¿Membrana impermeable a N2N2N_2 pero permeable a CO2CO2CO_2 y O2O2O_2?

Voy a arriesgarme aquí y decir que no (¡y salirme con la mía porque no has pedido ciencia dura!)

$N_2$es más pequeño y ligero que$CO_2$, y tampoco son polares. No existe una manera trivial de hacer una membrana que permita el paso de la molécula más grande y rechace la más pequeña. Existe tecnología para filtrar el nitrógeno (usado en los concentradores de oxígeno ) y el dióxido de carbono (usado en los rebreathers ) del aire, pero esto no ayudaría si está usando el resultado como gas respirable porque ha aumentado enormemente las presiones parciales del resto de los componentes de su gas de respiración (que es peligroso, vea a continuación) o lo ha llenado con algún otro gas inerte para compensar el equilibrio, negando así su objetivo de diseño original (y no hay gas alternativo perfecto, todos tienen costos y riesgos asociados con ellos).

Su mejor apuesta es hacer un mecanismo alternativo de intercambio de gases que no necesite usar la presión atmosférica ambiental para introducir y sacar gas de la sangre, es decir. un pulmón artificial especializado ( ECMO ). Probablemente tendría que disolver los gases de respiración requeridos en algún tipo de líquido (muy parecido a un enfoque de respiración líquida ) y luego dejar que los gases se difundan en el torrente sanguíneo a través de una membrana más simple.

Esto sería un poco de ingeniería y medicina no trivial, si quisiera que fuera compacto, confiable y seguro en entornos submarinos. Observo que este enfoque se usó en Starfish de Peter Watts y sus otros libros de Rifters , con un reemplazo pulmonar implantado quirúrgicamente. Fue un paso más allá e hizo que también extrajera oxígeno del agua a través de la electrólisis (lea el enlace para obtener más detalles y trabajos relacionados). Si no quisieras eso, aún podrías usarlo como un sistema de respiración bajo el agua... simplemente toma un depurador de dióxido de carbono adecuado y una fuente de oxígeno que funcione con el fluido de respiración, y hazlo funcionar como una especie de rebreather de circuito líquido.

Al eliminar la presión ambiental de la ecuación, no solo se enfrenta a los problemas de toxicidad del gas, sino también a algunos problemas de expansión del gas cuando cambia de profundidad. Hay mucho menos riesgo de enfermedad por descompresión cuando no hay gases disueltos para formar burbujas en su cuerpo, por ejemplo. Todavía tendría que lidiar con mantener presurizados los pulmones, los senos paranasales y las trompas de Eustaquio (el sistema de Watts inundó las vías respiratorias con solución salina cuando el pulmón artificial estaba en funcionamiento), por lo que aún debe tener cuidado con las lesiones por compresión y expansión excesiva.

la narcosis por nitrógeno sería absolutamente mortal

Muchas cosas se vuelven mortales a presiones lo suficientemente altas. La toxicidad aguda por oxígeno causará convulsiones, la exposición a largo plazo al oxígeno a alta presión dañará los pulmones (entre otras cosas). Deberá tener mucho cuidado con otros contaminantes que pueden pasar de ser una irritación en la superficie a ser fatales en la profundidad. También tiene otros problemas serios no biológicos, como el hecho de que hay mucho oxígeno adicional en el aire que hará que los incendios en sus hábitats sean realmente emocionantes .

Estoy ignorando el Síndrome Nervioso de Alta Presión aquí, ya que las ballenas han encontrado una solución

Las ballenas, y de hecho todos los demás mamíferos marinos buceadores, contienen la respiración. Esto limita drásticamente la duración de sus inmersiones. También limita la cantidad máxima de cualquier gas que puede difundirse en sus cuerpos. También tienen adaptaciones para llenar mejor la sangre y los músculos con oxígeno antes de la inmersión y limitar la transferencia de gas desde los pulmones en profundidad, lo que reduce la capacidad de los gases indeseables de difundirse en la sangre y luego causar efectos tóxicos o narcóticos, o riesgo de torceduras. . No está del todo claro que hayan "encontrado una solución alternativa" en el sentido que usted quiere decir, porque es posible que simplemente no expongan sus sistemas nerviosos a los tipos y cantidades de gases disueltos que hacen los buzos de aguas profundas.

Permanecer en la profundidad y respirar continuamente de alguna otra fuente de aire dará como resultado que las partes "inertes" de su gas respiratorio se disuelvan en su torrente sanguíneo, algo que no les sucede a las ballenas. Ignore a los mamíferos buceadores cuando considere la posibilidad de habitar bajo el agua a largo plazo; no lo hacen y no están adaptados para ello. La inmersión más larga realizada por un mamífero es de poco más de 2 horas , por algo con una fisiología bastante diferente a la de los humanos. Estoy bastante seguro de que si tienes equipos de respiración subacuática para ballenas y morsas, descubrirás que desarrollan una gran cantidad de enfermedades relacionadas con la presión a su debido tiempo, al igual que los humanos.

Permanecer bajo alta presión durante largos períodos de tiempo tiene un conjunto completamente nuevo de problemas que no se entienden bien. Lea sobre los riesgos que se presentan para los buzos de saturación para ver ejemplos de este tipo de problema. Es poco probable que cambiar la composición de la atmósfera solucione todos estos problemas.

Dependiendo de qué tan profundo vayas, el nitrógeno no es tu único problema. Una vez que se llega por debajo de los 60 m de profundidad, la toxicidad del oxígeno también se activa y el envenenamiento por CO ₂ también es algo de lo que los buzos realmente deben preocuparse. La forma en que manejan todo esto es mezclas de aire especiales que contienen porcentajes de gas inerte para reducir la cantidad de oxígeno y nitrógeno que respiran, y dejan que sus exhalaciones escapen por completo, lo que significa que el CO 2 no puede acumularse en un sistema _cerrado . .

Entonces; Los entornos a presión en las profundidades del océano son posibles, pero traerá algunos gases inertes y tratará de mantener su entorno lo más cerrado posible. Pero, ¿cómo consigues el equilibrio correcto en primer lugar?

Comencemos con el nitrógeno; la filtración de nitrógeno es una cosa, y ya es posible purificar y extraer nitrógeno de la atmósfera. Podemos hacer lo mismo con el oxígeno hasta cierto punto, e incluso entendemos la teoría de la liberación química del oxígeno del CO ₂ . No es fácil, pero es posible.

Entonces; en su forma más simple, el enfoque que necesita es;

1) bajar un tanque de gas inerte.
2) comenzar a filtrar y capturar nitrógeno, pero
3) comenzar a llenar la presión atmosférica con gas inerte.

También debe hacer lo mismo con el oxígeno si puede, para emergencias. Siga monitoreando sus niveles atmosféricos, y cuando su presión parcial de oxígeno esté alrededor de 0,2 ATM, y su nitrógeno esté alrededor de 0,6 ATM, habrá logrado su equilibrio.

A largo plazo, su entorno necesita plantas para sobrevivir, por supuesto, por lo que debe tener grandes cúpulas de cultivos que conviertan naturalmente el CO ₂ en O ₂ para usted. Además, plante muchas legumbres como frijoles. Estos toman el nitrógeno de la atmósfera y lo 'fijan' en el suelo, lo cual es necesario para un buen manejo de los cultivos. (Esta es la razón por la que no se puede simplemente eliminar todo el nitrógeno de la atmósfera).

Sin embargo, en pocas palabras, todo el equipo que necesita a escala industrial ya está disponible para la captura, liberación y monitoreo de los gases constituyentes en su atmósfera. A largo plazo, también querrá intentar desarrollar un ecosistema lo más sostenible posible en sus domos, ya que esto aliviará el desgaste de su equipo. En realidad, esto es bastante factible con la tecnología actual; la única palabra de advertencia es que la ecología de la tierra es un equilibrio complejo de interacción que no puede esperar replicar perfectamente en su entorno submarino; aún necesitará actualizar aspectos de su entorno, incluida la atmósfera, de vez en cuando.

Podría hacer esto con un cruce entre un sistema SCUBA y un concentrador de oxígeno.

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

Los concentradores de oxígeno suelen utilizar tecnología de adsorción por oscilación de presión (PSA) y se utilizan ampliamente para el suministro de oxígeno en aplicaciones sanitarias, especialmente cuando el oxígeno líquido o presurizado es demasiado peligroso o inconveniente, como en los hogares o en clínicas portátiles. Para otros fines también existen concentradores basados ​​en tecnología de membrana. Un concentrador de oxígeno toma aire y elimina el nitrógeno del mismo, dejando un gas enriquecido con oxígeno para que lo usen las personas que necesitan oxígeno médico debido a los bajos niveles de oxígeno en la sangre. 1Los concentradores de oxígeno también se utilizan para proporcionar una fuente económica de oxígeno en procesos industriales, donde también se conocen como generadores de gas de oxígeno o plantas de generación de oxígeno. Los concentradores de oxígeno utilizan un tamiz molecular para adsorber gases y funcionan según el principio de adsorción de nitrógeno atmosférico por cambio rápido de presión en minerales de zeolita y luego ventilan el nitrógeno. Por lo tanto, este tipo de sistema de adsorción es funcionalmente un lavador de nitrógeno que deja pasar los demás gases atmosféricos. Esto deja al oxígeno como el gas principal restante. La tecnología PSA es una técnica confiable y económica para la generación de oxígeno a pequeña y mediana escala, con una separación criogénica más adecuada para volúmenes más altos y una administración externa generalmente más adecuada para volúmenes pequeños. 2

Pero un problema para sus humanos es que incluso si purgan el N2, seguirán necesitando helio para respirar. A esa presión, si se deshace del nitrógeno, le quedará oxígeno a alta presión que quemará rápidamente los pulmones. También debe reducir el oxígeno al porcentaje mínimo e introducir un gas inerte (helio) para compensar la presión faltante para que puedan inhalar.

Usa la conjuntiva como tu membrana respiratoria.

Sus habitantes profundos necesitan estar protegidos de altas concentraciones de O2 y N2. La interfaz que tenemos con la atmósfera (pulmones) es mucho más de lo que necesitan para intercambiar gases en esas concentraciones, y los pulmones no presentan ninguna barrera para que el gas nitrógeno concentrado se equilibre con la sangre. Los pulmones delicados de los pulmones se quemarán con oxígeno de alta concentración.

Necesitan los pulmones fuera de la mirada. Sus habitantes profundos mantienen su circulación fetal. Su sangre no pasa por los pulmones.

En el feto, en lugar de intercambio de gases en el pulmón, el intercambio de gases ocurre en la placenta. Con una alta concentración de oxígeno, el intercambio de gases puede ocurrir en un área pequeña expuesta al gas. Usan los ojos.

Los ojos están expuestos al aire ambiente. Sus habitantes profundos tienen una hemoglobina alta y la sangre está expuesta más ampliamente en el ojo, volviendo la esclerótica roja a la manera de una hemorragia conjuntival. Esos son sangre extravasada, como un hematoma, pero se mantienen de color rojo brillante porque la córnea es permeable al oxígeno.

Eso se encarga de la oxigenación. La entrada de nitrógeno es limitada pero aun así se equilibrará gradualmente. Ese ligero exceso de nitrógeno, así como el CO2 producido por la respiración son atendidos internamente.

El exceso de nitrógeno se fija en urea mediante fijadores comensales de nitrógeno en el intestino. La urea es utilizada por el cuerpo o excretada.

El CO2 es el más complicado porque hacemos mucho. ¿Cómo deshacerse de él sin respirar? Propongo que sea secuestrado en fluidos alcalinos en el estómago y aclarado a través de eructos. Esto tendrá el beneficio adicional de permitir la fonación, ya que sin respiración no sería posible hablar. Sus habitantes profundos necesariamente serán concisos, eligiendo sus palabras económicamente.

Si todo lo demás falla, puede recurrir a una solución bioquímica para esta.
Las células tienen proteínas de transporte/canal en sus paredes, que solo dejan pasar iones moleculares o atómicos específicos.

La capacidad de dejar pasar solo partículas específicas está relacionada con la estructura energética de la parte de unión de una proteína de canal, que se 'calibra' en la estructura energética de la partícula de transporte objetivo. Cualquier cosa que no coincida, simplemente no puede pasar.

Si bien creo que esto podría ser bioingeniería en algún tipo de máscara de respiración (aumentando un poco la velocidad del proceso), las uniones de proteínas no son infalibles. Hemoglobina, que el cuerpo utiliza principalmente para transportar$\rm O_2$, también puede unirse a$\rm CO$, causando envenenamiento. Pero alguna tecnología futura podría manejar esto.