Ha a globális felmelegedés olyan katasztrofális áradásokat okoz, amelyek az évszázad végére elárasztják a világ part menti városi területeinek nagy részét, hogyan fogunk megbirkózni vele? Jun Kamei, a Royal College of Art biomimikai tervezője és anyagtudósa válasza az Amphibio – egyfajta könnyű, 3D-nyomtatott, polimerből készült mellény, amely egyszerre működik mesterséges kopoltyúként és légzőkészülékként, és lehetővé teszi, hogy az emberek az elárasztott megavárosokban lógjanak.
Az RCA-IIS tokiói dizájnlaborral együttműködésben tervezett Amphibio Kamei megoldása a 2100-ra előrevetített jövőre, amikor a globális felmelegedés elolvasztotta a jégsapkákat, és az emelkedő óceánok a világ népességének 30 százalékát érintik. Az intuitív reakció egy ilyen katasztrófára a szárazföldre költözés lehet, de Kamei úgy véli, hogy jobb ötlet lenne egy félig vízi életmódot felvenni, valami olyasmit használva, mint az Amphibio mesterséges kopoltyú.
Az Amphibio egy biomimetikus mesterséges kopoltyú, amely a búvárpókokon és rovarokon alapul, amelyek szuperhidrofób bőrfelülettel rendelkeznek, amely lehetővé teszi számukra, hogy egy légbuborékot gyűjtsenek a testük köré. Ezek a buborékok kopoltyúként működnek, amelyek a környező vízben oldott oxigént engednek be, és szén-dioxidot bocsátanak ki.
Az Amphibio ugyanezt használja. elvet egy speciális és nem részletezett porózus hidrofób anyaggal, amely alkalmas 3D nyomtatásra, hogy egyfajta fodros mellényt hozzon létre, amely egy sor léghólyagból áll, amelyek egy maszkba táplálkoznak, amely eltakarja az orrot és a szájat. Kamei az Amphibio-t úgy írja le, mint a szabadbúvárkodás és a búvárkodás közötti köztes pontot, amely lehetővé teszi a búvárok számára, hogy könnyebb felszereléssel hosszabb ideig maradjanak a víz alatt.
A Kamei eddig laboratóriumi teszteket végzett egy szén-dioxiddal töltött és egy tartályban felfüggesztett teszthólyaggal, hogy demonstrálja oxigénfelvevő képességét. Elismeri, hogy a tervezéshez még hosszú út vezet, arra hivatkozva, hogy a felület túl kicsi, és legalább 32 m²-nek kell lennie ahhoz, hogy elegendő oxigént gyűjtsön egy ember számára.
Noha Kamei elismeri az Amphibio mérnöki oldalát, a technológia még nagyon messze van attól, hogy megvalósítható legyen, nemhogy praktikus. A mesterséges kopoltyú gondolata már azóta mainstream, amióta Jacques Cousteau víz alatti úttörő kapitány 1962-ben kijelentette, hogy a tengerkutatás jövője a vizet lélegző “emberhalak” létrehozása. A probléma az, hogy az elképzelés és a valóság között igen nagy szakadék tátong.
Az első kísérletek során féligáteresztő műanyag membránokkal vontak ki oxigént a vízből, az ötlet gyakorlati megvalósításának akadályai gyorsan növekedtek. Eleinte a technológia győztesnek tűnt, mivel a kutatók hörcsögöket helyeztek halkádákba merített membrános dobozokba, de sokkal nehezebb olyasmit készíteni, ami azt teszi, amit a halak kopoltyúja.
Ha megnézzük a tengeri élőlények listáját, észrevehetjük, hogy egyik tengeri emlősnek sincs kopoltyúja. Ennek számos oka van, de az egyik legnagyobb az, hogy az emlősök anyagcseréje nagyon magas, amihez sok oxigénre van szükség. Ha veszünk egy liter (34 oz) levegőt, az 200 ml (6,76 oz) oxigént tartalmaz. Ha azonban vizet használunk, akkor ez literenként csak 5-10 ml (0,17-0,34 oz) oxigént jelent. Ez a hidegvérű halak számára rendben van, de egy ember által viselt mesterséges kopoltyúnak 10-20-szor nagyobb térfogatú vizet kell feldolgoznia, mint levegőt, vagyis 100 százalékos hatékonysággal percenként 100 litert (26,5 gal), hogy életben tartsa a búvárt.
Ez azt jelenti, hogy több dologra is szükség van. Egyrészt nagyon nagy felületet jelent, amely az emberi tüdő 50-75 m²-éhez (540-810 ft²) hasonlítható, és ez sok vízáramlást is jelent. Ezért a korai mesterséges kopoltyúkon erősen hullámosított membránok szerepeltek, amelyeket nagy hátizsákokba gyömöszöltek akkumulátorokkal, feltöltő légtartályokkal és hatalmas járókerékkel, hogy a vizet átnyomják az eszközön.
A problémák itt nem érnek véget. Ha az oxigén és a szén-dioxid át tud haladni egy mesterséges kopoltyúanyagon, akkor a semleges gázok is. Míg a kopoltyú oxigént képes felvenni a vízből, nitrogént nem, így a búvár tüdejében lévő nitrogén, amely 78 százalékát teszi ki, gyorsan kiszivárog, a tömlők összeesnek, és a légzőmaszkot elönti a víz. Az Amphibio esetében ez még rosszabb lenne, mert a hidrofób felület által csapdába ejtett légréteg csökkenne, és hamarosan eltűnne, ahogy a nitrogén a környező vízbe diffundál.
Ugyanez vonatkozik a nyomásra is. A mesterséges kopoltyúk nagyon sekély vízben működnek a legjobban. Ha a búvár néhány lábnál mélyebbre merül, a víznyomás ismét összeomlasztja a tömlőket és a hólyagokat, és az arcmaszk elárasztja. A búvárkodásnak nincs ilyen problémája, mert úgy tervezték, hogy automatikusan kompenzálja a légzőkészülék segítségével, amely az adott mélységhez tartozó környezeti nyomású levegőt biztosít.
Ezek egyike sem érvényteleníti az Amphibio mögötti ötletet, de nagyon alapszinten sokkal több munkára van szükség ahhoz, hogy praktikussá váljon. Ha valaha is eljut a piacra, jó lenne búvárkodni valami elárasztott katedrálisban. Bár mi inkább maszkot, uszonyokat, súlyöveket és uszonyokat javasolnánk erre az alkalomra, mint áttetsző ruhát.
Az alábbi videón egy Amphibio hólyag tartályos tesztje látható.