt: einmal für eine kürzere Stufe und noch einmal für mehr Grundzeit.

Entsättigt man mit Sauerstoff schneller?

Nicht in dem Sinn, in dem die Frage meist gemeint ist. Nach der englischsprachigen Übersicht erhöht das Sauerstofffenster die Ausgasungsrate bei gegebenem Druckgradienten gerade nicht. Schneller geht es, weil ein größeres Fenster das Risiko von Blasenbildung und Blasenwachstum senkt und damit einen größeren Gradienten zulässt — der Taucher darf also flacher stehen. Der Effekt liegt auf der Risikoseite, nicht auf der Geschwindigkeit der Diffusion.

Wie groß ist das Sauerstofffenster bei Luftatmung?

Die beiden gebräuchlichen Angaben gehen leicht auseinander: Die GUE-Darstellung rechnet 54 Millimeter Quecksilbersäule aus, die englischsprachige Übersicht führt das ursprünglich von Behnke 1967 benannte Fenster mit 60 Torr. Beide liegen in derselben Größenordnung; eine Erklärung für die Abweichung nennt keine der beiden. Entscheidend ist ohnehin das Verhältnis: Mit reinem Sauerstoff auf Meereshöhe nennt die GUE-Darstellung 518 Millimeter, also das Zehnfache.

Warum lässt sich das Fenster nicht beliebig vergrößern?

Weil drei Dinge dagegenstehen. Die Sauerstoffvergiftung summiert sich auf, und Krämpfe werden oberhalb von 1,6 bar wahrscheinlicher. Sauerstoff verengt zugleich die Gefäße und drosselt die Durchblutung dort, wo das Inertgas heraus soll. Und unterhalb einer bestimmten Tiefe sättigen kritische Gewebe nicht mehr auf, sondern entsättigen bereits — tiefer anzusetzen bringt dann nichts mehr.

Quellen

GUE: The effect of hyperbaric oxygen on the oxygen window — die Partialdruckreihe für Luft und reinen Sauerstoff, 54 Millimeter bei Luftatmung, 518 Millimeter bei reinem Sauerstoff, die Werte für zehn und zwanzig Fuß, der konstante Kohlendioxidanstieg von etwa 5 Millimetern
Wikipedia: Oxygen window — Begriffsgeschichte von Momsen, Behnke, LeMessurier und Hills, Van Liew und Kot, Behnkes 60 Torr, die Feststellung zur unveränderten Ausgasungsrate und die drei Grenzen des Nutzens

Zur Quellenlage: Die Zahlenreihe stammt aus dem Beitrag eines Arztes auf der Seite eines Tauchverbandes, die Begriffs- und Urhebergeschichte aus einem Wiki, das den betreffenden Abschnitt selbst als ergänzungsbedürftig kennzeichnet. Die Originalarbeiten von Behnke, Hills und Van Liew liegen dieser Darstellung nicht im Wortlaut zugrunde. Die Werte für zehn und zwanzig Fuß sind in imperialen Maßen angegeben und hier unverändert wiedergegeben. Eine deutschsprachige Verbands- oder Lehrbuchfundstelle für den Begriff ist nicht herangezogen worden.