Atemkalk: Chemie, Standzeit und Risiken

Geoeffneter zylindrischer Atemkalkbehaelter eines Kreislauftauchgeraets, bis zum Rand mit weissgrauem Granulat gefuellt, daneben Deckel und Vorratseimer. — Illustration, mit Google Gemini erzeugt.

Atemkalk ist das körnige Granulat, mit dem ein Kreislauftauchgerät das Kohlendioxid aus der Ausatemluft entfernt. Es besteht überwiegend aus Calciumhydroxid mit einem kleinen Anteil Natronlauge als Katalysator und bindet das Gas chemisch zu Kalkstein. Ohne diese Bindung wäre der geschlossene Atemkreis nach wenigen Minuten unbrauchbar, weil sich das Kohlendioxid darin aufstaut.

Was im Behälter passiert

Die Reaktion läuft nicht am trockenen Korn ab, sondern im Feuchtigkeitsfilm darauf — deshalb ist die Ausatemluft, die warm und wasserdampfgesättigt in den Behälter kommt, keine Nebensache, sondern Voraussetzung. Das Grundwissen des VDST zum Rebreathertauchen beschreibt den Ablauf in zwei Schritten: Zuerst löst sich das Kohlendioxid im Wasser zu Kohlensäure, die mit Natriumhydroxid zu Natriumcarbonat, Wasser und Wärme reagiert. Danach setzt das Calciumhydroxid aus dem Natriumcarbonat wieder Natriumhydroxid frei und wird dabei selbst zu Calciumcarbonat. Unterm Strich bleibt: Kohlendioxid plus Calciumhydroxid ergibt Calciumcarbonat, Wasser und Wärme.

Die Natronlauge wird in diesem Kreis also nicht verbraucht, sondern immer wieder zurückgebildet; sie ist der Katalysator, und der eigentliche Vorrat ist das Calciumhydroxid. Dass die Reaktion Wärme freisetzt, merkt der Taucher am handwarmen Behälter und an der spürbar warmen Atemluft — einer der angenehmen Nebeneffekte des Kreislaufgeräts im kalten Wasser.

Zusammensetzung und Bindungsvermögen

Die deutschsprachige Wikipedia gibt für gebräuchlichen Atemkalk rund 75 Prozent Calciumhydroxid, etwa 5 Prozent Natriumhydroxid, 1 Prozent Kaliumhydroxid, 0,2 Prozent Siliciumdioxid und 14 bis 19 Prozent Wasser an. Die Untersuchung von Gant und Mitautoren in Diving and Hyperbaric Medicine aus dem Jahr 2019 nennt aus den Herstellerunterlagen der beiden untersuchten Erzeugnisse für das Granulat über 75 Prozent Calciumhydroxid bei unter 4 Prozent Natriumhydroxid und für die Patronenform über 85 Prozent Calciumhydroxid bei 3 Prozent Natrium- und 2 Prozent Kaliumhydroxid — und merkt an, dass beide Datenblätter beim genauen Calciumhydroxidanteil unscharf bleiben.

Beim Bindungsvermögen gehen Theorie und Praxis auseinander. Die Wikipedia stellt die Herstellerangabe von 120 Normlitern Kohlendioxid je Kilogramm dem theoretischen Wert von etwa 225 Normlitern gegenüber. Der Unterschied ist kein Rechenfehler: Das Gas erreicht nicht jedes Korn, und ein Teil des Vorrats bleibt ungenutzt, wenn der Behälter gewechselt wird.

Warum Kälte die Standzeit frisst

Der VDST führt als Einflussgrößen die Kohlendioxidproduktion des Tauchers, die Temperatur, die Korngröße, die Kalksorte, die Qualität der Packung und die Feuchtigkeit auf — warm bindet besser als kalt, fein besser als grob. Die Wikipedia beziffert den Temperatureinfluss: bei 21 Grad Celsius volle Wirksamkeit, bei 15,5 Grad noch 80 Prozent, bei 10 Grad 65 Prozent und bei 1,5 Grad weniger als die Hälfte.

Was dabei an Standzeit herauskommt, hat die Untersuchung von Gant und Mitautoren an einem geschlossenen Gerät gemessen. Unter gestaffelter Belastung — 90 Minuten bei sechs metabolischen Äquivalenten, danach bei zwei — trat der Durchbruch bei der strengeren Schwelle von 0,5 Kilopascal nach 278 Minuten beim Granulat und 314 Minuten bei der Patrone ein; unter durchgehender schwerer Belastung nur nach 120 beziehungsweise 144 Minuten. Die Patrone hielt je nach Protokoll null bis zwanzig Prozent länger — deutlich weniger als die vom Hersteller behauptete Verdoppelung. Auch die Behauptungen geringerer Streuung, niedrigerer Atemarbeit und schwächerer Ätzwirkung fanden die Autoren nicht bestätigt: Nach fünfminütigem Fluten waren beide Sorten stark alkalisch, die Patrone mit pH 12,8 sogar geringfügig stärker als das Granulat mit 12,7.

Diese Zahlen gelten für genau dieses Gerät an der Oberfläche. Die Autoren weisen selbst darauf hin, dass niedrigere Temperaturen und höherer Druck die Standzeit verkürzen — und das sind die Bedingungen, unter denen getaucht wird.

Durchschlag und Ätzlauge

Erschöpft sich der Kalk, bleibt das Kohlendioxid im Kreis und wird wieder eingeatmet; dasselbe kann vorübergehend geschehen, wenn eine plötzliche Produktionsspitze die Bindung überfordert. Der VDST nennt das Durchschlagen und warnt ausdrücklich vor der am offenen System gelernten Atemtechnik aus sparsamem Ausatmen und Luftanhalten, weil sie genau solche Spitzen erzeugt. Das Ergebnis ist eine schleichende Hyperkapnie.

Das zweite Risiko ist mechanischer Art. Dringt Wasser in den Behälter, entsteht aus dem Kalk eine stark ätzende Lauge, die über die Atemschläuche bis zum Mundstück gelangen kann und schwere Verätzungen verursacht. Manche Geräte vertragen nach der Darstellung von dekostop.ch etwa einen Liter Wasser — etwa aus Kondensat —, bevor der Kalk geflutet wird; die gemessenen pH-Werte von Gant und Mitautoren zeigen, womit man es im Flutungsfall zu tun hat.

Als Tauchlehrer würde ich bei diesem Bauteil vor allem eines sagen: Die verbreitete Vorabatmung vor dem Einstieg prüft den Kalk nicht. In der von Simon Mitchell wiedergegebenen Untersuchung von Deng und Mitautoren aus dem Jahr 2015 erkannten bei teilweise ausgefallener Bindung nur zwei von zwanzig Probanden den Defekt — und selbst bei vollständig fehlendem Kalk brachen fünf von zwanzig den Versuch nicht ab. Wer sich auf das Gefühl verlässt, verlässt sich auf nichts.

Lässt sich Atemkalk nach dem Tauchgang aufheben?

Teilweise verbrauchter Kalk ist kein frischer Kalk, und wieviel Bindungsvermögen in ihm steckt, sieht man ihm nicht an. Die Einflussgrößen, die der VDST auflistet — Belastung, Temperatur, Packung, Feuchtigkeit — wirken alle auf die bereits gelaufene Standzeit, und keine davon lässt sich hinterher ablesen. Eine belastbare öffentliche Regel für die Weiterverwendung nennen die hier herangezogenen Darstellungen nicht; verbindlich ist die Vorgabe des Geräteherstellers.

Warum wird der Kalkbehälter warm?

Weil die Bindung des Kohlendioxids eine exotherme Reaktion ist. Der VDST führt die Wärme in beiden Reaktionsschritten ausdrücklich als Produkt auf. Für den Taucher ist das ein angenehmer Nebeneffekt — die Atemluft aus dem Kreislaufgerät ist warm und feucht, während sie aus dem offenen System kalt und trocken kommt.

Spielt die Korngröße eine Rolle?

Ja. Der VDST nennt die Korngröße unter den Einflussgrößen und hält fest, dass feines Korn mehr bindet als grobes. Feiner heißt allerdings auch dichter gepackt und damit höherer Atemwiderstand, weshalb die Sorte zum Gerät passen muss. Gant und Mitautoren weisen entsprechend darauf hin, dass andere Granulate als das von ihnen untersuchte in demselben Gerät anders ausfallen können.

Quellen

VDST: Grundwissen Rebreathertauchen (PDF) — die beiden Reaktionsschritte im Wortlaut, Wärmeentwicklung, die Einflussgrößen auf die Wirksamkeit einschließlich Temperatur, Korngröße, Packung und Feuchtigkeit, das Durchschlagen und seine Verbindung zur Atemtechnik.
Gant u. a., Diving and Hyperbaric Medicine 49 (2019), Heft 4 (PDF) — Zusammensetzung beider untersuchter Erzeugnisse nach Herstellerunterlagen, die gemessenen Standzeiten bei beiden Belastungsprofilen und beiden Durchbruchschwellen, die pH-Werte nach fünfminütigem Fluten, die Widerlegung der Herstellerbehauptungen.
Wikipedia: Kreislauftauchgerät — Zusammensetzung des Atemkalks in Prozent, Bindungsvermögen von 120 Normlitern je Kilogramm nach Herstellerangabe gegenüber etwa 225 Normlitern theoretisch, die Wirksamkeitsstaffel nach Temperatur, Ätzlauge bei Wassereinbruch. Wiki-Quelle.
dekostop.ch: Kreislaufgerätetypen — Wassertoleranz von etwa einem Liter bei manchen Geräten, Bezeichnungen Atemkalkbehälter und Atemkalkpatrone. Praktikerquelle.
Simon Mitchell: Respiratory Physiology of Rebreather Diving, in: Rebreathers and Scientific Diving, Proceedings 2016 (PDF) — die Untersuchung von Deng u. a. 2015 zur fünfminütigen Vorabatmung mit den Erkennungsraten bei teilweisem und vollständigem Ausfall der Bindung.

Zur Quellenlage: Die Prozentangaben zur Zusammensetzung stammen aus einem Wiki-Artikel und aus Herstellerunterlagen, die Gant und Mitautoren selbst als unscharf bezeichnen; eine unabhängige Analyse liegt dieser Darstellung nicht zugrunde. Die Wirksamkeitsstaffel nach Temperatur steht nur im Wiki-Artikel und ist dort ohne Messbedingungen angegeben. Die Standzeiten sind an einem einzigen Gerätetyp an der Oberfläche gemessen und auf andere Geräte nicht übertragbar. Der VDST gehört nicht zu den vier Verbänden, an denen sich dieses Lexikon sonst ausrichtet; seine Angaben sind hier als deutschsprachige Verbandsdarstellung herangezogen und ihm zugeordnet.