스크랩 잠수론-포화잠수이론

[내사랑나나 / 이요한]

7) 포화잠수(Saturation Diving)
잠수사들은 비잠수사들로부터 물 속에 한번 들어가면 얼마나 있다가 나오느냐는 질문을 자주 받는다. 대답은 아마 질문을 받은 잠수사의 생각에 따라 다를 것이다.
보통 스포츠·레저잠수사들은 수심 40m이내를 기준 자신의 공기소모율을 감안하여 최고 90분까지 잠수하다 나올 수 있다고 대답할지 모른다.
그러나 잠수의 종류에는 비감압 잠수인 스포츠·레저잠수만 있는 것이 아니기 때문에 그렇게 간단히 대답을 할 수 없다. 테크니컬 잠수사, 사이언티픽 잠수사 또는 산업 잠수사는 다양한 방법으로 비감압 잠수의 한계를 넘는 경우가 많으므로 한번 물에 들어가면 얼마동안 체류하느냐는 질문의 대답은 다양할 수밖에 없다.
그러나 현재 가장 깊이 들어갈 수 있고 한번 들어가면 가장 오래 동안 체류 할 수 있는, 또 재잠수를 위한 감압시간과 표면경과시간이 해저체류시간에 비해 상대적으로 최소인 잠수방식은 포화잠수(Saturation Diving)이다.
① 포화잠수의 원리
포화잠수의 기본개념은 잠수사가 수중에서 일정시간 체류할 경우 비활성기체가 인체에 일정량 용해되면 더 이상 인체 내로 용해되지 않는 것으로 달톤의 법칙에 의하면 액체 속에 용해되는 기체의 부분압은 그 액체와 접해있는 혼합기체(공기) 속의 기체 부분압과 동일해질 때까지 증가한다. 이렇게 기체들의 부분압이 양쪽에서 동일해질 때 액체와 기체는 균형상태에 있다고 말하며 동시에 액체는 포화되었다(saturated)고 말해진다. 그리고 포화상태에 이르기까지는 시간이 필요하다.
예를 들어 설명하면 여기서 기체는 잠수사의 관심 대상인 질소로 인식하고 액체는 인체의 수액이라 했을 때 잠수사가 상승을 하는 과정에서는 인체조직 속에 용해되어 있는 질소의 양이 인체와 접촉되어 있는 외부기체 속의 질소량보다 항상 많은 현상이 초래된다. 따라서 초과된 인체 속의 질소는 몸밖으로 빠져나간다. 그리고 인체에 용해된 질소의 부분압(양이) 주변압보다 너무 크면(많으면) 질소는 거품으로 변해 감압병을 일으키게 된다.
조직은 어떤 특정 수심에서 즉시 포화상태가 되지 않기 때문에 비감압 잠수의 한계나 감압해야 할 시간이 해저체류시간에 따라 다르다.
즉 조직이 질소에 의해 완전히 포화되지 않으면 포화되었을 때 보다 질소를 외부로 내보내는 시간이 짧아진다는 것이다. 만약 정해진 수심에서 완전 포화가 된다면 해저체류시간에 관계없이 질소가 방출되는 시간은 동일해진다.
② 포화에 필요한 시간
잠수에서 감압의 전형은 잠수사 몸에 얼마나 많은 질소가 용해되었고 그 초과 질소를 안전하게 체외로 방출하는데 얼마의 시간이 걸릴 것인가를 대략적으로 유추하는 방법이다. 대부분의 감압전형은 질소의 이동을 설명하기 위해 "조직반감기"(하프타임 : Half Time)이란 개념을 도입한다.
인체의 조직은 처음에는 빠른 속도로 질소를 흡수(또는 방출)하다가 점진적으로 그 속도가 줄어든다. 이 과정에서 조직이 완전히 포화되는 질소의 양을 100이라고 했을 때 50%까지 질소가 용해되는데 소요되는 시간을 조직반감기라고 한다.
만약 조직반감기가 5분인 경우에 제2 조직반감기 시간에는 나머지 50%의 절반 즉 25%가 더 용해되어 포화상태의 75% 수준에 도달한다(50%＋25%),
제3 조직반감기에서는 나머지 25%의 반인 12.5%가 더 용해되어 포화상태의 87.5%,
제4 조직반감기에서는 또 나머지의 반인 6.25%(87.5%＋6.25%=93.75%),
제5 조직반감기에서는 다시 나머지의 반인 3.13%(93.75＋3.12=96.88%),
제6 조직반감기에서는 또 반인 1.56%(96.88＋1.56=98.44%)가 더 용해되어 포화상태의 98% 수준에 이른다.
이론적으로 이 계산은 영원히 100에 도달하지 못한다. 그러나 98.44%의 수준을 감압전형에서는 포화되었다고 간주한다. 즉 조직반감기가 5분인 조직은 5 6=30 즉 30분에 포화된다.
그러고 인체의 조직들은 조직반감기가 5분인 것에서부터 10분, 20분, 40분, 75분 등 여러 가지가 있으나 조직반감기는 달라도 앞의 계산법 예에서와 같이 각 조직이 포화상태가 되는 데는 공통적으로 "조직반감기 6=총시간"의 법칙이 적용된다.
미 해군의 잠수감압표는 가장 긴 조직반감기가 2시간으로 되어 있다. 즉 인체에 질소가 포화상태가 되는 데는 2 6=12시간이 걸린다. 또 다른 감압유형에서는 2시간 이상의 조직반감기를 적용시키는 것들도 있다.
그러나 최장 조직반감기를 어떻게 설정했든 간에 관계없이 특정 수심에서 완전히 포화상태에 돌입했다면 그 이후 그 수심에서 시간이 더 흘러도 질소가 더 이상 용해되어 들어가지 않으므로 질소가 방출되는 시간은 증가하지 않는다.
이것이 포화잠수의 기본 개념이다. 포화잠수 방법에는 설치장소와 목적 등에 따라 선상의 압력 챔버를 이용하는 데크 챔버 시스템(deck chamber system)과 해비탯(habitat) 시스템이 있지만 대체로 데크 챔버 시스템을 많이 사용한다.
데크 챔버 시스템은 잠수사를 선상의 압력 챔버에서 해당 작업 수심까지 가압시킨 다음 가압시킨 잠수사를 이송용 캡슐(PTC 또는 잠수종)에 태워서 작업 수심으로 내려 보낸다. 작업 수심에 도달한 잠수사는 이송용 캡슐의 문을 열고 나와 부여된 잠수작업을 하게 된다. 작업을 완수한 후에는 다시 이송용 캡슐에 탑승 감압정지 없이 상승하여 선상의 압력 챔버로 귀환한다.
압력 챔버로 귀환한 잠수사는 가압된 상태에서 작업상황에 따라 대기할 수도 있고(작업교대) 완전히 밖으로 나올 수도 있다. 만약 밖으로 나와야 할 상황이라면 반드시 일전의 포화시간만큼 감압을 진행하면서 나와야 하는 방법이다.
해비탯(habitat :거주지란 뜻)은 뜻 그대로 물 속에다 거주용 주택을 지어놓고 작업하는 것이다. 잠수사는 선상에 올라올 필요 없이 작업 수심의 압력과 균형을 이룬 주택에서 생활하면서 필요할 때마다 밖으로 나가 임무를 수행하는 방법이다.
위 두 방법은 지원상의 테크놀로지는 차이가 있지만 생리학상으로는 동일한 원리의 적용을 받는다. 그리고 일단 포화된 잠수사는 감압하지 않고도 작업 수심에서 어느 한계까지는 아래나 위로 수심을 이동해 다녀도 된다.
③ 포화잠수에 수반되는 여러 가지 난제들
- 장시간 가압(수압) 상태에 놓여지면 감압문제 말고도 다른 문제들이 나타난다. 우선 포화잠수에 사용되는 호흡기체의 성분비를 작업수심에 따라 변경시켜 주어야 한다.
특히 산소 중독이 일어나지 않도록 기체관리를 해야하는데 깊은 수심에서는 산소의 부분압이 정상치를 유지하도록 산소의 함량을 줄여야 한다. 따라서 심해잠수에는 산소+헬륨인 헬리옥스(heliox)를 사용하거나 산소+질소+헬륨의 혼합인 트리믹스(trimix)를 사용한다.
- 인체의 신진대사는 이산화탄소를 생산하여 잠수사를 가두고 있는 밀폐된 공간에 높은 농도로 축적된다. 이산화탄소는 저농도에서도 사람을 불편하게 하지만 고농도에서는 치명적이다. 압력 챔버나 해비탯 속의 이산화탄소 제거는 이산화탄소 정화기로 한다.
- 한 두시간 잠수하는 관행에서는 잠수사의 음식과 음료가 별로 문제가 되지 않지만 여러 날 가두어진 상태로 포화잠수를 하는 경우에는 신선한 물과 입에 맞는 음식의 공급 수단이 주요한 과제가 된다.
- 일반적으로 장시간 감압해야 하는 잠수에서는 드라이수트 안에 성인용 기저귀를 착용하여 대처하지만 여러 날 잠수하는 포화잠수에서는 이 방법이 적절하지 못하다. 과거의 해비탯 시스템에서는 해비탯 밖으로 나가 용변을 보았지만 현대에는 챔버나 해비탯 안에 변기가 설치되어 있다.
- 바닷물은 아무리 더워도 체온보다 낮아 인체의 열을 빼앗아 간다. 포화 잠수사들은 아주 긴 시간을 물 속에 있기 때문에 체온보호가 매우 중요하고 압력 챔버나 해비탯 안의 기온도 유지해야 한다. 체온저하 상태에서는 잠수사의 작업 능률을 기대할 수 없다. 뿐만 아니라 압력 챔버와 해비탯 안의 습도를 쾌적하게 유지하는 문제도 중요하다. 높은 습도는 짜증과 스트레스만 주는 것이 아니라 피부염 같은 질환도 일으킨다.
- 포화잠수에서는 심리적 장애도 문제이다. 작고 밀폐된 공간에 갇히어 몇 사람 안되는 잠수사들과 함께 장시간 생활하다보면 큰 스트레스가 일어난다. 아주 친했던 사람들끼리 해비탯 실험을 하다 말다툼과 싸움이 심해져 실험을 중도에 포기한 일도 있다.
- 가압 상태에서 병이 나거나 다칠 수 있는데 이것도 큰 문제이다. 응급 처치를 하기 위해서 의사가 포화잠수에 동참하기는 하지만 심한 질환에는 완전한 방법이 못된다.
사실 대심도 포화잠수에 참여하는 잠수사는 월세계 여행을 하는 어스트로노트(astronaut :우주인)에 비유되어 아쿠어노트(aquanaut)라고 불리어질 때가 많다.
정상적인 대기압으로 안전하게 귀환하는데는 우주여행과 다름없이 긴 시간과 절차가 필요하기 때문이다.
④ 얼마나 오래 머물 수 있나?
이론적으로 포화잠수에는 무제한으로 수중에 머물 수 있다. 그러나 현실적으로는 비용의 문제, 잠수사가 그 생활을 얼마나 인내할 수 있는가에 따라 제한적이다. 지금까지 최장 기록은 약 두 달이다.